邝玉兰，莫黎斌
(广西师范大学附属外国语学校，广西 桂林 541004)
《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出物理核心素养是指学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过内化的带有物理学科特性的品质、是学生科学素养的关键成分。物理核心素养主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”四个方面构成，其中物理实验对促进学生知识的学习、探究精神的培养及提升学生的科学态度与责任具有重要作用[1]。
实验在许多国家的物理教学中都占据重要地位。国内教育历经多次改革，物理实验教学得到了明显的重视。但现有的高中物理实验研究绝大部分聚焦于教材及新课教学，而将实验引入习题教学中的情况并不多，关于探讨和开发习题中的实验的研究也较少。习题不仅是学生巩固所学知识、分析问题和解决问题的载体，而且占用的时间非常长。经过多年高中物理教学的积累和探索，发现习题教学中会出现以下疑难问题：
（1）大部分学生认知有限，仅靠教师语言描述和题中的文字描述，学生难以想象出物理情境，难以分析清楚物理情境中的各种关系；
（2）不了解真实的物理情境情况下生搬硬套教师总结的解题模式进行反复的机械化训练，会削弱学生的想象力和创造力；
（3）如果习题教学长期脱离生活实际，学生感受不到物理知识的价值和意义，那么学生的物理学习兴趣很容易越来越弱。
综合以上分析，学生更需要一堂能够呈现“物理真相”的习题课。如果能在习题教学中以实验的形式将相应的物理过程展示出来，让学生通过看、听、接触物理现象和物理过程形成深刻的认识，必然有助于提高习题教学的有效性[2]，同时也很好地符合了物理学科核心素养的要求。
以高中物理力学部分（人教版（2019版）物理必修第一册、第二册）为主要研究对象，划出核心知识点，从相应的课后练习和教辅练习中搜集适合实验的经典习题，利用自制教具或演示实验将其中的物理过程情境化、实验化，最后根据需要进行变式训练，培养学生多方位考虑问题的思维品质和知识迁移应用的能力，以达到促进学生学科核心素养的发展、丰富物理实验课程资源的目的。发展习题情境化、实验化教学的模式如图1所示。
图1 习题情境化、实验化流程图
3.1 高中物理必修第二册《万有引力与宇宙航行》——“行星冲日”现象的应用分析
选题依据：该题（图2(a)）作为《万有引力》的一个典型习题，涉及到天文学中有趣的“行星冲日”现象。但由于各种天体运动的现象学生是没有亲眼所见的，因此并不能完全理解其运动过程以及对应的物理关系。
器材：Arduino 开发板、Arduino 扩展板、电机驱动器、步进电机驱动板、步进电机、按键模块、LCD1602液晶显示屏、开关型霍尔元件、杜邦线。
习题情境化过程：自制教具，如图2(b)，白球（里侧）模拟地球，黄球（外侧）模拟行星。调节好两球转速（白球比黄球快）后闭合开关，用霍尔模块和磁铁的感应判断“冲日”现象的产生并停止计时，记录显示器的数据：两球的周期或转速（此处显示周期）、两次“冲日”现象之间的时间间隔（数据记录如表1）。
图2 “行星冲日”现象应用及演示教具
表1 “行星冲日”现象模拟演示数据
表格中记录的是两球绕行方向相同情况下的数据，实验误差允许范围内，由多次实验数据分析得如下结论：用T1表示快球的周期，T2表示慢球的周期，∆t表示两次“冲日”时间间隔，则可得两行星在“冲日”过程中的角度和时间关系
知识迁移，变式训练：
①调整其中一个球的转向，记录两球绕行方向相反情况下的实验数据，让学生分析并推理两行星在“冲日”过程中的角度和时间关系。
②通过前面的分析，思考并推理：同向绕行情况下经过多长时间两行星相邻两次相距最远？
总结解题思路如下：由实验结果推理同类问题的解题关键条件
