一道中考物理綜合能力題的學科素養考查分析及教學啟示

毛鴻鳴

【摘要】2021年廣東省初中物理學業水平考試第23題以超聲波測速為載體，有效地考查了學生復雜情境中的模型建構能力，綜合物理問題的分析、推理能力，以及實踐創新能力。題目新穎別致，凸顯學科素養的考查，對初中物理教學具有導向性作用。本文在解析、素養考查分析的基礎上，提出對今后教學的啟示。

【關鍵詞】初中物理;中考試題;素養考查;教學啟示

原題? 閱讀下列短文，回答問題。

超聲波測速

測距是測速的基礎。如圖1甲所示，超聲波測速儀向靜止的汽車發射超聲波信號（簡稱信號），同時開始計時。信號傳播過程中遇到汽車會被反射，測速儀接收到返回的信號就停止計時。根據記錄的時間及其與路程、速度的關系，可計算出汽車與測速儀之間的距離。圖乙是信號傳播過程的s-t圖象，s表示信號與測速儀之間的距離，t表示信號傳播的時間。

測速儀測量汽車速度的原理是：測速儀向運動的汽車先后發射兩次信號，根據汽車在兩次遇到信號之間所通過的路程及所用的時間，由速度公式可得出汽車的平均速度。

測速儀在公路上對某跑車進行測速時，向勻速駛來的跑車發射兩次信號，兩次發射信號的時間間隔是1.0s，第一次發射信號到接收用時0.6s，第二次發射信號到接收用時0.3s。經測速儀測定，該跑車超速，駕駛員將受到交警部門處罰。（超聲波速度取340m/s）

（1）如圖乙所示，若t0=0.4s，則靜止的汽車與測速儀之間的距離為_______m。

（2）通過計算，在圖2中，大致畫出測速儀對該跑車發射的兩次信號傳播過程的s-t圖象（t從第一次發射信號開始計時）。跑車在兩次遇到信號之間通過的路程為______m，跑車的速度大小為_______m/s。

一、試題難度分析

試題的難度主要集中在測速問題的求解上，具體分析下表。

問題 情境 求解問題 已知條件 知識與能力結構化程度

測距 單一：信號在測速儀與靜止汽車間往返運動 簡單：測速儀與汽車的距離 單一：信號從發射到接收的時間;聲速 程度低：知識與技能的結構化程度低

測速 復雜：兩列信號先后與運動的跑車相遇后返回測速儀 復雜：跑車運動的速度;信號傳播的s-t圖象 復雜：兩次信號從發射到接收的時間;兩次發射的間隔時間;聲速 程度高：知識結構化程度低，技能的結構化程度、思維方式的綜合程度高

二、學科素養考查分析

1.模型建構能力

要解決超聲測速問題，需要將這一復雜情境中的對象和過程，轉換成熟悉的測量物體運動速度的物理模型——測速儀向運動的跑車發射第一列信號，與跑車相遇反射回測速儀，“記下”第一次相遇的位置及時間;繼續向跑車發射第二列信號，與跑車相遇反射回測速儀，“記下”第二次相遇的位置及時間。通過兩次相遇的位置及時間，間接“測出”跑車在兩次遇到信號之間通過的路程和時間，由此可測速跑車的速度。

2.分析、推理能力

如何求得跑車兩次遇到信號之間通過的距離以及經過的時間呢？這需要進一步的分析、推理和判斷，得出結論。

（1）相遇時間、距離的分析判斷

由于超聲波信號在發射儀與汽車往返運動時傳播介質相同，所以傳播的速度相同;而往返運動通過的路程相同，由t=s/v可知，所用的時間相同，為總傳播時間的一半。由s=vt可得以下三段相遇距離。

