根據線索隱蔽度等級設計物理真實情境習題的嘗試

林輝慶

摘? ? 要：真實情境問題具有綜合性、復雜性和開放性的特征.在真實情境習題的設計中，教師可以從綜合性、復雜性和開放性三個方面出發，根據線索隱蔽度等級將真實情境設計成不同層次的習題，提升學生相應的物理學科核心素養.

關鍵詞：真實情境習題;線索隱蔽度;核心素養水平

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》在“教學建議”中指出：“應把物理課程中所形成的物理觀念和科學思維用于分析、解決生產生活中的問題，在解決問題中進一步提高探究能力、增強實踐意識、養成科學態度，促進物理學科核心素養的形成.”[1]生產生活中的問題情境是真實的未被加工的題材，如何將其加工成適應不同學習階段或具有不同物理學科核心素養發展水平的學生的習題，是一線教師需要研究的重要課題.

一、真實情境問題的主要特征

真實情境問題有三個主要特征，那就是綜合性、復雜性和開放性.

（一） 綜合性

綜合性指真實問題情境中總是包含著很多緊密聯系和相互影響的部分和現象，涉及多方面的學科知識甚至多個學科知識.要解決問題，就需要從眾多的情境因素中識別出一個恰當的由若干因素相互聯系構成的物理模式.如“搖繩發電”的情境：把長度20～25 m的導線連接在一個靈敏電流表的兩個接線柱上，形成閉合回路.兩人如圖1那樣搖動導線，靈敏電流表的指針左右晃動.要求研究指針偏角最大時的讀數是否等于電路中實際的最大電流.

這個問題情境除了文字描述和圖片給出的信息，還聯系著眾多隱含的相關因素.如實驗所在地的地磁場、導線的導電性、靈敏電流表的結構、兩個人之間的距離、被搖動導線的長度、搖動導線的快慢等因素.要研究本問題，必須在這些相互聯系的眾多現象和因素中識別出如下模式：人搖動導線產生交變電動勢，在閉合回路中產生交變電流;靈敏電流表的線圈受周期性的安培力、螺旋彈簧的彈力和阻力作用做受迫振動.

（二）復雜性

復雜性是指真實發生的事物除受到能識別、可量度的因素影響外，還會受到一些能識別但無法準確描述的因素和許多不能識別的因素影響，導致現象和過程具有一定的模糊性、不規則性.在搖繩發電的情境中，由于手運動的不穩定性和空氣流動等因素的影響，導線的轉動不可能勻速，被轉動部分導線的形狀也會發生不規則的變化;手與靈敏電流表之間的導線不規則運動會影響電路中的電流;兩人站立的方位與地磁場方向間的關系無法準確測定，會影響最大電流的計算等.面對復雜的事物，科學的處理方法是忽略次要因素，保留主要因素，建立理想化模型.忽略被搖動部分導線轉動的不穩定性和形狀的不規則變化，忽略手與靈敏電流表之間導線的運動產生的感應電動勢，認為兩人的連線與地磁場垂直，這樣，被搖動的導線就是一個理想的交流發電機.用這個模型就能在一定的誤差范圍內計算出閉合回路中電流的最大值.

（三）開放性

開放性是指真實情境問題中，有些相關因素的數值并未明確已知，在一定范圍內都是合理的;情境所提供的信息對解決問題不一定是剛好的，可能有多余，需要選擇，也可能不夠，需要學生自己尋找;待求解的問題可能不是很明確，而只有一些基本要求或只有一些方向性的說明，甚至需要學生自己提出問題.如上各點又決定了問題可能沒有事先確定的標準的解決方案和答案，只要證據可靠、推理正確且符合問題要求都是可以接受的.例如，搖繩發電問題中，一些必要的物理量需要學生自己查找或測量，尤其是，與導線彎曲形狀有關的“交流發電機線圈”的面積S，需要設計巧妙的方法測量.當發現電流表的最大讀數與實際的最大電流不一致后，學生還必然會提出“為什么？”的問題，也可能會提出“不一致的程度與哪些因素有關？”的問題.開放性就是不確定性，開放性問題的解決，需要學生運用發散思維與創新思維搜尋、選擇證據，構建、篩選解決方案，評估問題解決過程和結果.

