“雙減”政策背景下物理教學(xué)更應(yīng)凸顯原始問(wèn)題的模型建構(gòu)能力
——以安徽省近幾年初中學(xué)業(yè)水平考試物理學(xué)科壓軸題為例

林 軍

（合肥市包河區(qū)教育體育局教學(xué)研究室，安徽合肥 230051）

1 問(wèn)題的提出

2021年7月24日，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步減輕義務(wù)教育階段學(xué)生作業(yè)負(fù)擔(dān)和校外培訓(xùn)負(fù)擔(dān)的意見》，簡(jiǎn)稱“雙減”政策.“雙減”文件要求各級(jí)教育主管部門要采取有效措施減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生德、智、體、美、勞全面發(fā)展.其實(shí)，自從2001年新課程改革實(shí)施以來(lái)，反復(fù)強(qiáng)調(diào)要為學(xué)生減負(fù)，但是現(xiàn)實(shí)情況是學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)卻越來(lái)越重，嚴(yán)重危害了學(xué)生的身心健康.這種注重“育分”“刷題”的教育“內(nèi)卷”現(xiàn)象與堅(jiān)持落實(shí)立德樹人，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)嚴(yán)重相違背.要打通“育分”到“育人”的任督二脈，可以在教學(xué)過(guò)程中突出物理原始問(wèn)題的教學(xué)并設(shè)法將“知識(shí)問(wèn)題化、問(wèn)題情境化、學(xué)習(xí)實(shí)踐化”，努力提高教學(xué)質(zhì)量與效率，助推“雙減”政策的有效落地落實(shí).

2 原始物理問(wèn)題的模型建構(gòu)法解決策略

原始物理問(wèn)題是自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的典型物理現(xiàn)象和事實(shí)，是物理學(xué)知識(shí)的本源，是未被分解、簡(jiǎn)化、抽象的，能夠直接反映最真實(shí)的物理生活情境的現(xiàn)象或問(wèn)題.［1］物理原始問(wèn)題是習(xí)題的上位概念，是文字描述性的物理現(xiàn)象中的問(wèn)題，其作用主要體現(xiàn)在依靠學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的本質(zhì)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象分析和處理，建構(gòu)科學(xué)的物理模型，有步驟地培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的科學(xué)思維能力，其兩者關(guān)系如圖1所示.下面就近幾年安徽省初中學(xué)業(yè)水平考試物理學(xué)科試題中的原始物理問(wèn)題進(jìn)行模型建構(gòu)教學(xué)分析，以便大家交流討論.

圖1 原始問(wèn)題與模型建構(gòu)的關(guān)系

3 模型建構(gòu)在解決原始物理問(wèn)題中的應(yīng)用舉例

3.1 科學(xué)探究“鉛球是鉛制成的嗎”培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的能力

問(wèn)題1：上體育課時(shí)，同學(xué)們?cè)谕稊S鉛球時(shí)，討論鉛球到底是什么材料制成.小明說(shuō)：“鉛球就是用鉛制成的，要不然為什么叫它鉛球呢？”小強(qiáng)說(shuō)：“不對(duì)，我仔細(xì)看過(guò)體育課使用的鉛球，它的表面很硬，像是用鐵制成的，如果是用鉛制成的會(huì)比較軟”.他們兩位誰(shuí)說(shuō)得對(duì)呢？請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，來(lái)鑒別鉛球的組成材料.

絕大多數(shù)學(xué)生第一反應(yīng)就是想辦法測(cè)量鉛球的密度，然后將測(cè)得的密度值與密度表中鉛密度進(jìn)行比較即可.教師追問(wèn)，所需的測(cè)量工具是什么？如何進(jìn)行測(cè)量？

大多數(shù)學(xué)生首先想到的是利用實(shí)驗(yàn)室里的托盤天平和量筒，分別測(cè)鉛球的質(zhì)量與體積.教師再追問(wèn)實(shí)驗(yàn)室中的托盤天平和量筒的量程分別是多大？學(xué)生們略加思索有所頓悟，很快否定了這種測(cè)量方案.

