“三新”背景下避免“机械刷题”的探索——以高三物理习题设计为例

刘智勇 李 刚

(四川省攀枝花市第七高级中学校)

“机械刷题”是指学生在未形成物理观念、掌握物理规律的条件下,重复完成大量的习题或者考试,企图用“刷”这一简单体力劳动代替“学”的过程。“机械刷题”是一种极其低效的学习方式,会挤占学生大量的休息时间,影响学生身心健康发展;另一方面学生在刷题过程中没有对所学知识进行深度思考,不能灵活运用所学知识解决真实情境问题。

随着新课程、新教材、新高考的全面推进,中国教育正式步入了以核心素养为导向,培养德智体美劳全面发展社会主义建设者和接班人的新阶段。因此对于“三新”背景下的高三物理习题设计而言,如何聚焦必备知识,强化关键能力就变得尤为重要!高质量的习题可以优质、高效地培养学生必备知识和关键能力,避免“机械刷题”。

我们以2022年高考全国甲卷物理试题改编题为例,说明高三物理习题设计新模式。

一、强化必备知识,形成物理观念

【习题一】(2022·全国甲卷·34改编)如图1,边长为a的正方形ABCD为一棱镜的横截面,M为AB边的中点。在截面所在的平面,一光线自M点射入棱镜,入射角为60°,经折射后在BC边的N点恰好发生全反射,反射光线从CD边的P点射出棱镜,求:

图1

(1)请写出光通过不同介质的折射公式,并找出题中的入射角和折射角;

(2)请写出全反射临界角公式,并在图中标出临界角C;

(3)计算棱镜的折射率以及P、C两点之间的距离。

【评注】根据SOLO分类理论(Structure of the Observed Learning Outcome,可观察的学习成果结构),学生的学习结果按照思维从低到高分为五个不同层次:前结构、单点结构、多点结构、关联结构和抽象拓展结构。我们设计习题要强化梯度问题,完善物理观念,让思维层次处于前3级的同学能够练有所获。

图2

由几何关系有r+C=90°

在前两问理解题意、构建物理模型的基础上,通过平面几何知识的运算,强化了同学们的逻辑推理能力。

二、体验科学探究,培养关键能力

【习题二】(2022·全国甲卷·23改编)利用图3所示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为m1的滑块A与质量为m2的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞,碰撞时间极短,比较碰撞后A和B的速度大小v1和v2,进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空:

图3

(1)调节导轨水平,目的是__________________

;

(2)①如果滑块A与滑块B发生弹性碰撞,请写出AB滑块碰撞过程中满足的方程____________________________,________________________;

②测得两滑块的质量分别为0.510 kg和0.304 kg。要使碰撞后两滑块运动方向相反,应选取质量为________kg的滑块作为A;

(3)调节B的位置,使得A与B接触时,A的左端到左边挡板的距离s1与B的右端到右边挡板的距离s2相等;

(4)使A以一定的初速度沿气垫导轨运动,并与B碰撞,分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2;AB滑块碰后的速度大小表达式:v1=________,v2=________(用题中出现的字母表示);碰撞前后滑块A速度方向是否改变?我们还可以设计什么方法测量AB碰后的速度_____________________;

(5)将B放回到碰撞前的位置,改变A的初速度大小,重复步骤(4)。多次测量的结果如表所示;

12345t1/s0.490.671.011.221.39t2/s0.150.210.330.400.46k=v1v20.31k20.330.330.33

(6)表中的k2=________(保留2位有效数字);

【详解】

(1)物体碰撞前后均处于平衡态

(8)弹性碰撞时满足动量守恒和机械能守恒(滑块A碰后速度反向),可得

m1v0=-m1v1+m2v2

三、创新推理论证,提升思维层次

【习题三】(2022·全国甲卷·18改编)空间存在着匀强磁场和匀强电场,磁场的方向垂直于纸面(平面)向里,电场的方向沿y轴负方向。一带电粒子在电场和磁场的作用下,从坐标原点O由静止开始运动。该带电粒子的运动轨迹如图4所示,试回答下列问题:

图4

(1)判断该带电粒子的正负。

(2)该带电粒子在P点(距离x轴最远点)时受到的洛伦兹力与电场力大小是否相等?

(3)该带电粒子的运动轨迹OPQ是否为半圆?

(4)如果电场强度大小为E,磁感应强度大小为B,带电粒子在P点的速度大小为多少?

(5)P点到x轴的距离与OQ之间的距离之比为多少?

【评注】带电粒子垂直磁场方向进入磁场与电场的复合场,如果受力不平衡,则粒子运动轨迹为滚轮线(最速落线);若粒子斜射入磁场(初速度与磁场既不垂直也不平行),则粒子做等距螺旋运动。本习题设计了5问,由浅入深,由易到难,既考查了必备知识,也考查了关键能力,着力培养优等生的创新思维,利用高中运动的分解处理,将复杂的滚轮线等效为两个简单的分运动。要正确解答此题,对学生的推理能力和思维层次要求也很高。

【详解】

(1)因为电场方向沿y轴负方向,带电粒子向y轴正方向加速,所以粒子带负电。

(2)不相等。假设该带电粒子在P点时受到的洛伦兹力与电场力相等,则轨迹应为直线(做匀速直线运动)。所以洛伦兹力与电场力不相等。

(3)轨迹不是半圆。

小球初速度为0,可以将此速度分解为向左的v1和向右的v2,有v1=v2。假设带电粒子的电荷量大小为q,如果qv2B=qE,则带电粒子的运动可等效为两个分运动:一个是由v2引起的向右匀速直线运动,另一个是由v1引起的顺时针方向匀速圆周运动。所以轨迹不是半圆。

图5

四、结语

高三物理习题的主要功能是让学生通过练习熟练掌握学科必备知识,不断提升SOLO思维层次,培养关键能力,是教学过程的进一步延伸和拓展,而不应该理解为“简单的重复”。此类习题至少应具备以下特征之一:(1)遵循认知规律,即由已知到未知,由特殊到一般、从具体到抽象,能够引导学生积极主动建构必备知识体系。(2)依托真实问题构建任务背景,培养学生理解能力和模型构建能力。(3)有利于质询性问题的提出,培养学生推理能力和探究、创新能力。