二、真實情境習題的線索隱蔽度及其等級劃分

（一）真實情境習題的線索隱蔽度

教學中以自然界和生產生活中真實存在的現象為題材的習題，叫真實情境習題.真實情境習題是命題者對真實現象的信息經過篩選、簡化、組織等方式加工后用文字、圖形、圖像或數據表格等形式呈現的.由于命題者的加工活動，以及文字、圖形等表達方式本身的局限，習題情境相對于真實情境必定喪失了很多的在場因素、復雜性與不確定性.另外，真實情境習題作為學生核心素養形成的載體，必須適應學習需要.因此，將一個真實現象設計為習題，應該對真實的現象進行相應的抽象與簡化，為問題的解決提供恰當的已知條件或提示.基于上述兩個方面的原因，真實情境習題存在著情境真實程度高低的問題.當我們面對真實現象產生問題時，解決問題的線索是隱藏于眾多的情境因素中的，需要自己去挖掘、尋找;而用于學習的真實情境習題，其解決問題的線索則是不同程度地以清晰、直接的形式給出的.因此，我們可以定義線索隱蔽度來衡量真實情境習題的情境真實程度高低.習題中明顯、確切的線索越少，線索的內容與需要解決的問題關系越間接，習題的線索隱蔽度就越大.線索隱蔽度越大的習題，習題情境的真實度就越高.

（二）真實情境習題的線索隱蔽度等級劃分

解決真實情境習題，要運用已有的物理觀念從情境中識別出與問題有關的由相互聯系的現象構成的物理模式;要區分主要因素與次要因素建立理想化模型;要尋找、選擇信息，構建可行、優化的解決方案.所有這些，都需要從習題的設問中尋找線索作為推斷的證據.真實情境習題的線索隱蔽度越大，學生要從中尋找線索解決問題就越困難，解決該習題需要的核心素養水平就越高.

我們將真實情境習題的線索隱蔽度劃分為5個等級，如表1.大體上說，解決這些問題需要同等級的核心素養水平.每個等級的線索描述都包含情境的綜合性（現象關聯）、復雜性（模型）和開放性（不確定性）三個方面.

三、將一個真實情境設計成線索隱蔽度不同的習題

線索隱蔽度等級，既是一種參照，也是一種工具，它使教學中習題的選擇和設計具有了一定的可操作性.對于一個真實問題情境，我們可以從綜合性、復雜性和開放性三個維度改變設問方式，參照線索隱蔽度等級劃分，將其設計成具有不同線索隱蔽度的習題，以滿足不同的學習需要.下面給出一個示例.

【情境描述】電視連續劇《特警力量》第52集有如下情節.身高約1.8 m的特警隊員何苗在一次執行任務時，不小心踩到一個精制的“松發引信”與其他引信聯動的地雷.這種地雷被踩到后，只要作用在其上的力相對于人靜止時受到的壓力變化10-2 N（臺詞表達為1 g）就會爆炸.何苗站在原地等待排雷專家救援期間，曾將原來捧在胸前的頭盔戴回頭上.

本情境從綜合性角度講，是動力學與運動學的綜合，且頭盔、手和手臂的運動都會引起人對地雷壓力的變化;從復雜性角度講，頭盔、手和手臂的形狀和運動均是不規則的;從開放性角度講，頭盔、手和手臂的質量、運動距離在問題中均沒有明確告知，但它們的數值范圍是可以估計或從有關資料中獲取的.

利用這個情境，通過增加某些已知條件和改變設問，可以設計出不同等級線索隱蔽度的習題.下面是一組示例.

（一）1級線索隱蔽度習題示例

【設問方式】何苗將頭盔戴回頭上的過程中，頭盔的初、末速度等于多少？速度有無變化？有無加速度？手對頭盔的作用力是否變化？頭盔對手的作用力和何苗對地雷的壓力是否變化？（習題的設問包括前面的情境描述，為了節約篇幅而不重復，下同）

【線索分析】題目明確指示了用到的概念、規律和推理過程，學生不需要通過自己的思考對這些知識進行綜合.

【任務與素養】回憶速度、加速度概念和牛頓第二、第三定律（運動與相互作用觀念—1，數字表示等級，下同），按照題目指示進行推理得到結論（科學推理—1）.

（二）2級線索隱蔽度習題示例

【設問方式】假如何苗用t=20 s的時間把質量m=1 kg的頭盔從胸前抬高h=60 cm后，再慢慢戴到頭上，頭盔向上運動的過程中先做勻加速運動，后做加速度大小相同的勻減速運動.由于頭盔的運動引起人對地雷壓力的變化[Δ]F是否大于10-2 N？

【線索分析】題目明確指示了這是一個力與運動關系的問題，并給出了頭盔的運動模型，已知的t、m、h值是求解[Δ]F所必要的，何苗身高1.8 m是一個無關已知量.

