核心素养背景下高中学生物理关键能力的培养

广东 熊小勤

1 问题提出

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》指出，学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。关键能力是指即将进入高等学校的学习者在面对与学科相关的生活实践或学习探索问题情境时，高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力。它是使学习者适应时代要求并支撑其终身发展的能力，是培育核心价值、发展学科素养所必须具备的能力基础，是高水平人才素质的重要组成部分。新高考物理等级性考试更加注重以核心价值为引领，以学科素养为导向，以关键能力为重点，以必备知识为基础，大力引导学生从“解题”向“解决问题”转变。基于此，高中物理教学中培养学生物理关键能力是必然趋势，创设情境进行教学，对培养学生物理学科核心素养具有关键作用。

2 以新情境素材为背景，培养学生关键能力

随着近几年新高考物理等级性考试制度的逐步完备与优化，在考查内容与要求上，物理等级性考试更加注重反映物理学科的本质，注重密切联系社会、经济、科技、生产生活实际，使得试题情境的呈现更具问题性与真实性。因此，在高中物理教学中要融入实际场景，如体育运动、交通出行、生产应用、科技成果创新等，从而使教学关联真实的情境，达到培养学生关键能力的目的。

2.1 利用同一新情境素材进行不同设问，培养学生关键能力

在高中物理教学和复习时，教师可以通过某一新情境素材，引导学生对其设置不同的问题，逐步培养学生提出与研究问题能力、批判性与创造性思维能力、信息的收集、传递与处理能力等关键能力，从而全面落实核心素养。

【例1】如图1所示，辛丑年农历除夕“神舟十三号”航天员在遥远的中国空间站向祖国和人民送上了新春的祝福。下列相关说法正确的是

( )

此题以辛丑年农历除夕“神舟十三号”航天员在遥远的中国空间站向祖国和人民送上了新春的祝福为背景设计的一道物理试题，考查学生的信息获取能力、推理论证能力、模型构建能力等关键能力。为了更进一步培养学生的质疑创新能力，引导学生对这一情境提出以下问题：

(1)在空间站中航天员所受的重力为零；

(2)航天员在空间站中“静止”不动时处于平衡状态；

(3)空间站绕地球运动经远地点时的速度小于7.9 km/s；

(4)空间站绕地球运动经远地点时的加速度大于9.8 m/s2；

(5)在空间站中航天员处于失重状态；

(6)空间站绕地球运动经远地点时的速度小于经近地点时的速度；

(7)空间站绕地球运动经远地点时重力势能最大；

(8)空间站绕地球运动过程中动能保持不变。

因此，在平时的高中物理教学和复习中通过把平时习题的设问去掉，利用同一新情境素材，让学生站在命题人的角度进行思考、设问，从而通过一道题实现知识网络的构建，把核心素养真正落到实处，学生的学科关键能力真正得以培养。

2.2 利用同一知识设置不同新情境素材，培养学生关键能力

在平时的教学和复习中，可以通过同一知识，引导学生从不同角度设置新情境素材，从而使学生认识到利用新情境素材获取有用信息的方法，进一步理解高考新情境素材的试题的特点，真正掌握这种题目的突破点和解题技巧，达到培养学生关键能力的目的。

【例2】赛龙舟是端午节的传统活动。如图2所示v-t图像描述了甲、乙两条相同的龙舟从同一起点线同时出发、沿长直河道划向同一终点线的运动全过程，下列说法正确的是

图2

( )

A.在t2时刻甲、乙龙舟相遇

B.在0～t1时间内乙龙舟速度变化快

C.在0～t2时间内甲、乙龙舟平均速率相等

D.整个过程甲与乙龙舟在途中会出现船头并齐情况

此题以中华传统节日端午节的群众性体育活动为背景，描述了一个生动而真实的场景，要求学生在实际问题中“去质点化”，通过对追赶问题v-t图像的辨识，考查学生的理解能力、推理论证能力、获取信息等关键能力。为了更进一步培养学生的关键能力，我们可以利用同一v-t图像，引导学生对这一问题重新设置新情境，参考题目如下：

学校校运会是中小学最重要的一项体育赛事。如图3所示的v-t图像描述了2021年广东某校校运会100 m决赛中甲、乙两同学的运动全过程，下列说法正确的是

图3

( )