接著經(jīng)過(guò)師生的交流討論，一致認(rèn)為需要增加生活中的一些器具來(lái)完成實(shí)驗(yàn)測(cè)量.例如可以利用超市里常用的電子臺(tái)秤（磅秤）來(lái)測(cè)鉛球的質(zhì)量.但是針對(duì)鉛球的體積測(cè)量學(xué)生們提出較多的想法與思路，基本上都是采用間接測(cè)量法，例如采用塑料桶、刻度尺等.教師將學(xué)生的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分類，總結(jié)為以下兩類模型建構(gòu).

（1）用塑料桶和量筒配合測(cè)量體積；（2）將刻度尺和細(xì)線配合測(cè)量體積.

師生再對(duì)這兩種方案進(jìn)行評(píng)估和分析其中的誤差大小的預(yù)判，最后進(jìn)行甄選，發(fā)現(xiàn)：其中模型（1）是一個(gè)合適的方法，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化.物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上就是模型建構(gòu)的過(guò)程，模型建構(gòu)是科學(xué)思維的重要特征.

接下來(lái)，師生共同參與，通過(guò)密度的測(cè)量來(lái)對(duì)鉛球的組成材料進(jìn)行鑒別.

（1）測(cè)量鉛球的體積.

請(qǐng)同學(xué)們從圖2中選出測(cè)量工具和器材來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并追問(wèn)學(xué)生用細(xì)線和刻度尺進(jìn)行測(cè)量，有什么不妥嗎？是否用量筒直接測(cè)出鉛球的體積，如果不能，又有什么好的辦法？

圖2 測(cè)量鉛球密度的工具和器材

教師設(shè)置如下的“問(wèn)題串”：可以選取塑料桶、量筒（量程為1000 mL）和水等器材，間接測(cè)出鉛球的體積嗎？可以直接把鉛球放入裝滿水的塑料桶里，可以測(cè)出溢出水的體積？怎樣才能減小實(shí)驗(yàn)誤差？具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟又是什么？通過(guò)一系列問(wèn)題引領(lǐng)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生有步驟地開展實(shí)驗(yàn)探究來(lái)測(cè)量鉛球的體積.

（2）測(cè)量鉛球的質(zhì)量.

選取量程較大的電子臺(tái)秤，正確測(cè)量出鉛球的質(zhì)量.

（3）計(jì)算出鉛球的密度.

根據(jù)密度的定義式ρ＝算出學(xué)生鉛球的密度，與教材中密度表上的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，密度明顯小于鉛的密度，說(shuō)明學(xué)生鉛球不是鉛制作的.

正如楊振寧教授所說(shuō)：物理學(xué)最重要的部分一定是與現(xiàn)象有關(guān)的，絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來(lái)的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源.而原始物理問(wèn)題恰是一種與物理現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的具備可操作性的物理教育方式.由原始問(wèn)題開始，逐步找出其中的物理本質(zhì)，建構(gòu)模型后對(duì)相應(yīng)的物理量進(jìn)行賦值，計(jì)算和推理得出結(jié)論，讓學(xué)生嘗試原始問(wèn)題的解決路徑，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng).［2］

3.2 實(shí)測(cè)“家用電器實(shí)際功率的大小”，強(qiáng)化學(xué)生物理建模思想和意識(shí)

問(wèn)題2：“在家庭照明電路里，為什么在傍晚用電高峰時(shí)段打開電燈，電燈通常會(huì)顯得較暗，而深夜時(shí)打開同一盞電燈，為何又顯得很亮呢？”

這是一道典型的只有文字描述的物理原始問(wèn)題，要想引導(dǎo)學(xué)生正確解答.只有從試題閱讀中找到教材中的關(guān)聯(lián)知識(shí)，抽絲剝繭出已知量和未知量之間的聯(lián)系，從問(wèn)題的本質(zhì)中創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，在情境中建構(gòu)家庭電路物理模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，表格模型等一系列分析，得出結(jié)論和反思評(píng)價(jià).

針對(duì)這類型題目，本質(zhì)上是考查用電器的“實(shí)際功率”的相關(guān)問(wèn)題，這里面沒有家庭電路模型，更沒有用電器的銘牌參數(shù)和相關(guān)數(shù)值，用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言描述把其中的物理道理闡述清楚是比較困難的.因此，我首先想到引導(dǎo)學(xué)生在分步拆解問(wèn)題中抽象出物理量并建立物理模型展開交流討論，為此設(shè)置了如下的教學(xué)問(wèn)題和教學(xué)思路.

