突出理解應用 考查學科核心素養
——對2020年蘇州市中考物理試卷第30題的賞析

張 亮

(阜陽市第十八中學，安徽 阜陽 236000)

1 原題呈現及試題背景

1.1 試題原題及解答

Phyphox是一款功能強大的物理實驗手機軟件,其中的Acoustic Stopwatch功能能夠自動記錄下所接收到的兩次響聲之間的時間間隔:當手機接收到第一次響聲時便自動計時,當再次接收到響聲時計時自動停止(類似于使用秒表時的啟動和停止),由于對聲音的響應非常靈敏,計時可精確到0.001 s.

甲、乙兩人使用手機在空曠安靜的廣場上測量聲音的傳播速度.如圖1所示,他們分別站于間距測量值為s的A、B兩處,打開手機軟件做好計時準備.甲先在手機邊擊掌一次,乙聽到擊掌聲之后,也在手機邊擊掌一次.查看甲、乙兩手機均有效記錄下了兩次掌聲的時間間隔,分別為t甲、t乙.

圖1

(1) 若已知空氣中的聲速為340 m/s,0.001 s內聲音的傳播距離為________m;

(2) 本實驗中兩手機所記錄的時間大小關系是t甲________t乙(>/=/<);

(3) 測得空氣中聲音的傳播速度v聲=________.(用s、t甲、t乙表示)

參考答案如下:

(1) 聲音的傳播距離為s=vt=340 m/s×0.001 s=0.34 m;

(2) 由記錄過程知,t甲比t乙多記錄聲音傳播的時間,故t甲>t乙;

(3) 從A到B處聲音的傳播時間為

測得空氣中聲音的傳播速度.

1.2 試題背景

2018年第7期的《物理教學探討》刊發《智能手機在物理實驗教學中的應用探討——以Phyphox軟件為例》一文.文中的一個案例就是利用Phyphox軟件測量聲音在空氣中的傳播速度.試題中的方案與論文中的方案完全相同,論文中計算出了s=5 m時的測量結果及誤差分析.[1]

此外,網絡上有借助Phyphox軟件進行該實驗的視頻展示,實驗過程截圖如圖2,實驗結果截圖如圖3,其中t甲=0.824 s,t乙=0.797 s,根據公式可算出當時環境下聲音的傳播速度為370.37 m/s.

圖2

圖3

2 試題賞析

本題是2020年蘇州中考物理試卷的壓軸題,難點在第3小問題.試題主要考查速度的計算方法,解題的關鍵是正確表達聲音從A到B的傳播時間,要求考生能夠熟練應用速度公式解題.在考試后的交流研討中,部分物理老師在接觸題目的短時間內看不懂題意,對于最后一問無從下手.下面從物理學科核心素養的部分要素進行試題分析.

2.1 物理觀念的滲透

試題以手機軟件應用為背景,以擊掌聲為研究對象,以測量聲音的傳播速度為目的,考查學生對運動學知識的理解情況.本題涉及“物理觀念”中“運動觀念”的幾個基本概念[2]:聲音傳播的快慢——速度;聲音的傳播距離——路程;人的反應時間;聲音的傳播形式——聲波.其中比較隱蔽的概念是人的反應時間.甲、乙兩人各擊掌一次,A、B處的手機各有兩次記錄,如何理解t甲和t乙是正確解答本題的關鍵.

2.2 科學思維的體現

本試題中的“科學思維”體現在“模型建構”和“科學推理”方面.[2]對初中學生而言,聲音的傳播不同于人、機械等可見物體的運動,給人捉摸不定的感覺,因此,解答本題時,“模型建構”十分重要.題目中“乙聽到擊掌聲之后,也在手機邊擊掌一次”暗示著由于人有反應時間,B處人擊掌的時刻一定晚于乙手機開始計時的時刻.這兩個時刻之差即為t乙(忽略聲音從乙的手傳播到B處手機的時間). 在審題過程中,可以把聲波的傳播想象成一個小球的運動, 小球從A處出發時甲開始計時,小球到達B處時乙開始計時;然后小球在B處停留片刻,再次從B處出發時乙停止計時,小球回到A處時,甲停止計時.小球的運動過程示意圖如圖4所示.

圖4

由以上示意圖可知,t甲包括小球在甲、乙之間的往返時間及在乙處的停留時間.因此,小球從甲處運動到乙處的單程時間為0.5(t甲-t乙).由此可知第(2)問的答案為t甲>t乙.

