一道“物理范”實(shí)驗(yàn)題的成題依據(jù)分析及反思

黃正玉　姚中化

摘 要：模擬考試實(shí)驗(yàn)題的編制需要體現(xiàn)“物理范”.“范”者亦為“fun”也，“物理范”應(yīng)表現(xiàn)為“有趣”的，讓人愉悅的.“物理范”，首先是指物理學(xué)科教學(xué)需要遵循的法則和規(guī)律，也可以指具有物理風(fēng)采、物理氣質(zhì)和物理風(fēng)格.

關(guān)鍵詞：物理范;核心素養(yǎng);大規(guī)?？荚?實(shí)驗(yàn)題

文章編號(hào)：1008-4134（2019）19-0060中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

新課程標(biāo)準(zhǔn)首次凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng).然而，有些素養(yǎng)是可以考核的，有些素養(yǎng)在筆紙考試中還是不方便考核的.因而怎樣較好地考核學(xué)生的核心素養(yǎng)，是大規(guī)?？荚嚸}中必須考慮的核心問(wèn)題.

1 模擬原題再現(xiàn)

[深圳 2018第二次模擬試題]22.某同學(xué)從實(shí)驗(yàn)室天花板處自由釋放一鋼球，用頻閃攝影手段驗(yàn)證機(jī)械能守恒，頻閃儀每隔相等的時(shí)間短暫閃光一次，照片上記錄了鋼球在各個(gè)時(shí)刻的位置.

（1）操作時(shí)比較合理的做法是

A.先打開(kāi)頻閃儀再釋放鋼球 B.先釋放鋼球再打開(kāi)頻閃儀

（2）頻閃儀閃光頻率為f，拍到整個(gè)下落過(guò)程中的頻閃照片如圖1（a）所示，結(jié)合實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景估算f的可能值為

A.0.1HzB.1HzC.10HzD.100Hz

（3）用刻度尺在照片上測(cè)量鋼球各位置到釋放點(diǎn)O的距離分別為s1、s2、s3、s4、s5、s6，及鋼球直徑，重力加速度為g.用游標(biāo)卡尺測(cè)出鋼球?qū)嶋H直徑D，如圖1（b）所示，則

D=cm.計(jì)算出實(shí)際直徑與照片上鋼球直徑之比為k.

（4）選用以上各物理量符號(hào)，驗(yàn)證從O到A的過(guò)程中鋼球機(jī)械能守恒成立的關(guān)系式為

2gs5=.

2 成題依據(jù)分析

（1）“范”者法也，指的是規(guī)律和法則，因而“物理范”首先是指物理學(xué)科教學(xué)需要遵循的法則和規(guī)律.

物理學(xué)科是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，因而實(shí)驗(yàn)題最能反映物理學(xué)科性質(zhì)和特點(diǎn).本題的設(shè)問(wèn)方式要求學(xué)生必須具有一定的實(shí)踐意識(shí)和一定的實(shí)驗(yàn)情景還原能力.

游標(biāo)卡尺的讀數(shù)屬于基本儀器的使用，試題設(shè)置了為解決照片放大率而需要做的一個(gè)步驟，具有一定的任務(wù)驅(qū)動(dòng).

起初的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的考核題目設(shè)置在第一問(wèn)，設(shè)問(wèn)顯得純粹為了讀數(shù)而讀數(shù).設(shè)問(wèn)如下.

問(wèn)1 右圖游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為.

本題第二問(wèn)的解答需要學(xué)生一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐意識(shí).比如說(shuō)要求學(xué)生對(duì)教室的高度有一定了解，知道教室高度大約是2.5-5m，再估算出下落時(shí)間大約是0.7s-1.0s.因而知道若頻率為1Hz，則最多只能有一個(gè)空中的像點(diǎn);若頻率為10Hz，則剛好有7-10個(gè)空中小球，與題目提供的照片吻合，故答案為10Hz.

同樣的，對(duì)第一問(wèn)的回答，要求學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)之快，或者說(shuō)下落時(shí)間之短有一個(gè)基本認(rèn)識(shí).如果知道下落時(shí)間短，自然就知道應(yīng)該先打開(kāi)頻閃儀再釋放紙帶了，也就是第一問(wèn)答案為A.