（1）你會(huì)建立家庭電路模型嗎？（家庭電路電壓是220 V，超過(guò)人體的安全電壓，對(duì)學(xué)生人身安全有危險(xiǎn)，而且不宜在實(shí)驗(yàn)室里分組實(shí)驗(yàn)，可以用小燈泡的電路模型來(lái)代替）

（2）在輸送電壓不變的情況下，用電高峰期和低谷期燈泡亮度不一樣的原因是什么？（主要原因是輸電導(dǎo)線本身存在電阻，用電高峰和低谷時(shí)輸電導(dǎo)線上流過(guò)的電流不同，輸電導(dǎo)線上所分的電壓大小也不同，導(dǎo)致家用電器（燈泡）實(shí)際電壓發(fā)生變化造成的）

（3）同一盞燈泡的亮暗，其實(shí)際電壓與實(shí)際功率有何關(guān)系？（用電器實(shí)際電壓越低，實(shí)際功率越小，燈泡越暗，反之亦然，說(shuō)明傍晚用電高峰期家庭電路中實(shí)際電壓應(yīng)該低于深夜時(shí)的實(shí)際電壓，這是導(dǎo)致出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根本原因）

（4）如何去賦值、推導(dǎo)和演算？（用學(xué)生電源、燈泡、電流表、電壓表等模擬家庭電路，建構(gòu)表格模型，計(jì)算實(shí)際功率后推演，得出結(jié)論并反思評(píng)價(jià)）

基于以上的教學(xué)思路，教師引導(dǎo)學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)器材，然后連接實(shí)物電路，開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng).

學(xué)生們經(jīng)過(guò)交流討論，很快大多數(shù)學(xué)生就選擇了電流表測(cè)實(shí)際電流、電壓表測(cè)實(shí)際電壓、若干個(gè)標(biāo)有“2.5 V、0.3 A”的小燈泡、若干根導(dǎo)線、學(xué)生電源和滑動(dòng)變阻器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.

教師首先展示“家庭電路模型”的實(shí)物電路圖（如圖3所示），并利用學(xué)生電源（電壓6 V）來(lái)模擬家庭電路的進(jìn)戶線；利用串聯(lián)在干路上的定值電阻R線（用滑動(dòng)變阻器代替，接入電路部分阻值約5Ω）來(lái)模擬長(zhǎng)途輸電線；利用6 只小燈泡且由開關(guān)各自控制的并聯(lián)電路模擬家庭電路中的用電器.

圖3 家庭電路實(shí)物模型

接著，教師引導(dǎo)學(xué)生畫出“家庭電路”實(shí)物模型的電路圖［如圖4（甲）所示］，并利用等效法進(jìn)行點(diǎn)撥：將6個(gè)同型號(hào)的小燈泡并聯(lián)電路看成一個(gè)整體，等效成一個(gè)電阻為R總.那么，整個(gè)模擬電路可以看成長(zhǎng)途輸電線R線和家庭總負(fù)載R總相串聯(lián)的簡(jiǎn)單電路［如圖4（乙）所示］.

圖4 家庭電路實(shí)物模型的電路圖

在一切準(zhǔn)備就緒的情況下，師生共同開展實(shí)驗(yàn)探究，依次改變電路中測(cè)量用電器連接數(shù)目的多少，通過(guò)記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算出每一盞燈泡的實(shí)際功率的變化，得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

（1）只閉合開關(guān)S，電流表示數(shù)為0，電壓表示數(shù)為6 V，再依次閉合S1、S2、…S6，分別讀出各自對(duì)應(yīng)的電流表和對(duì)應(yīng)的電壓表示數(shù)（如表1所示）.（2）根據(jù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式R＝計(jì)算出各自對(duì)應(yīng)“家庭電路”中所有用電器的總電阻R總，再利用P＝UI算出各種情況下電路中對(duì)應(yīng)的每一盞燈泡的實(shí)際功率P實(shí).