A.在t2时刻甲、乙两同学相遇

B.在0～t1时间内乙同学的加速度大

C.在t2时刻甲同学在乙同学的前面

D.整个过程甲同学和乙同学在途中会相遇

在高中物理教学和复习中，通过利用同一知识，设置不同情境化素材，使知识融入不同情境当中，有利于学生真正地理解知识、掌握知识，并且能够运用知识去解决真实情境中的问题，从而在课堂中真正培养学生推理论证能力、获取信息、模型构建等关键能力。

3 以同一素材为背景，培养学生关键能力

随着新教材的逐步落实，新高考命题要求：优化考试内容，突出立德树人导向，重点考查学生运用所学知识分析问题和解决问题的能力，创新试题形式，加强情境设计，注重联系社会生活实际，增加综合性、开放性、应用性、探究性试题。这就要求我们在教学和复习中要以同一素材为背景进行一题多变和一题多解，培养学生的发散思维和创新思维等关键能力。因此，在高中物理教学和复习中应该从以下两个方面加强。

3.1 同一素材多种变化，培养学生关键能力

在物理教学中要注重学生创新思维能力的培养，而培养学生创新思维能力，旨在增强学生对问题的敏感性，思考问题的灵活性、独特性和流畅性。要培养学生解决问题和探索新物理问题的能力，学生必须对所学知识达到“熟练”，进而才能创新。为了达到此目的，教师可通过一题多变、一题多问来启发和引导学生。

【例3】如图4所示，水平放置的两块长平行金属板a、b相距d=0.10 m，a、b间的电场强度为E=5.0×105N/C，b板下方整个空间存在着磁感应强度大小为B=6.0 T，方向垂直纸面向里的匀强磁场，现有一质量为m=4.8×10-25kg，电荷量为q=1.6×10-18C的带正电的粒子(不计重力)，从贴近a板的左端以v0=1.0×106m/s的初速度水平射入匀强电场，刚好从狭缝P穿过b板而垂直进入匀强磁场，最后粒子回到b板的Q(图中未标出)处，求P、Q之间的距离L。

图4

变式1：求整个过程中带电粒子运动的时间。

变式2：若带电粒子带负电，其他条件不变，情况又如何？

变式3：若a、b金属板为薄板，且穿过薄板没有能量损失，带电粒子刚好能从a板右侧水平射出，则a板板长满足的条件。

此题通过多角度设问，不但帮助学生构建知识网络，而且有利于培养学生思维的灵活性、变通性和创造性，更重要的是它能给学生一种新鲜感，激发学生的兴趣，对培养学生的创新思维能力具有重要作用。

3.2 同一素材多种解法，培养学生关键能力

在学习物理过程中，发散思维表现为依据物理现象、概念、定律、公式和已知条件，思维朝着各种可能的方向扩散前进，不局限于既定的模式，从不同的角度寻找解决问题的各种可能性。因此，教师应精心选编一些“一题多解”类型的题目，引导学生从不同角度、不同方面去探索解题思路，从而训练发散思维，培养学生关键能力。

图5

(1)孔明灯B与孔明灯A碰撞后，孔明灯B向下运动与碰撞点的最大距离H；

(2)孔明灯B从开始到孔明灯B向下运动与碰撞点距离最大的过程中所用的时间t。

该题可引导学生从以下三种不同的角度去思考，就可得出几种不同的解法。

①从运动学、牛顿第二定律、动量守恒定律的角度去思考；

②从动能定理、动量守恒定律及动量定理的角度去思考；

③从v-t图像、牛顿运动定律、动量守恒定律的角度去思考；

通过这些不同方法的运用，从而培养了学生的思维素质，训练了学生的思维能力，对培养学生的发散思维能力等关键能力具有重要的作用。

4 以学生实验为背景，培养学生关键能力

随着国家经济和文化的快速发展，教育越来越重视对学生创新能力的培养。而物理实验教学在培养学生科学素养的过程中具有独特的地位和全方位的功能，在培养学生创新意识及实践能力中起到了至关重要的作用。因此，在日常高中物理实验教学和复习中应该从以下两个方面加强。

4.1 同一实验原理设置不同素材，培养学生关键能力

从近年来高考实验试题可以看出，大部分实验题都是通过从教材中基本实验原理出发，对某些实验装置或实验器材进行创新设计，考查学生知识迁移能力和实验创新能力，从而达到引导中学物理实验教学中注重培养学生关键能力的目的。

【例5】某小组利用打点计时器对物块沿倾斜的长木板加速下滑时的运动进行探究。物块拖动纸带下滑，打出的纸带一部分如图6所示。已知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz，纸带上标出的每两个相邻点之间还有4个打出的点未画出。在A、B、C、D、E五个点中，打点计时器最先打出的是________点。在打出C点时物块的速度大小为________m/s(保留3位有效数字)，物块下滑的加速度大小为________m/s2(保留2位有效数字)。