习题情境化实践总结：在教师旧的讲题模式下，学生理解“行星冲日”现象全靠想象。本案例通过自制教具给学生展示“行星冲日”的过程，并通过测量相关的物理量，很容易计算出相邻两次“冲日”之间两行星运行的角度差，进而分析出该过程中的时间关系。习题情境化不仅能加深学生对题中物理过程的理解，通过变式升级更能培养学生的物理思维和推理能力。
3.2 高中物理必修第一册《相互作用——力》——共点力动态平衡问题
3.2.1 “一力恒定，另一力方向不变”，如图3
图3 共点力动态平衡应用题1
选题依据：该题是采用图解法解决共点力平衡问题的最典型的例题之一，也是相应的学生练习中最常见的题型之一。
实验器材：弹簧测力计、带绳套的橡皮筋、木板、白纸、量角器、刻度尺、铅笔、图钉等。
习题实验化过程：1.用伸长的橡皮条模拟小球的重力，将一端固定的橡皮条向上拉长到某个固定位置O（如图2(a)）；
2.从O 点画出表示斜面对小球的支持力方向的虚线，并用量角器定点画出表示木板支持力方向的三条虚线；
3.用两个弹簧测力计，一个弹簧测力计固定沿斜面支持力方向的虚线、另一个弹簧测力计依次沿定点好的三个方向，将橡皮条拉伸至O 点，依次记录好弹簧测力计的读数（数据如图2(b)，单位为牛顿）；
4.利用平行四边形定则知识作图，最后得出结论（每1N 取2cm 长度，如图2(c)）。
图4 应用题1 的实验化过程图
实验方案分析：优点是采用最常见的实验器材呈现习题中的物理过程，可安排学生分组实验；
缺点是采用弹簧测力计测量和读数会产生稍大的误差，改进方案可采用力传感器代替。
知识迁移，变式训练：
图5 变式训练
总结解题思路如图6：以恒力为对角线构建动态平行四边形，当两变力力垂直时，出现极小值。
图6 由实验图总结出该题型的常规作图
3.2.2 “一力恒定，另两力为变力，但两力方向间夹角不变”，如图7
图7 共点力动态平衡应用题2
选题依据：该题图解法解共点力动态平衡的典型例题之一，解题难度偏大，一般学生很难理解其解题过程。
实验器材：弹簧测力计、带绳套的橡皮筋、木板、白纸、量角器、刻度尺、圆规、铅笔、图钉等。
习题实验化过程：1.用伸长的橡皮条模拟重物的重力，将一端固定的橡皮条向上拉长到某个固定位置O；
2.从O 点利用量角器定点画出表示五组夹角相同的拉力方向的虚线（此处两拉力夹角为钝角）；
3.依次用两个 弹簧测力计分别沿各组的两个虚线方向，将橡皮条拉伸至O 点，依次记录好弹簧测力计的读数（数据如图8(a)，单位为牛顿）；
4.利用平行四边形知识作图（也可采用三角形定则作图，每1N 取2cm 长度，如图8(b)）；
5.以橡皮条延长线为界观察两侧对称的两组三角形，由题意知每一组三角形的顶角都相同（此处为锐角），因此为圆的内接三角形，由几何知识画出外接圆（如图8(c)），然后分析得出结论。
图8 应用题2 的实验化过程图
知识迁移，变式训练：
①把两个拉力的夹角由钝角变为直角，则两个拉力会如何变化（内接三角形为直角）；
②把两个拉力的夹角由钝角变为锐角，则两个拉力会如何变化（内接三角形为钝角）；
总结解题思路如图9：恒力为圆的一条弦画圆，根据不同位置判断各力的大小变化。
图9 同类题型解题思路总结
习题实验化实践总结：本方案能够引导学生利用实验呈现物理过程，让学生很直观地观察到力的大小随方向的变化，再由实验数据画出动态的平行四边形，最后总结解题思路。以这样的创新形式代替老师直接画图分析的老旧方式，能够很好地帮助学生建立物理分析模型。
物理课程标准指出：要发挥实验在物理教学中的重要作用，需要正确认识物理实验的教学目标，注意把握实验教学的特点，合理开发实验教学的课程资源[1]。
物理习题情境化、实验化教学是指在习题教学中为了增强实践意识、培养科学思维、提高探究能力，将经典习题中物理过程转化为实验、仿真实验等的过程[3]。因此开发习题中的实验资源不仅可以成为实验教学课程资源的一部分，还可以减少习题教学中教师不重视学生的理解和体验、不重视题中的物理过程的构建、而只是让学生进行机械性的重复和训练的情况。因此将习题中遇到的部分物理问题情景化、实验化或生活化是具有实际意义的。
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