表1 依次閉合開關(guān)時(shí)電流表和電壓表的示數(shù)以及電阻和實(shí)際功率數(shù)據(jù)

至此，我們可以得出結(jié)論并分析評(píng)估，由于并聯(lián)導(dǎo)體（小燈泡）的電阻隨著并聯(lián)導(dǎo)體數(shù)目的增加其電阻會(huì)越小的道理，發(fā)現(xiàn)家庭電路內(nèi)部的總電阻隨著工作的用電器數(shù)目的增加而減小，家庭電路內(nèi)部的實(shí)際電壓是減小的，每一盞燈泡上的電流也是減小的（忽略燈泡電阻隨溫度的變化而變化因素），家庭電路總電流在增大.當(dāng)6只燈泡同時(shí)接通時(shí)，長(zhǎng)途輸電線的電壓由U＝IR得出，輸電線上分得電壓是最大的，家庭電路內(nèi)部分得電壓最小.

由遷移理論可知，在實(shí)際生活中，當(dāng)傍晚時(shí)分，通常家庭電路中用電器都處于工作狀態(tài)，每家每戶的進(jìn)戶線電流達(dá)到最大值，長(zhǎng)途輸電線上的電流也是迅速增大，而變壓器輸出總電壓不變，輸電線分得電壓會(huì)劇增，導(dǎo)致家庭電路的電壓明顯低于額定電壓220 V，家用電器實(shí)際功率低于額定功率也就不足為奇；反之，深夜時(shí)刻，家用電器使用數(shù)量銳減，家用電器上的實(shí)際電壓偏高，家用電器實(shí)際功率高于額定功率.我們?cè)诰唧w的情境設(shè)置中巧妙構(gòu)建適當(dāng)模型進(jìn)行深入分析，終于弄懂“傍晚時(shí)燈泡較暗，深夜時(shí)燈泡較亮”的物理道理.可能有人會(huì)說(shuō)用定值電阻來(lái)模擬家庭電路，筆者感覺不妥，用小燈泡來(lái)實(shí)驗(yàn)就是方便學(xué)生在探究過(guò)程中能“可視化”燈泡亮度變化的整個(gè)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)效果直觀，現(xiàn)象明顯且有很強(qiáng)的視覺沖擊力.通過(guò)實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明了物理模型建構(gòu)的過(guò)程就是在研究物理問(wèn)題的時(shí)候要突出研究對(duì)象的主要因素，忽略次要因素的高階思維過(guò)程，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的重要路徑.［3］

3.3 應(yīng)用“杠桿的平衡條件解決實(shí)際問(wèn)題”，促進(jìn)學(xué)生物理建模能力的提升

問(wèn)題3：（1）如圖5（甲）所示，一質(zhì)量分布均勻的細(xì)直杠桿（忽略厚度和寬度，長(zhǎng)度不可忽略）用細(xì)線將其從中點(diǎn)懸起，能在水平位置平衡.將它繞懸點(diǎn)在豎直面內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后放手［如圖5（乙）］，請(qǐng)作出該杠桿支點(diǎn)兩邊所受動(dòng)力和阻力并作出其力臂，且利用杠桿平衡條件推導(dǎo)證明在該位置杠桿仍能平衡.

（2）如圖5（丙）所示，一質(zhì)量分布均勻的長(zhǎng)方形木板（忽略厚度，長(zhǎng)度和寬度都不可忽略）仍然從木板的中點(diǎn)懸掛起來(lái)，按照（1）中的要求緩慢轉(zhuǎn)過(guò)一定角度［如圖5（丁）］放手后，長(zhǎng)方形木板還能在該位置平衡嗎？寫出判斷的依據(jù).

