“情境化試題”對高中物理教學的啟示

尹慶豐

(1. 常州市武進區教師發展中心,江蘇 常州 213164； 2. 常州市武進區禮嘉中學,江蘇常州 213176)

1 引言

2014年9月,國務院頒布了《關于深化考試招生制度改革的實施意見》,提出了高考考試內容改革要“依據高校人才選拔要求和國家課程標準,科學設計命題內容,增強基礎性、綜合性,著重考查學生獨立思考和運用所學知識分析問題、解決問題的能力”．

縱觀江蘇省近年來的高考物理真題卷,可以發現命題組通過“情境化試題”對高考物理考查內容進行整合、開發和創新,從而突出能力立意,順應現代社會培養創新人才的需要，并且“情境化試題”在江蘇高考真題卷中的占比從2009年的71%到2018年的85%,如圖1所示．

圖1 近10年江蘇高考物理真題卷中“情境化試題”統計圖

由圖1可以看出,以每兩年的試卷為一組,近10年來“情境化試題”占比呈波動上升的趨勢,說明“情境化試題”符合《實施意見》對高考物理考查設計的要求,能體現“加強能力考查,提升核心素養”的理念,是推動實現應試教育向素質教育轉軌的有效途徑．

2 2018年江蘇高考物理卷“情境化試題”的分析

所謂“情境化試題”,就是指考試時給出具體的試題材料背景,具體的材料背景構成試題情境．試題情境給考生完成思維任務或操作活動提供一個統一的平臺,所有考生在這個平臺上展示自己分析問題、解決問題的能力,這類包含情境的試題習慣上被稱為“情境化試題”．

具體到物理學科中,“情境化試題”是指以自然界及社會生產、生活中客觀存在的物理現象或過程為背景,考查學習者對物理概念、規律的理解與應用能力的試題．

“情境化試題”若從情境創設質量維度出發,按結合程度來分析,可以分成情境分離型、情境嵌入型、情境結合型三類,下面就以2018年江蘇高考物理卷為例,進行分析.

2.1 情境分離型

去掉提供的情境材料,仍能答出考查內容,兩者無直接關系.

例1.我國高分系列衛星的高分辨對地觀察能力不斷提高.今年5月9日發射的“高分五號”軌道高度約為705 km,之前已運行的“高分四號”軌道高度約為36000 km,它們都繞地球做圓周運動.與“高分四號”相比,下列物理量中“高分五號”較小的是

(A) 周期. (B) 角速度.

(C) 線速度. (D) 向心加速度.

分析: 根據萬有引力提供向心力,可知

因為“高分四號”的軌道半徑比“高分五號”的軌道半徑大,即有r5

題中給出了具體的情境:以人造衛星運動為背景,考查萬有引力定律及其應用．初讀該題目,學生的注意點可能在高分四號衛星是同步衛星,高分五號是低軌道衛星．然而,仔細閱讀題意,題目中的核心條件是“都繞地球做圓周運動”,該題考查的就是人造衛星運動特點,解題時只要注意區分兩類軌道問題分析方法:一類是圓形軌道問題,利用萬有引力提供向心力;一類是橢圓形軌道問題,利用開普勒定律求解．學生倘若錯誤地理解題意,把高度看成軌道半徑,對選項也沒有影響．可見,在該題目中即使沒有給出具體情境也能順利答題,因此是“情境化試題”,且屬于情境分離型,此題相對簡單．

2.2 情境嵌入型

情境素材和考察內容相互融合,增加試題的可讀性和實用性.

圖2

例2.如題圖2所示,一定質量的理想氣體在狀態A時壓強為2.0×105Pa,經歷A→B→C→A的過程,整個過程中對外界放出61.4 J熱量. 求該氣體在A→B過程中對外界所做的功.

分析： 整個過程中,外界對氣體做功W=WAB+WCA,且WCA=pA(VC—VA).

由熱力學第一定律ΔU=Q+W,可得WAB=-(Q+WCA).

