基于素養解構的原始物理問題運用研究

王精國

（桐鄉市鳳鳴高級中學，浙江 桐鄉 314500）

1 問題的提出

隨著2014年“核心素養體系”概念首次在教育部印發的《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》中提出，物理教育界逐漸形成共識，認為教育從“知識核心時代”走向“核心素養時代”的變革已經到來.如果說雙基目標是1.0版本，三維目標是2.0版本的話，核心素養則是3.0版本.我們不禁要思考，隨著版本的升級，是不是可以放掉雙基，在哪些方面可以改變，又在哪些方面的確應該變化了？浙江師范大學蔡鐵權教授說過：“有知識不一定有素養，有知識才會有素養！”所以雙基的重要性應該是不言而喻的，因為如果沒有知識這個載體，能力在何處落腳？沒有知識作為基礎，觀念如何確立？思維如何培養？態度如何形成？怎么會有責任？如今的版本升級更是一種導向，以前是以知識為本，現在更應該以人為本，雙基不可丟，那么可以改變的是什么呢？

既然目標已經升級，那么評價的方式肯定應該改革和創新.然而如今紙筆測試仍然是一個公信力最大的方式，有傳統，有基礎，師生家長都可以接受結果，所以筆者認為可以從完善紙筆測試方式，嘗試主體多元的評價，探索形式多樣的評價等角度進行改變，開展原始物理問題教學，正是順應“知識核心時代”走向“核心素養時代”這一偉大變革的應然之舉.

2 原始物理問題評價核心素養

2.1 厘清原始物理問題與習題的關系

所謂“原始物理問題”，是指自然界及社會生產、生活中客觀存在的，能夠反映物理概念、規律且未被加工的典型物理現象和物理事實.物理習題是把科學現象和事實經過一定程度抽象、簡化、分析后加工出來的練習作業.兩者的關系如圖1所示.

圖1 原始物理問題與習題的關系

顯然習題教學只側重于圖中虛線部分的演算、推導環節，致使學生只知道根據已知條件去解題，遇到實際問題則常常束手無策.相比而言，原始物理問題采用文字敘述的方式呈現物理現象，沒有習題中給定的已知條件，需要學生根據提供的情境，通過假設、資料查詢等手段去自行設置，進而構造出理想的模型，再經過層層“抽絲剝繭”，方可使結論“破繭而出”.我國知名物理教育家趙凱華教授說過：“物理問題無處不在，但在我國的教學中，常常不是將最原始的問題交給學生來解決，而是將已經理想化的問題交給學生，這些理想化的問題就是習題.做慣了物理習題的學生，在面對原始物理問題時往往束手無策.”諾獎得主楊振寧先生也說過：“很多學生在物理學習中形成一種印象，以為物理學就是一些演算.演算是物理學的一部分，但不是最重要的部分，物理學最重要的部分是與現象有關的.絕大部分物理學是從現象中來的，現象是物理學的根源.”由此可見我們的物理教學過多地注重學生演算能力而忽略了建模素養的培育.

2.2 原始物理問題評價核心素養

《普通高中物理課程標準》2017版給出了學業質量水平與考試評價的關系，高中物理學業質量分五級水平，既是指導學生自主學習和評價、教師開展日常教學設計、命題和評價的重要依據，也是高中學業水平考試命題的重要依據.其中，學業水平2是高中畢業生應到達的合格要求，是學業水平合格性考試的命題依據；學業水平4是用于高等院校招生錄取的學業水平等級考試的命題依據.評價的過程可以通過對核心素養的“解構”來進行.“解構”，或稱為“結構分解”，是后結構主義提出的一種分析問題的方法，意思為“分解、拆解、揭示”等.因此，我們可以從學業質量水平等級來評價學生物理核心素養水平.

案例1.（2012年福建高考第18題）如圖2，一圓形閉合銅環由高處從靜止開始下落，穿過一根豎直懸掛的條形磁鐵，銅環的中心軸線與條形磁鐵的中軸線始終保持重合.若取磁鐵中心O為坐標原點，建立豎直向下為正方向的x軸，則圖3最能正確反映環中感應電流i隨環心位置坐標x變化的關系圖像是

圖2

圖3

表1為該題的素養解構過程.

表1 案例1的核心素養評價

原始物理問題相比常規習題而言，在抽象與設置物理量的建模過程更突顯學生科學思維素養的評價.案例1是2012年福建高考第18題，該題中沒有具體的數據，只有生活中的一個情境，是一題典型的原始物理問題，由素養解構中我們可以看到該題對科學思維的建模水平和科學推理水平要求較高，都到達了水平5的等級.

一個原始物理問題的解決大致需要經歷3個過程：第1步，發掘現象中蘊藏的信息，并用物理學的語言進行描述，即認識問題；第2步，丟棄跟問題無關的次要信息，通過簡化、抽象、設置物理量后轉化為物理模型，即物理建模；第3步，基于物理模型選擇合適的物理定律、公式，利用數學工具經推導演算得出最終結果.

