优化物理作业设计 提升学生核心素养——高中物理可视化作业的设计与实施

范 毅

(江苏省无锡市堰桥高级中学，江苏 无锡 214174)

物理作业是物理课堂教学的延伸,是物理学习的重要载体,也是检验教学效果的重要手段。通过作业,学生进一步巩固所学的知识和方法,教师可准确地了解学生的学习情况,及时调整教学方式,更好地进行学习引导。

传统的物理作业更多地注重结果,呈现的是学生思考后的最终结果,不能有效反映学生的思维过程和内隐素养,不利于教师教学的优化和改进，为了更好地发挥物理作业的教学功能，笔者尝试可视化作业的设计与实施，取得了较好的成效。可视化作业形式多样,可以是完成精心设计的题组,也可以是绘制章节知识思维导图、写一篇物理学习笔记,还可以是一场精彩的物理辩论。通过解题、设计、写作和交流等可视化作业,学生用语言、图像和文字的形式将其原本看不见的思考路径、思维过程呈现出来,实现思维的可视化。通过可视化作业，学生内隐的思维得到外显,变得有迹可循,以此促进教师教学的优化,进而推动学生思维的发展,这一点也是核心素养背景下物理教学最关键的价值追求。可视化作业大致分成解题、总结、操作、口述和写作五种类型。

1 解题类作业

解题类作业在教学中最常见,题目多数来源于教材、教辅或题库，这类作业能快速给出课堂教学反馈,前提是作业题目要契合课堂教学,适合学生,所以解题类作业应该由教师依据教学的重难点及班级学生的具体情况,遵循目的性、针对性、层次性、多样化的原则自主编排,学生在一定范围内自主选择。

例如动能定理的应用的作业题：

(1) 质量为24 kg的滑块,以4 m/s的初速度在光滑水平面向左滑行,从某一时刻起在滑块上作用一向右的水平力,经过一段时间,滑块的速度方向变为向右,大小为4 m/s。则在这段时间内水平力做的功为。

(2) 一质量为1 kg的物体被人用手由静止向上提高1 m,这时物体的速度是2 m/s，下列说法中正确的是( )。

A. 手对物体做功10 J

B. 合外力对物体做功12 J

C. 合外力对物体做功2 J

D. 物体克服重力做功2 J

(3) 一物块由静止开始从粗糙斜面上的某点加速下滑到另一点,在此过程中重力对物块做的功等于( )。

A. 物块动能的增加量

B. 物块重力势能的减少量与物块克服摩擦力做的功之和

C. 物块重力势能减少量和物块动能的增加量以及物块克服摩擦力做的功之和

D. 物块动能的增加量与物块克服摩擦力做的功之和

(4) 质量为m的小球,用长为L的轻绳悬挂于O点。小球在水平拉力F作用下,从平衡位置P点缓慢地移动到Q点,细线偏离竖直方向的角度为θ(图1)，则拉力F做的功是( )。

A.mgLcosθB.mgL(1-cosθ)

C.FLcosθD.FL

图1

图2

(5) 如图2所示,物体从高为h的斜面体的顶端A由静止开始滑下,滑到水平面上的B点静止,A到B的水平距离为s，斜面体和水平面都由同种材料制成,求物体与接触面间的动摩擦因数。

首先,以上作业设计遵循了由浅入深、由易到难、循序渐进的原则,进行了阶梯化的设置；其次,题目形式有填空、选择和计算,形式比较多样,而且每个题目的设置都有明确的目的。第(1)题考查学生对动能定理的理解、对合力的判断；第(2)题进一步考查物体受到的每个力及合力做的功,既考查了恒力做功公式，又考查了动能定理的运用；第(3)题是从能量角度去理解动能定理,考查了学生受力分析和做功分析；第(4)题考查了变力做功的情况和动态平衡的处理方法,不能运用恒力做功公式，让学生认识到运用动能定理的便捷之处,体验柳暗花明又一村的喜悦；第(5)题以计算题的形式出现,便于教师了解学生的理解能力和思维方式，考查了学生用数学方法解决物理问题的能力。

通过这样的解题方式,使学生的思维过程可视化,教师能清楚地看到学生的思维过程,准确地定位学生的思维层次,有利于教师对学生进行精准的个性化指导,也有利于教师编排更合适的作业。

2 总结类作业

高中的物理学习内容难度大、知识覆盖面广、数学能力要求高，课后的归纳总结对提高学习效率是非常重要和必要的。经过一个单元或一个阶段的学习后,教师可布置总结类物理作业,以此提升学生的科学思维能力，总结类作业一般有绘制思维导图和编制试卷两种形式。