代入數據得WAB=-138.6 J,即氣體對外界所做的功為138.6 J.

題中給出具體情境:以一定量理想氣體的變化過程為背景,考查氣體對外界所做的功．此題比較特殊,解題時要抓住情境中的關鍵點“等溫擴容”展開分析,利用熱力學第一定律解題．此題情境素材來源比較特殊,是根據數據圖表來創設情境的,這樣的題目情境與解題相輔相成,不可分割,因此屬于“情境嵌入型”試題,此題難度比上一類稍進一步,如果將具體的情境素材去掉,即將圖示去掉,改為文字描述,難度將大大提升．

2.3 情境結合型

考查內容及知識點需要從材料中提取,通過自學遷移解答試題.

圖3

例3.某學生利用如圖3所示的實驗裝置來測量重力加速度g. 細繩跨過固定在鐵架臺上的輕質滑輪,兩端各懸掛一只質量為M的重錘.實驗操作如下.

① 用米尺量出重錘1底端距地面的高度H;

② 在重錘1上加上質量為m的小鉤碼;

③ 左手將重錘2壓在地面上,保持系統靜止.釋放重錘2,

同時右手開啟秒表,在重錘1落地時停止計時,記錄下落時間;

④ 重復測量3次下落時間,取其平均值作為測量值t.

請回答下列問題

(1) 步驟④可以減小對下落時間t測量的________(選填“偶然”或“系統”)誤差.

(2) 實驗要求小鉤碼的質量m要比重錘的質量M小很多, 主要是為了________.

(A) 使H測得更準確.

(B) 使重錘1下落的時間長一些.

在道路施工開始前，前期準備工作非常重要。首先要盡可能減少施工現場的雜物對施工的影響，將路面的雜物和清水清理干凈，從而減少路面翻漿。在施工設計中合理規劃市政道路邊緣高度，并做好材料質量檢查，為市政道路的穩定性和質量打下基礎。在施工開始前要對施工材料、施工設備和施工現場進行嚴格的檢查，確保滿足水泥穩定碎石施工技術的施工標準。對施工人員要做好安全教育培訓工作，加強施工人員的安全意識，提高施工整體質量水平，確保施工活動順利開展。

(C) 使系統的總質量近似等于2M.

(D) 使細繩的拉力與小鉤碼的重力近似相等.

(3) 滑輪的摩擦阻力會引起實驗誤差.現提供一些橡皮泥用于減小該誤差,可以怎么做？

(4) 使用橡皮泥改進實驗后,重新進行實驗測量,并測出所用橡皮泥的質量為m0. 用實驗中的測量量和已知量表示g,得g=________.

分析： (1) 時間測量是人為操作快慢和讀數問題帶來的誤差,所以屬于偶然誤差．

(2) 由于自由落體的加速度較大,下落H高度的時間較短,為了減小測量時間的實驗誤差,就要使重錘下落的時間長一些,因此系統下降的加速度要小,所以小鉤碼的質量要比重錘的質量小很多．正確答案為(B)．

(3) 為了消除滑輪的摩擦阻力,可用橡皮泥粘在重錘1上,輕拉重錘放手后若系統做勻速運動,則表示平衡了阻力．

(4) 根據牛頓第二定律有(M+m+m0)g-F=(M+m+m0)a.

題中給出具體情境:以連接體運動為背景,考查重力加速度的測量．解題的關鍵是要弄清該實驗的原理,再運用所學的知識分析得出減小誤差的方法．本題情境素材來源為物理實驗,所設問題層層遞進,最終目標雖然是重力加速度的求解,但是也關注了實驗的過程,意在考查學生的實驗探究能力．尤其是第3小問,引入摩擦阻力問題,這就需要學生不僅能將所學知識與具體的情境融合起來,還要考察其綜合分析能力．此題屬于典型的“情境結合型”試題,難度比上一類又更進一步．