這3個過程，思維是螺旋式上升的，可以看出，從原始問題走向物理習題，關鍵的步驟在于建構物理模型.模型建構作為一種認識手段和思維方式，是根據研究問題和情境，在對客觀事物進行抽象和概括的基礎上構建易于研究的、能反映事物本質特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實驗和物理概念的過程.建構模型有助于幫助學生抓住事物的關鍵要素，加深對概念、過程和系統的理解，形成系統思維.

2.3 原始物理問題教學的突破策略

原始物理問題能體現真正的物理現象或事實，為什么鮮有老師實踐呢？筆者認為原因主要有3方面：第一是原始物理問題一般具有開放性，答案呈現是多元化的，會影響考試評價的公平性；第二是高考就是教師們教學的風向標，高考中原始物理問題相對較少，對一線教學具有指導實踐的理論作用，會直接影響日常的教學重心；第三是由于原始物理問題教學對教師有相當高的要求，投入時間和精力較多.基于以上單方面出現問題的原因，筆者提出以下3點突破策略.

2.3.1 適當運用，通過解構素養進行評價

原始物理問題的開放性及多元性讓評價顯得過于主觀，但也可以在適當的時機或學生運用，例如在自主招生的面試中就運用的比較廣泛.面試中專家可以對學生的素養水平有非常直觀的評判.這種方式同樣也可以在日常教學中的個別輔導時采用.

案例2.（2014年復旦大學自主招生）用簡單易行的方法測量山峰高度.

（1）氣溫測量法：在無熱源、無遮護的情況下，空氣溫度隨海拔增髙而降低.一般情況下，海拔每升高100 m，氣溫大約下降0.6℃，測出山腳和山頂的氣溫，就可以計算出山峰的相對髙度，如果已知當地的地面海拔，兩者相加，就知道山峰的海拔高度了.

（2）三角測量法：如圖4，圖中有兩組相似三角形△ABG∽△DCG和△ABH∽△FEH，利用幾何關系求得山峰的高度.

圖4 三角測量法示意圖

（3）重力加速度法：利用單擺公式和萬有引力公式計算得到山峰高度.

我們可以看到案例2中答案不唯一，解題方法多樣，這也是原始物理問題的特征之一.該類題對于部分學生的核心素養評價具有較好的區分表現，適合部分學生的指導與選拔，但不適合廣泛運用.所以在嘗試運用原始物理問題教學時應有一定的評價標準.筆者嘗試運用核心素養解構的方式對學生的素養水平進行評價，下面以案例3進行舉例說明.

案例3.前端是平面的飛行器飛行速度超過音速，會造成破損等影響，成為“音速屏障”，分析其原因.

表2是該題的素養解構過程.

表2 案例3的核心素養評價

案例3中通過解構的途徑對學生的核心素養水平進行評價，雖然沒有具體的分數，但可以較為真實、具體地了解學生的素養處于什么水平，是原始物理問題評價的有效途徑.

2.3.2 注重情境，研究準原始物理問題

高考就是教師們教學的風向標，高考中原始物理問題相對較少，但新高考改革后在高考或選考中具有真實情境的準原始物理問題較多.表3所示為浙江省新高考改革后從2015年10月到2019年4月8次選考中涉及圖片及真實情境的試題數量統計.

表3 浙江省物理選考真實情境試題統計

由表3可以看出具有真實情境的選考試題所占試題比重在新高考改革后具有一定的地位，這是新的指揮棒，雖然沒有原始物理，但基于原始物理問題改編的準原始物理問題是選考的風向標.準原始物理問題是指具有一定數據，但需要學生適當建模的試題，更多來源于生活生產，需要教師注重來源于真實情境的物理問題，同時引導學生善于觀察生活，善于對新的問題進行思考與分析.

案例4.（2015年10月浙江選考）如圖5所示是公路上的“避險車道”，車道表面是粗糙的碎石，其作用是供下坡的汽車在剎車失靈的情況下避險.質量m=2.0×103kg的汽車沿下坡行駛，當駕駛員發現剎車失靈的同時發動機失去動力，此時速度表示數v1=36 km／h，汽車繼續沿下坡勻加速直行l=350 m、下降高度h=50 m時到達“避險車道”，此時速度表示數v2=72 km／h.