图6

此题考查物体做匀变速直线运动的实验，培养学生科学探究能力等关键能力，为了更进一步培养学生的关键能力，引导学生对这一实验原理进行创新，呈现题目如下：

一种新的短途代步工具——电动平衡车，被称为站着骑的电动车。某同学为了探究该车在平直水泥路面上的运动情况，设计了如下实验：将输液用的塑料瓶装适量水后，连同输液管一起绑在平衡车的扶手上，调节输液管的滴水速度。某滴水刚落地开始计时，从下一滴水落地开始依次计数为1，2，3……，当第50滴水刚好落地时停止计时，测得时间为25.0 s。该同学骑上平衡车后，先加速到某一速度，然后关闭动力，让平衡车沿着直线滑行。如图7所示是某次实验中在水泥路面上的部分水滴及测出的间距值(左侧是起点，单位：m)，当地重力加速度g取10 m/s2，根据该同学的测量结果可得出：

图7

(1)平衡车经过路面上相邻两水滴间的时间间隔T=________s。

(2)平衡车加速过程的加速度大小a=________m/s2，运动到D点的速度大小v=________m/s。(结果均保留三位有效数字)

此题通过利用滴水法测量时间，从而对时间测量进行创新，培养学生知识迁移能力、实验创新能力等关键能力。

4.2 同一实验装置设置不同原理，培养学生关键能力

高中物理规定的学生实验中，有很多实验的装置是相同的，但实验原理不同，例如探究小车匀变速运动、验证牛顿第二定律、探究动能定理的实验，因此在高中物理实验教学或复习中，可以尝试利用同一实验装置进行不同实验原理的设置，从而培养学生的发散思维和实验创新能力。

【例6】用如图8所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，可输出交流电和直流电。重锤从高处由静止开始下落，打点计时器在重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对图中纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。

图8

(1)下列几个操作步骤中：

A.按照图示，安装好实验装置

B.将打点计时器接到电源的“交流输出”上

C.用天平测出重锤的质量

D.先释放重锤，后接通电源，纸带随着重锤运动，打点计时器在纸带上打下一系列的点

E.测量纸带上某些点间的距离

F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能没有必要的是________，操作错误的是________。(填步骤前相应的字母)

(2)在使用质量为m的重锤和打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，在选定的纸带上依次取计数点如图9所示，纸带上所打的点记录了重锤在不同时刻的位置，那么纸带的________(填“左”或“右”)端与重锤相连.设打点计时器的打点周期为T，且“0”为打下的第一个点，当打点计时器打点“3”时，重锤的动能表达式为________，若以重锤的运动起点“0”为参考点，当打点“3”时重锤的机械能表达式为________。

图9

此题主要是通过自由落体运动来验证机械能守恒定律，实验原理是利用重力势能的减少等于动能的增加，我们可以利用这一实验装置来设置探究匀变速直线运动，即改为某同学利用如图10所示的实验装置测量重力加速度。

图10

(1)该同学经正确操作得到如图11所示的纸带，已知1，2，3，4为打下的连续四个点，测得对应的距离为x1、x2、x3、x4。若已知打点计时器的打点周期为T，则打3点时速度的表达式为v3=________；重力加速度的表达式为g=________。

图11

(2)根据以上(1)问结果，为了求出重物体在运动过程中所受的阻力，还需测量的物理量有________(用字母表示，并说明字母所表示的物理意义)。则阻力的表达式f=________。

(3)如果当时电网中交变电流的电压变成210 V，而做实验的同学并不知道，那么重力加速度的测量值与实际值相比________(填“偏大”“偏小”或“不变”)。

此题是利用验证机械能守恒定律实验装置来求解瞬时速度、加速度、阻力等，与机械能守恒定律没有关系，通过这一改变，进一步培养学生知识迁移能力和科学探究能力等关键能力。

5 结束语

通过对高中物理课堂教学和课堂复习的研究，在高中物理课堂上可以通过不同形式培养学生物理关键能力，也可以对一些题目或素材引导学生从不同角度进行设问，培养学生批判性、创造性思维能力和科学探索精神，培养信息的收集、传递与处理能力，有效表达与交流能力以及应变能力。总之，通过平时不断渗透，不断发掘新思路，不断努力，相信培养学生物理关键能力一定会落到实处。