圖5

這是一道典型的原始物理問(wèn)題，整個(gè)過(guò)程中只有描述物理現(xiàn)象的語(yǔ)言，物理原理和物理量相關(guān)內(nèi)容只字未提，該題是在抽象出杠桿平衡條件的基礎(chǔ)上重點(diǎn)考查學(xué)生的杠桿模型建構(gòu)能力，要求學(xué)生能夠整合關(guān)聯(lián)知識(shí)，應(yīng)用物理原理進(jìn)行賦值推演，得出結(jié)論，來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題.學(xué)生分析可得第（1）題中忽略杠桿的厚度和寬度次要因素，只考慮杠桿的長(zhǎng)度因素，由于其質(zhì)量均勻，我們從支點(diǎn)處將杠桿分為等長(zhǎng)的兩部分，兩部分重心到支點(diǎn)的長(zhǎng)度相等，重力方向與水平杠桿垂直，兩邊的力臂就等于重心到支點(diǎn)的長(zhǎng)度，圖5（甲）中有OA＝OA′，再根據(jù)杠桿平衡條件得G·OA＝G·OA′，杠桿滿足平衡條件；再將杠桿緩慢轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，在圖5（乙）中分別畫出杠桿左右部分受到的重力的示意圖和力臂的大小，由圖5（乙）知在AOB和A′OB′中，因?yàn)镺A＝OA′，∠AOB＝∠A′OB′，AB⊥OB，A′B′⊥OB′，由三角形全等條件可以得出△AOB≌△A′OB′，則有OB＝OB′.這時(shí)也有G·OB＝G·OB′，因此此時(shí)杠桿仍然可以保持平衡.

在第（2）題中忽略厚度，但長(zhǎng)度和寬度都不可忽略，我們可以建立平面杠桿模型.由于長(zhǎng)方形木板是對(duì)稱圖形，對(duì)于圖5（丙）圖中有L1＝L2，則根據(jù)杠桿平衡條件有G·L1＝G·L2；將杠桿緩慢轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，此時(shí)杠桿兩邊重力的力臂發(fā)生了變化［如圖5（丁）所示］，杠桿左邊的力臂為OB一定小于木板中心O′到左邊部分重力作用點(diǎn)A的距離O′A，即OB＜O′A；同理發(fā)現(xiàn)，在直角三角形OO′A′中，木板中心O′到其右邊部分杠桿重力的作用點(diǎn)A′的距離O′A′小于杠桿右邊部分重力的力臂OB′，即O′A′＜OB′，又有O′A＝O′A′，即OB＜OB′，則有G·OB＜G·OB′.此時(shí)，放手后的杠桿不能保持平衡，故仍會(huì)回轉(zhuǎn)到放手前的水平位置才能保持平衡狀態(tài).

當(dāng)然，第（2）題也可以運(yùn)用二力平衡模型進(jìn)行推理判斷，由于質(zhì)量均勻的木板的重心在其幾何重心O′（長(zhǎng)方形對(duì)角線的交點(diǎn)），顯然在水平位置時(shí)木板受到的重力和繩子向上的拉力滿足二力平衡條件，木板能保持水平平衡.當(dāng)用力使木板緩慢轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，木板受到的繩子拉力和重力的作用線“不共線”了［如圖5（戊）］，不滿足二力平衡條件而成為一對(duì)非平衡力，故木板一定會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)而不能保持平衡狀態(tài).同理，第（1）題中的杠桿忽略了厚度和寬度而只考慮其長(zhǎng)度，所以無(wú)論杠桿是否繞支點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其重心始終位于支點(diǎn)的正下方，杠桿仍然受到豎直向上的繩子拉力和豎直向下的重力作用，二力始終“共線”且滿足二力平衡的條件，故杠桿仍能保持平衡狀態(tài).

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家實(shí)施“雙減”政策，實(shí)際上是為了重建良好的教育生態(tài)，回歸學(xué)校教育應(yīng)有的狀態(tài)與功能，也是對(duì)過(guò)去“知識(shí)核心時(shí)代”以紙筆式傳統(tǒng)習(xí)題低檔次、重復(fù)式、機(jī)械性訓(xùn)練行為的一種糾偏.在聚焦“核心素養(yǎng)”時(shí)代的原始物理問(wèn)題教學(xué)過(guò)程中，要注重將“物理知識(shí)問(wèn)題化、物理問(wèn)題情境化、問(wèn)題情境生活化”；要凸顯培養(yǎng)物理模型建構(gòu)的能力；要樹立正確的學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)質(zhì)量觀；要注重從自然現(xiàn)象中抽象出物理原始問(wèn)題并對(duì)其進(jìn)行分析推理論證，發(fā)現(xiàn)物理問(wèn)題的隱性本質(zhì).