①靜止的汽車與測速儀之間的距離：

②第一次信號與跑車相遇時跑車與測速儀之間的距離：

③第二次信號與跑車相遇時跑車與測速儀之間的距離：

（2）跑車兩次遇到信號通過距離的分析判斷

如圖3所示，跑車在兩次遇到信號之間通過的路程S車，為跑車兩次遇到信號時與測速儀距離的差。

s車=s1相遇-s2相遇=102m-51m=51m

（3）跑車兩次遇到信號運動時間的分析判斷

如圖4所示，跑車在兩次遇到信號之間經過的時間t車，為跑車兩次遇到信號的時間差。

從第一次發射信號開始計時，0.3s后跑車第一次與信號相遇;經1.0s后發射第二次信號，0.15s后跑車與信號第二次發相遇，第二次與信號相遇的時間為1.0s+0.15s=1.15s，則：

t車=1.15s-0.3s=0.85s

（4）跑車速度的計算

由速度公式可得，v=s車/t車=51m/0.85s=60m/s

3.繪圖用圖能力

題目給出的s-t圖象，縱坐標s表示的是信號與測速儀之間的距離（不是路程），其最值表示的是信號與跑車相遇時跑車與測速儀之間的距離，對應的時間為相遇時間。

根據上面的分析結果，可畫出兩次信號傳播過程的s-t圖象，如圖5所示。由圖可求得跑車兩次遇到信號經過的時間為0.85s。

4.實踐創新能力

測距是超聲波的一個具體應用，測速是測距的創新實踐，通過超聲波連續兩次的測距，得到汽車兩次遇到信號所經過的路程與時間，從而測出汽車行駛的速度。這一過程有效考查了學生的創新實踐能力。

三、對教學的啟示

第一，夯實基礎。超聲波測距源于教材，是測速的基礎。無論測距還是測速，都要用到勻速直線運動的基本規律、超聲波測距的物理模型，去分析、解決問題。因此，學生必須牢固掌握這些基礎知識，清晰、全面的認識超聲波測距這一物理模型，如信號往返傳播過程中具有的等速、等距、等時的特性等，只有這樣，才能創造性的應用這些基礎知識、基本模型解決更復雜的實際問題。

第二，發展思維。物理教學除讓學生掌握必備的知識，還要形成關鍵能力，如建構模型、分析推理等科學思維能力。在平時的教學中不單要重視結果，更要重視思維的過程，這個結論是如何得來的，經過怎樣的分析、推理的過程，多問幾個為什么？比如，超聲波在發射儀與反射物之間來回運動的時間是相等的，為什么？因為路程與速度均相同;為什么傳播速度相同？因為傳播的介質相同。這些問題看起來簡單，但確實有利于學生的思辨能力的形成和思維深刻性的培養。

第三，提高識圖用圖能力。物理圖象能形象表征復雜的物理過程或物理規律，圖象法是一種重要的物理科學思維方法。本題中，一方面要求考生畫出兩次信號傳播的s–t圖象，用圖象描述信號傳播過程;另一方面，考生可以通過畫圖，如圖3、圖4和圖5，將物理過程可視化，有效降低思維難度，有利于復雜問題的解決。在平時的教學當中，要重視物理圖象的教學，多讓學生運用物理圖象表述物理過程或物理規律，如用方直圖表示兩個數量的關系、用圖象表示晶體的熔化（凝固）過程、用I–U圖象表示導體的電流與電壓的關系等，讓學生理解圖象的物理含義，提高學生的識圖、用圖能力。

第四，培養實踐創新能力。創新實踐能力是物理核心素養的重要方面。測速是測距的創新應用，重點考查學生運用基礎物理知識、規律以及熟悉的物理模型，創造性地解決實際問題。在平時的教學中，要加強與生活、生產實際、新科技的聯系，讓學生多經歷實際問題的解決過程，如加油機如何實現空中加油、電冰箱如何制冷、人面識別技術如何進行人面識別等等，以培養和發展學生的實踐創新的能力。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：45.

[2]李冬裕.一類含“時”的初中物理運動學問題例析[J].物理教學，2021（4）.