圖5 案例4配圖

（1）求從發現剎車失靈至到達“避險車道”這一過程汽車動能的變化量；

（2）求汽車在下坡過程中所受的阻力；

（3）若“避險車道”與水平面間的夾角為17°，汽車在“避險車道”受到的阻力是在下坡公路上的3倍，求汽車在“避險車道”上運動的最大位移（sin17°≈0.3）

在案例4中許多學生因為沒有見識過避險區的情境，無法從配圖中提取斜面模型，從而不能答題.實際上如圖6是山區地區高速公路邊上常見的避險區域，用于制動失靈的汽車通過上坡減速的方式避險.然而平原地區的許多學生沒有見過該情境，即使見過，如果沒有對事物保持好奇心和分析思考的能力，同樣也不會弄清避險區的作用.因此，教師應該注重真實情境，引導學生在生活中對于善于觀察現象并嘗試揭秘，這樣會有利于學生科學思維的發展.

圖6 避險區情境

2.3.3 注重習題課中原始物理問題與習題的轉換

由于原始物理問題教學對教師有相當高的要求，投入時間和精力較多，因此教師往往習慣從習題庫中尋找習題來訓練學生解題能力或評價學業質量水平.而常規的習題更突顯公式的記憶和數學的運算，對于科學思維的建模能力和推理能力培養不夠.但不能忽略原始物理問題的準備耗時耗力問題，因此筆者認為應該在平時的習題課教學中精挑精備若干原始物理問題，帶領學生從命題角度經歷把原始物理問題轉換成常見習題的過程.

案例5.電磁炮是未來戰爭的新型武器之一，試結合有關的物理知識設置并估計相應物理量，如發射物（炮彈等）的速度.

教師在課堂上拋出“電磁炮”這樣一個原始問題時，學生非常困惑.其思維的障礙在于：這個問題怎么連一個具體數字都沒有？學生由于受傳統學習思維慣性的影響，已經習慣于平常的習題中已知量都是明確給出的.而在這個原始的物理問題中，學生找不到現成的物理模型，也沒有類似的題型作為借鑒，需要自己通過多方面的分析推理，選擇有用信息抽離出物理模型，設定和估計解題所需的各個物理量，最后選取公式、推導演算，才能得出答案.在原始物理問題教學的初始階段，教師引領學生經歷其解答過程，引導其建構物理模型，給予適當的指導幫助是必要的.

（1）適時顯現研究問題的一般方法.

圍繞“力與運動”關系的研究問題的一般思維路徑：確定受力對象→受力分析→研究力與運動的關系→研究功能關系.

（2）展開小組學習討論激活思維.

這個過程中教師通過提供電磁炮的相關背景資料 （文字、視頻、圖片等）供學生閱讀（也可提醒學生上網自行查閱資料或一些相關參數），引導學生在閱讀材料的過程中分小組討論，大膽提出自己的見解和主張.學生分析、討論、爭辯問題的過程就是一個思維不斷沖突、碰撞的過程，也是一個不斷提出創造性見解和解決問題的過程，這有利于培養學生質疑、批判和創造的能力，激活思維.

（3）啟發提出“問題串”逐步推進思維進階.

問題1：研究對象（炮彈）的形狀怎樣？能否簡化？

問題2：電磁炮的關鍵在于如何發射，其動力來源在哪里？

問題3：磁場從哪里來？（從軌道的電流中產生）電流周圍的磁場是否變化？

問題4：導體運動過程除電磁力外，還受哪些力作用？

問題5：導體運動過程中是否會產生電動勢？對電流會產生什么影響？

問題6：從能量轉化的角度分析，導體在運動中能量是如何轉化的？

（4）任務驅動下激發科學思維方法運用（圖7）.

圖7 原始物理問題到習題的抽象過程

第1次等效處理：將炮彈視為長方形導體或滑塊，進而等效為金屬桿或金屬棒（這是在研究物體運動時一種常用的等效方法）；

第2次等效處理：由于炮彈的長度較小，可將炮彈所處區域磁場簡化為勻強磁場，從而忽略磁場的變化；

第3次等效處理：將平行金屬導軌由斜面理想化為沿水平方向固定，忽略重力在金屬導軌方向上的分力；

第4次等效處理：將炮彈視為可沿導軌無摩擦滑行，從而忽略摩擦力；

第5次等效處理：導體運動過程會產生反電動勢，對原電流造成削弱的作用，但由于電源提供的電流極大，導體運動過程產生的反電動勢比電源電動勢小得多，可以忽略不計.

需要指出的是，學生在經過一定數量的原始問題的訓練后，教師應逐漸放手，給學生獨立思考解決問題的機會.這樣學生才能漸漸地憑直覺去探索正確的解決途徑，創造性地解決問題.

3 結語

原始物理問題相比于普通習題具有開放性、隱蔽性和真實性的特點，運用原始物理問題進行學生核心素養水平評價更能體現科學思維素養，原始物理問題的設計與運用有利于新高考改革進程，它是紙筆測試評價的一種補充手段.在一線物理教學中，教師通過素養解構的評價手段，結合適當運用原始物理問題，在平時的教學中注重情境，研究準原始物理問題，同時注重習題課中原始物理問題與習題的轉換，以此來有效提升高中學生物理核心素養.