2.3 科學探究的設計

因空氣中聲音的傳播速度較大,用傳統的實驗方法很難準確測量其數值.如何設計“利用智能手機軟件測量聲音傳播速度”的方案?題干中的“科學探究”已完成了設計實驗與制訂方案,“空曠安靜的廣場”是環境條件;測量能夠“精確到0.001 s”時間間隔的手機軟件是技術保障;兩次擊掌、四次記錄,幾個簡單的動作即完成了實驗過程.實驗設計方案新穎,是一個典型的創新型科學探究活動.試題重在考查學生獲取和處理信息的能力.t甲和t乙分別表示哪一段時間?它們和聲音從A處傳播到B處的時間有什么關系?厘清了其中關系就找到了解題的關鍵.

3 試題啟示

本題深入考查了學生提取關鍵信息、建構物理模型以及用簡要的數學知識處理物理問題的能力,[3]試題命題角度新穎,回避了復雜的運算,側重于考查學生的核心素養,對物理教學起到積極的導向作用.

3.1 對課堂教學的啟示

部分學生沒有學好科學課程的一個最大的原因是他們對所學知識并沒有理解.[4]學生的理解并不是“聽懂”,也不體現在記住與復述相關的概念、公式與定律等知識,而是看自己能否在一個具體的問題情境中進行正確的解釋與表達.[5]因此,試題與問題是檢驗學生是否真正理解的有效手段.理科學習中,知識點是相對固定的,而問題是靈活多變的,不能解決活的問題,就不能說是真正的理解. 多數學生知道人的“反應時間”是指從感官接收到信息到人采取動作的時間,但是落實具體問題中,就不一定能準確表達出來.比如本題中,如果學生沒有理解乙手機第一次接收聲波與人接收聲波有時間差,即沒有找出“人的反應時間”這個隱含的物理量,第(3)問將無從解答,主要原因是對聲波的傳播過程不理解.課堂教學中,知識的建構應有具體的問題情境,同時要借助豐富的事例從不同側面進行解讀,即由

問題和事例到知識.比如在學習“平均速度”概念時,學生通過具體的變速運動的事例建立了平均速度的概念,老師在檢驗學生對概念的理解時,可以出示以下例題:物體在A、B之間做變速直線運動,C點為AB的中點,已知AC之間的平均速度是6 m/s,BC之間的平均速度是10 m/s,求AB之間的平均速度.凡是答案為8 m/s的學生,都沒有真正理解平均速度的概念,而是受測量長度求平均值的影響,潛意識地默認為“平均”就是加起來取平均值.只有結果為7.5 m/s的學生才真正理解了平均速度的概念. 老師在檢查學生是否真正理解了某知識點時,盡可能避免以背誦、默寫等簡單的方式進行,而應精選問題,讓學生把題意與解題思路說出來.老師從學生的解說中便可判斷學生對知識的理解程度,從而有針對性地調整思路.

3.2 對探究活動的啟示

傳統實驗器材的智能化程度較低,并且較為單一,一定程度上限制了學生的創造力.隨著智能手機的普及和各種軟件的開發,手機逐漸走進了常規的實驗探究活動.智能手機程序可將實驗結果數字化、精確化、形象化,同時帶來了實驗的開放性,打破實驗的空間限制,解決了部分實驗過程中無法精準測量的問題,成為實驗活動的有力助手,這既改變了傳統的學習方式和教師的實驗教學方式,又為學生課外實踐活動創造了條件,同時可激發學生的實驗興趣和挖掘學生的創造潛能.[2]以Phyphox軟件為例,目前可實現 29 種內置功能,其中包括初中物理實驗中常用的測量工具,如力傳感器、噪聲監測儀、音頻發生器、秒表(聲學秒表、 運動秒表、光學秒表)、氣壓計等. 以學習“聲現象”為例,每個學生都可以利用Phyphox軟件測試自己在不同情況下發聲的頻率、響度、音色,還可測試自己的聽覺范圍,直觀形象的結果有助于激發學生進一步開展探究式學習的熱情.

綜上所述,本題立足于實踐應用,對學生的模型建構能力、理解與應用能力提出較高的要求,較全面地考查了學生的物理學科核心素養,同時為智能工具在實驗教學及課外實踐活動中的應用做出了示范.