由2018江蘇高考物理卷可以看出,“情境化試題”的素材來源非常廣泛,包括科學技術、日常生活、學科知識、物理實驗等．但是,不管什么素材的試題,都可以被分為分離型、嵌入型和結合型三個大類,總結上述三個具體例子,可以找出一條解題的常規思路,如圖4所示．

圖4 “情境化試題”常規解題思路

由圖4可以看出,學生拿到題目,首先就要對“情境”進行閱讀理解,能從中抽絲剝繭,簡化并抽象出題目的主干,將“情境化試題”轉化為 “非情境化試題”;其次,運用與之相關的物理知識,包括物理概念、規律、定理等,對其進行分析、判斷,找到合適的解決方法;最后,將該方法結合數學工具,進行演算推導,得到題目的正確答案,實現解決問題的目標．

3 “情境化試題”對高中物理教學的啟示

從2018年江蘇高考物理卷“情境化試題”的情況分析表明,情境化設計已經被作為考查物理知識、能力、反映學生物理素養,體現學生情感、態度和價值觀的一種重要方式．這種改革側重于考查科學思維和方法,注重關鍵能力、注重類比和遷移,指向核心素養．

從“情境化試題”設計的理論分析可以發現,它的基礎是情境認知與學習理論．在20世紀60、70年代產生巨大影響的認知革命后,出現了與建構主義密切相關的情境認知和學習理論．其中的知識不再是獨立、僵化、單一的內容,而是依賴于一定或特定的情境基礎,由學習者自主建構的知識譜系,這一點從圖2也可以得到證實．

因此,通過對“情境化試題”的分析,為高中物理教學帶來了很強的啟發性和指導性,教師要實現“能力立意”“核心素養”,就必須在教學過程中逐步強化物理知識與實踐情境的關聯,提高學生對知識與情境相互聯系轉化的自覺性,具體策略如下:

3.1 潛移默化,增強知識與情境的融合

高中物理教材必修2“第6章萬有引力與航天”可以說是高考的熱點,2018江蘇高考物理卷第1題選擇題就是考的萬有引力提供向心力．之所以年年考,與本章內容具有豐富的情境性有關,筆者就以本章“第5節宇宙航行”為例,說明如何增強物理知識與情境的融合．

教學片段1:新課導入.

師:2007年10月24日,經火箭發射,“嫦娥一號”衛星首先進入環繞地球的軌道,然后加速,脫離地球軌道后,慣性滑行,進入環繞月球的軌道,最后進行科學探測．

(組織學生觀看“嫦娥一號”發射并到達月球的全過程)

師:結合登月航線討論,為什么飛船能圍繞地球旋轉?飛船在什么條件下能掙脫地球的束縛?

生:討論.

建議: 通過這樣的情境導入,可以激發學生的學習興趣和探索未知世界的欲望．教師在備課的時候,可以關注一下中國以及國際航空航天的發展近況,盡量以最新的資訊作為新課導入的情境,讓學生所學知識也能與時俱進,包括“天舟一號”與“天宮二號”空間實驗室的對接、首次發現雙中子星合并的引力波事件、天眼等等,都可以作為本章教學中情境化導入的素材．而這樣的導入,可以讓學生逐步適應“情境化”的環境:當面對物理語言、文字或符號時,能自然地聯想到相應的物理情境;當面對實際情境問題時,也能自覺聯想到相關的物理知識．經過教師長期有意識的訓練,學生在潛移默化中,提升了融合知識與情境的能力．即使面對不熟悉的情境,也會因為“思維慣性”,自然而然地用物理知識引導思路、展開問題．

3.2 舉一反三,充分利用探究實驗情境

2018年江蘇高考物理卷第11題,該題源于經典物理模型——阿特伍德機,這是一種用于測量加速度及驗證運動定律的機械．而該考題在理想化的阿特伍德機的模型基礎上有了突破,最大的創新就是涉及了滑輪摩擦,學生答題的正確率一下子就降低了,平均得分僅為2.4分．其實,每一個實驗,都是一個很好的情境,如何充分利用這個情境,就需要教師的不斷探索．筆者以“實驗:驗證機械能守恒定律”為例,說明如何充分利用探究實驗情境．

教學片段2:探究實驗.