【任務與素養】明確頭盔的初、末速度等于0（證據意識—2），綜合運用運動學公式和牛頓第二、三定律，求出頭盔做勻變速運動階段[Δ]F=6×10-3 N（運動與相互作用觀念—2，科學推理—2）.

（三）3級線索隱蔽度習題示例

【設問方式】假如何苗用t=20 s的時間把質量m=1 kg的頭盔從胸前抬高60 cm后，再慢慢戴到頭上，他能做到使頭盔與手之間的作用力的變化[Δ]F小于10-2 N嗎？可以先研究頭盔如何運動[Δ]F最小.與同學交流自己的解題方法.

【線索分析】題目的設問提示了這是一個力與運動關系的問題，給出了構建頭盔運動模型的線索：頭盔如何運動[Δ]F最小.

【任務與素養】根據題目提示構建頭盔及其運動的模型：將頭盔看作質點，它先做初速度為0的勻加速運動，后做加速度大小相同的勻減速運動直到靜止（證據意識—2，模型建構—3）.然后綜合運用運動學公式和牛頓第二定律求出[Δ]F=6×10-3 N（運動與相互作用觀念—2，科學推理—2）.接著與同學交流解題方法，討論解題方法的合理性（合作、尊重—3）.

（四）4級線索隱蔽度習題示例

【設問方式】假如何苗用t=20 s的時間把質量m=1 kg的頭盔從胸前抬高60 cm后，再慢慢戴到頭上，他能做到使頭盔與手之間的作用力的變化[Δ]F小于10-2 N嗎？除頭盔運動外，還有什么因素會引起人對地雷壓力的變化？請尋找有關數據對此做一估算，并據此說明這一因素能否被忽略.可以與同學合作解決這個問題.

【線索分析】與上一示例相比，設問中關于頭盔運動模型的提示更加隱蔽了，并擴大了需要綜合考慮的范圍，即人上肢的運動.人上肢運動的各個因素都是復雜的，并且沒有已知上肢的運動情況、質量等.這時，人的身高是估算上肢運動距離和質量的重要依據.

【任務與素養】建立頭盔運動模型，利用已知數據計算出人能做到使[Δ]F小于10-2 N（模型建構、科學推理—3）.識別出上肢的運動會影響人對地雷壓力的大小（運動與相互作用觀念—4）.對人上肢的運動建立模型，尋找數據，通過推理得到上肢的運動對人與地雷壓力的影響大于頭盔的運動產生的影響（模型建構、科學推理—4）.在這個過程中，學生需要不斷地提出問題、尋找數據、做出解釋、交流討論（科學探究—4）;需要戰勝不確定性帶來的心理焦慮直至問題獲解（科學態度—4）;要不斷地與同學探討以尋找思路、完善解法（合作、尊重—4）.

（五）5級線索隱蔽度習題示例

【設問方式】請通過有依據的分析和計算，為何苗應該如何戴頭盔才可能避免地雷爆炸提出建議.與同學合作解決這個問題.

【線索分析】首先，“何苗應該如何戴頭盔才可能避免地雷爆炸”不是一個直接而明確的物理問題，需要學生運用運動與相互作用觀念識別出“如何戴頭盔”，指的是手和頭盔如何運動.其次，情境提供的線索少，除了人對地雷壓力的變化超過10-2 N地雷就會爆炸和何苗的身高為1.8 m，沒有其他明顯的對解決問題有用的線索.

【任務與素養】在明確頭盔、人的上肢運動都會引起人對地雷壓力變化的基礎上，提出戴頭盔的動作要滿足什么條件才不引爆地雷的問題.對頭盔、人的上肢及其運動建立模型，到有關資料中查找頭盔的質量，估算身高1.8 m的人上肢的質量、頭盔向上移動的距離等數據，運用運動學公式和牛頓運動定律估算出人對地雷壓力的變化要小于10-2 N，向上移動頭盔的時間至少要大于某個值t0 .在此基礎上為何苗在戴頭盔動作要求方面提出建議.

整個過程需要學生自己明確問題、做出假設、尋找數據、進行推理、得出結論;需要同學間相互合作、集思廣益;另外，有無人文關懷精神也將影響學生解決問題的動力和投入程度（物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任—5）.

最后有必要說明，將同一個真實問題情境設計成線索隱蔽度不同的習題，對教師來說，能提高有價值的真實情境的利用率;對學生來說，有利于形成對同一事物不斷地質疑原有觀點、不斷地從不同角度提出問題進行深入探究的思維品質與能力，有利于形成嚴謹認真、持之以恒的科學態度.[□][◢]

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2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020：46-48，54-55.