学生绘制的思维导图应该包含知识内容和思想方法,教师通过思维导图可以很直观地看出学生的思维方向、思考方式、知识结构和存在的问题。例如布置学生制作万有引力与航天的章节思维导图(图3)，从绘图方式看,有的学生用框架连线形式,还有的学生用树形绘图形式,不同的制作方式体现的是不同的概括总结能力。从分类标准看,有的学生按规律发现的时间顺序,有的学生按从一般天体到特殊天体的顺序,还有的学生按从宏观到微观、从低速到高速的顺序,也有的学生分不清楚、出现重复或遗漏现象,从中可看到学生参差不齐的抽象概括能力。另外,思维导图作业可以在全班交流,在与同学的交流和教师的指导下,对思维导图可以不断地进行修改，逐步完善的思维导图可将学生的思维更清晰完整地外显出来,便于教师指导学生更好地利用思维导图构建知识网络,启发思维。

另一种总结类作业的实施方式是布置学生编制试题进行阶段小结。自编题能折射出学生的思维品质，因为编制一道试题学生要先考虑试题考查的知识点和思想方法,然后设置合理的背景,最后还需配置数据,在这个倒推构思的设计过程中,学生需要领会考查意图,明确考查内容,甄选考查方法。学生所编的试题,即使是错题,从试题立意、条件阐述、数据选取以及文字的组织,都在向教师展示出题者的物理能力和思维品质。

通过总结类可视化作业,教师可以洞悉学生的概括能力、重难点的判断是否准确、还有哪些方面存在遗漏,可指导学生对比易混淆的概念,将分散的知识点连成线、结成网,使学到的知识系统化、结构化,达到联想畅通、思维活跃的效果。

3 操作类作业

操作类作业的设计目的是让学生亲身经历知识的发生、过程,运用物理知识和方法解决问题。让学生亲自动手实践,特别是对于比较抽象的、难以理解的内容，由于学生的直观想象能力不够,再加上数学教学的不同步，增大了他们学习的困难，布置操作类作业,让学生通过实验操作,一来可以化抽象为直观，培养学生的动手能力，二来教师在学生的操作实践中可以观察、了解学生的思维路径、方向和状态,及时调整教学,更好地培养学生的科学思维能力。

在探究加速度与力和质量关系时,由于学生还没有学牛顿第二定律,他们不能理解为什么绳中拉力不等于桶和桶中钩码所受的重力。这时,如果能在完成常规的实验内容之后,教师再要求学生在小车和细绳之间加一个力传感器,直接测量细绳中的拉力大小,在动手操作的过程中,学生脑中的抽象内容得到具体化,可以清楚地看到绳中拉力与桶和桶中钩码所受的重力之间的关系，发现两者确实是不相等的,不仅降低了学习难度，也为学习误差分析及牛顿第二定律做好了铺垫。

4 口述类作业

语言是思维的外化,是教师了解学生思维水平、方向和动态的载体。除了书面作业外，也可设计一些口头作业,给学生创造表达的机会,让学生能自主、自由、充分地表达自己,并在对话、质疑和答辩的过程中发展和提升思维能力。

在讲完平抛运动后,为检验学生的学习效果,笔者布置了开放性作业:你能用哪些方法计算平抛运动物体在空中运动的时间?有学生利用抛出点到落地点之间高度差，有学生利用平抛运动射程和初速度，有学生利用从斜面上抛出又落回到斜面上的特例(图4)，还有学生利用小球垂直落在斜面上的特殊情境(图5)。

图4

图5

透过不同学生的语言表达,不难看到每人的表达背后隐含的思维水平和误区,教师若能顺利探到学生的思维轨迹,从而引导学生展开深入的思考,那么学生的思维能力就可能得到有效的提升。口述类的可视化作业既给了学生展现思维的机会,也给了教师“看见”学生思维的机会,更给了教师引导学生思维的机会。教师通过组织学生交流口述类作业,指导学生在沟通、对比中寻找最好的表达方式,引领学生的思维由零散走向结构、由肤浅走向深刻。

5 写作类作业

物理写作是学生将思考和体验的过程显性化的一种方式,物理写作的内容可以是学习感悟、习题赏析,也可以是物理学史或物理方法应用。物理写作的形式可以用通俗的文字,也可以用直观的图像。

在带领学生体验了匀变速直线运动位移与时间关系公式推导后,教师可指导学生撰写、习题赏析或体验感悟的文章，学生可阐述解决物理问题的过程,包括审题建模、方法选择、剖析错误、优化算法、图像分析等,也可分析评估此次探究活动,表达自己的看法和感受。在作业评阅时,教师从学生的文章中可以看到学生对知识的理解程度、对解题策略和思想方法的掌握水平以及学生存在的困难，只有全面准确地了解学生的学习水平,教师才可能及时地调整、改进教学,提升学生的能力。

通过写作类可视化作业,使学生的思考和体验过程具象化,思维可见可触。教师能看到学生思维中的优缺点,指导学生重新审视自己的思维。在这个过程中,使学生的探究分析、抽象概括、反思拓展的能力得到锻炼与提升,这也是发展学生物理学科核心素养的一条有效途径。

6 结语

可视化作业,既能帮助教师看到学生隐藏在作业背后的思维,也能帮助学生看透物理问题的本质,使物理作业在物理教学中为发展学生的物理学科核心素养更好地发挥作用。