物理學(xué)史上，伽利略利用斜面研究自由落體運(yùn)動(dòng)，也就是認(rèn)識(shí)自由落體時(shí)間之短和計(jì)時(shí)儀器的缺乏之間的矛盾，所采取的“稀釋”重力的可行方法.對(duì)物理學(xué)史的了解和尊重，實(shí)際上就是認(rèn)識(shí)到科學(xué)是邏輯和想象相結(jié)合的產(chǎn)物，認(rèn)識(shí)到科學(xué)研究試圖確定和避免偏見(jiàn)、反對(duì)權(quán)威的功能.從這個(gè)角度來(lái)看，本題體現(xiàn)了科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的核心素養(yǎng)維度.

本題的設(shè)問(wèn)區(qū)別于常見(jiàn)的已知高度算時(shí)間的題目.起初的設(shè)問(wèn)方式如下，就缺乏物理氣質(zhì)和物理風(fēng)格，設(shè)問(wèn)方式俗套.

問(wèn)2 已知頻閃儀閃光頻率f=10Hz，拍到整個(gè)下落過(guò)程中的頻閃照片如圖1（a）所示，求A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度vA=.

（2）“有范兒”指的是有風(fēng)度、有風(fēng)采和有格調(diào)，故此“物理范”可以指具有物理風(fēng)采、物理氣質(zhì)和物理風(fēng)格.

新課程標(biāo)準(zhǔn)的核心素養(yǎng)之一—科學(xué)思維，本題的物理范體現(xiàn)在解答本題需要分析和綜合、抽象與概括以及邏輯推理等科學(xué)思維.

先需要分析照片中的尺寸與實(shí)際距離存在一定的比例，也就是用題目中給定的k來(lái)表示.平時(shí)教學(xué)是對(duì)下落物體抽象為自由落體，而解答問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)還原過(guò)程，需要清楚地認(rèn)識(shí)整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程.最后利用邏輯推理，完成最后一問(wèn)的解答.邏輯推理過(guò)程如下：

動(dòng)能增量ΔEk=12mks6-ks42T2=18mk2（s6-s4）2f2.勢(shì)能減小量ΔEp=mgks5，需要驗(yàn)證ΔEp=ΔEk.整理可得2gs5=kf2（s6-s4）24.

這種嚴(yán)密的邏輯推理是數(shù)理學(xué)科獨(dú)有的思維方式，是最能體現(xiàn)物理風(fēng)采和氣質(zhì)的核心素養(yǎng).

（3）“范”者亦為“fun”也，物理范應(yīng)該是“有趣”的，讓人愉快的.

物理老師實(shí)際教學(xué)中應(yīng)該創(chuàng)設(shè)各種創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供各種可能的實(shí)踐機(jī)會(huì).也可以借鑒目前網(wǎng)上的一些公開(kāi)資源.如網(wǎng)易公開(kāi)課上有一個(gè)視頻，沃爾特·略文（Walter Lewin） 教授在MIT物理學(xué)科教室做的自由落體頻閃照片（如圖2），由同學(xué)回答看到小球空中下落過(guò)程的球的個(gè)數(shù)，整個(gè)課堂趣味盎然，學(xué)生在愉悅的心情下體驗(yàn)自由落體真實(shí)情景，體驗(yàn)頻閃攝像的等時(shí)性.實(shí)驗(yàn)過(guò)后，那句“See you next Friday！”，讓物理學(xué)生在接下來(lái)的學(xué)習(xí)中都會(huì)沉浸在愉悅的心情和對(duì)未知世界的期待之中.“物理范”表現(xiàn)在讓學(xué)生保持一顆對(duì)未知世界的好奇心和探索欲望.所以命題過(guò)程中命題者需要有一個(gè)有趣的真實(shí)的情景，努力體現(xiàn)物理學(xué)科“fun”的特征.

3 測(cè)后反思改進(jìn)

測(cè)試結(jié)果反映前三問(wèn)的難度在0.5-0.65之間，比較理想.遺憾的是最后一問(wèn)創(chuàng)新性不足，但是作為大規(guī)?？荚囋囶}真正測(cè)試下來(lái)，發(fā)現(xiàn)效度和難度都沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài).建議作如下改動(dòng)，就可以大大提高得分率，克服情景過(guò)于新穎而對(duì)試題難度帶來(lái)的不利影響，體現(xiàn)該題對(duì)優(yōu)秀學(xué)生的選拔功能.

問(wèn)4 驗(yàn)證從O到A的過(guò)程中鋼球機(jī)械能守恒成立的關(guān)系式為：2gs5=.（用s4、s6、k和f表示）

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2019-01-25）