實驗儀器:打點計時器、重物、紙帶、天平、砝碼、鐵架臺、夾子、電源．

實驗步驟:略

數據處理:略

實驗拓展:師:同樣的實驗儀器,還能不能用來做其他的實驗?

生:討論,從一開始的小心翼翼,到后來的激情飛揚,答案也是五花八門,有:求當地重力加速度、求阻力大小、研究勻變速直線運動……

師:大家說的究竟對不對呢?“實踐出真知”,每個小組請按自己討論的方案進行實驗,然后告訴大家你們組的方案是否正確．如果不正確,那么應該如何改進?

建議： 同一組實驗儀器可以根據不同的原理,驗證或是求解不同的物理量,通過這樣的訓練,學生的思維就不再是“一根筋”而是“發散型”,這是創新思維中很重要的一部分．當然,還可以是讓學生自己選擇不同實驗儀器做同一個實驗;或是同一個實驗不同的數據處理方式;或是不同實驗儀器不同實驗原理做同一個實驗;或是設計一些新的實驗．當然,后面兩類拓展有一定的難度,可以針對有需要、有興趣的學生展開．通過這樣的訓練方式,讓學生懂得舉一反三,不僅充分利用了實驗儀器,拓展了探究情境,還有利于學生將相關的物理知識、方法與實驗情境建立聯系,學會思考與類比,加深對知識的理解．

3.3 去偽存真,凝練情境中的物理條件

答完2018江蘇高考物理卷就可以看出,任何一個“情境化試題”,不管是分離型、嵌入型還是結合型,其解題的關鍵都是找到題目表明的物理條件．如果說,上述兩點的訓練能夠讓學生適應各種各樣的情境,“處變不驚”;那么凝練物理條件的能力訓練就是要讓學生立足基礎,學會用物理的語言尋找并表述核心問題,從而賦予學生一雙“火眼金睛”．下面就以“曲線運動”為例,說明如何在實際情境中凝練物理條件．

教學片段3:物體做曲線運動的條件.

圖5 探究實驗裝置圖

師: 演示實驗1:如圖5所示的裝置放在水平桌面上,在斜面頂端放置一鋼球,放開手讓鋼球自由滾下,觀察鋼球在桌面上的運動情況,記錄鋼球的運動軌跡．

生:鋼球做直線運動,速度逐漸減小．由代表畫出鋼球運動軌跡,如圖3中的虛線所示．

師:請學生們來分析鋼球在桌面上的受力情況?

生:鋼球受豎直向下的重力,豎直向上的支持力,還受到滑動摩擦力的作用．

師:摩擦力的方向如何?

生:摩擦力的方向與運動方向在同一直線上,但與運動方向相反．

師:你怎樣做才能使鋼球做曲線運動?

生:激烈討論,有的說用棒打鋼球,有的說吹一口氣,有的說用手彈一下……

師:演示實驗2:在鋼球的運動路徑旁邊放一塊磁鐵,重復剛才的實驗操作,觀察鋼球在桌面上的運動情況?

生:鋼球做曲線運動,再次由代表畫出鋼球運動軌跡．

師:兩次實驗,有什么發生變化了嗎?

生:鋼球除了受到原有的重力、支持力、摩擦力的作用外,還受到磁鐵的吸引力．

師:引力的方向如何?

生:引力的方向隨著鋼球的運動不斷改變,但總是不與運動方向在同一直線上．

師:木球演示及分析(略).

粉筆頭演示及分析(略)

師:實驗證明,你們前面討論的方法都可以使物體改變運動方向,但是不一定做曲線運動,對嗎?

生:對!

師:那么,從這么多的實驗中,你們能夠得到什么結論呢?

生:“無力不拐彎,拐彎必有力．”當物體受到與運動方向不在同一條直線上的力的作用時,會做曲線運動．

曲線運動的軌跡夾在合外力與速度方向之間,而且向趨近于合外力的方向彎曲,即合外力指向軌跡的凹側．

建議： 每一個實際情境中,都包含了豐富的物理語言,而真正能解決問題的那個,才是最關鍵的物理條件．如何找到核心的物理條件?這就需要教師在課堂教學中,注重培養學生用物理語言表達實際情境的能力．比如案例中,每次演示實驗結束教師都要求學生受力分析,學生就會感受到受力分析的重要性,也會聯想到力對運動的影響．進一步的實驗發現,只有力的改變還不能滿足曲線運動的條件,還要符合一定的要求,學生自發地進行探究,層層遞進,直到得出結論．學生在這樣的思維訓練中,慢慢地就能夠養成一種習慣:對真實情景進行思維加工,用物理語言進行描述,不斷刪除冗余,最終凝練出關鍵的物理條件,達到“去偽存真”的目的,同時也培養出較強的分析能力．

3.4 順向遷移,構建情境中的數學模型

2018年江蘇高考物理卷第12題A(3)是一個熱學的問題,應用熱力學第一定律即可將題目解決,因此本題平均得分6.54分,難度系數僅為0.55．但是,筆者做了一個嘗試性的試驗:將題目稍作修改,不給出直觀的圖形,而只給出等溫、等容、等壓過程的文字描述及相應數據,得分率明顯下降．究其原因,這是因為學生在物理學習過程中,對情境中數學模型的構建能力沒有得到很好的培養．下面就以“力的合成”為例,說明如何讓學生的物理知識發生順向遷移,用數學模型來描述分析．

教學片段4:探究合力與分力的關系.

師:合力與分力之間可能會存在什么關系?例如:1 N+2 N一定等于3 N嗎?

生:不一定!

師:如果給出實驗器材:彈簧秤2個,三角板,木板,橡皮筋,細繩套,圖釘,白紙,如何確定兩個分力的合力是多大?方向如何?

生:探究過程: (1) 記錄結點O點的位置; (2) 記錄分力F1、F2的大小和方向; (3) 記錄合力F的大小和方向．如圖6(a)所示．

(a)

(b)

師:(提示)任務1:作出F1、F2和F,并在白紙上用力的圖示把它們表示出來．

任務2:尋找F1、F2和F可能存在的規律．

生:討論,交流,得出結論．

結論:二力合成時,以表示這兩個力的線段為鄰邊作平行四邊形,這兩個鄰邊之間的對角線就代表合力的大小和方向．如圖6(b)所示．

建議：通過情境演繹及實驗探究,學生找到了“力的合成”與“平行四邊形”之間的關系．從知識的角度來講,“力的合成”屬于物理學范疇,而“平行四邊形”屬于數學模型,用數學模型簡單直觀地描述或解決物理問題,這就是學習遷移．遷移有很多種分類,此處通過學生非常熟悉的數學模型,應用已經掌握的數學建模技能促進物理分析技能的應用,我們把它歸類為順向遷移．這是一種學習對另一種學習的影響,是一種在情境中獲得技能、知識或態度的有效途徑．除了受力分析之外,曲線運動、磁場、光路等都可以跟數學模型相結合,教師應該充分利用素材,在實現學習遷移的同時,培育學生的科學思維．

4 結束語

高考的命題趨勢是重視考查學生的素養,它和新《課程標準》的目的是吻合的．也就是說,提升學生的學科核心素養和提高學生的高考成績,兩者的目標是統一的,這對高中物理教學來說,是一個重要的啟示．

“情境化試題”是實現兩者目標統一的產物,也是有效途徑．通過對“情境化試題”的分析,一線教育工作者在高中物理教學中,如果能夠做到增強知識與情境的融合、充分利用探究實驗情境,指導學生凝練情境中的物理條件、構建情境中的數學模型,那么就能夠培養出會用物理知識解釋自然現象和解決實際問題的學生,從而讓物理書本知識得到升華.