真實(shí)情境為載體的試題命制分析與教學(xué)啟示*

王理想

(海南省教育研究培訓(xùn)院 海南 海口 571100)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》指出考試試題要反映物理學(xué)科本質(zhì),密切聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際;注重以核心物理概念、規(guī)律、思想和方法等內(nèi)容設(shè)計(jì)試題,考查知識(shí)內(nèi)容應(yīng)具有代表性,要反映物理學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和基本規(guī)律[1].

2022年高考是在《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》理念指引下、新課程標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)繩約束下的高考命題,試題體現(xiàn)新課程、新教材的思想理念.探尋部分試題特點(diǎn)與命題規(guī)律對(duì)物理教學(xué)、備考指導(dǎo)具有極其重要的意義.《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》明確高考的考查內(nèi)容和考查要求的同時(shí),還明確了高考的考查載體——真實(shí)的問(wèn)題情境,以此承載考查內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)考查要求,實(shí)現(xiàn)立德樹(shù)人核心功能.

真實(shí)的問(wèn)題情境主旨生活實(shí)踐情境,此類試題要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)靈活地解釋生活現(xiàn)象, 通過(guò)選取體現(xiàn)文化、科技等適宜的素材問(wèn)題情境,發(fā)揮試題核心價(jià)值的引領(lǐng)作用,讓學(xué)生運(yùn)用必備知識(shí)和關(guān)鍵能力去解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中展現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)水平.以拱券結(jié)構(gòu)橋梁模型、智能手機(jī)測(cè)加速度隨時(shí)間變化兩道試題為例分析以真實(shí)情境為載體的試題命制及其教學(xué)啟示.

1 拱券結(jié)構(gòu)橋梁模型試題

【例題1】拱券結(jié)構(gòu)的趙州橋展示了我國(guó)古代人民的智慧和高超的造橋技術(shù).作為一個(gè)簡(jiǎn)化模型用6塊形狀相同的楔形塊搭建成半圓形拱券結(jié)構(gòu)橋梁模型如圖1所示.1號(hào)與6號(hào)楔形塊固定在水平面上,3號(hào)與4號(hào)、2號(hào)與5號(hào)楔形塊的質(zhì)量分別相同.若不計(jì)楔形塊之間的摩擦力,當(dāng)橋梁模型穩(wěn)定時(shí),3號(hào)與2號(hào)楔形塊的質(zhì)量之比為多少?

圖1 拱券結(jié)構(gòu)

試題以生產(chǎn)生活中的具體實(shí)例為背景設(shè)置情境結(jié)合型命題立意.生活實(shí)踐情境具有真實(shí)性、問(wèn)題設(shè)置具有探究性、開(kāi)放性,體現(xiàn)了中國(guó)古代科學(xué)技術(shù)上的巨大成就,彰顯文化自信.如圖2所示,趙州橋是世界上現(xiàn)存年代久遠(yuǎn)、跨度最大、保存最完整的單孔坦弧敞肩石拱橋,其建造工藝獨(dú)特,設(shè)計(jì)施工符合力學(xué)原理,圓弧拱形式結(jié)構(gòu)合理,由拱券沿寬度方向并列組合在一起.如圖1所示,整體分析,楔形塊的全部重力都分解到對(duì)橋墩的壓力;對(duì)1號(hào)楔形塊分析可知水平方向受到指向內(nèi)側(cè)的摩擦力.所以,拱橋能承受很大的壓力而不垮塌[2].

圖2 趙州橋

試題通過(guò)學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜現(xiàn)實(shí)情境,參與相應(yīng)的分析解決問(wèn)題中的外在表現(xiàn)來(lái)考查學(xué)科素養(yǎng).考查學(xué)生必備知識(shí):能對(duì)物體進(jìn)行受力分析,會(huì)用共點(diǎn)力的平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問(wèn)題;考查關(guān)鍵能力:理解能力、模型建構(gòu)能力、推理論證能力.通過(guò)模型建構(gòu),利用整體與隔離法分析推理,應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的過(guò)程中,建立運(yùn)動(dòng)與相互作用觀,提升科學(xué)思維能力,形成科學(xué)的態(tài)度與責(zé)任[3].

1.1 試題解析

試題中拱券結(jié)構(gòu)模型作了理想化處理,不計(jì)摩擦力,每個(gè)楔形塊對(duì)應(yīng)圓心角θ=30°.設(shè)3號(hào)、2號(hào)楔形塊質(zhì)量分別為m1、m2,3號(hào)受到2號(hào)、4號(hào)楔形塊作用力大小分別為F1、F,2號(hào)受到1號(hào)楔形塊作用力大小為F2.隔離3號(hào)楔形塊受力分析如圖3所示;2號(hào)、3號(hào)楔形塊整體受力分析如圖4所示.

圖3 3號(hào)楔形塊受力分析

圖4 2號(hào)、3號(hào)楔形塊整體受力分析

由共點(diǎn)力平衡知識(shí)得出

m1g=Ftanθ

(1)

(m1+m2)g=Ftan 2θ

(2)

由式(1)與式(2)聯(lián)立解得

1.2 試題拓展分析

把圖3與圖4放在一起如圖5所示,可以得出,從過(guò)圓心的豎直方向逆時(shí)針每轉(zhuǎn)一個(gè)楔形塊,角度增加一個(gè)θ.

圖5 圖3與圖4疊加

由共點(diǎn)力平衡知識(shí)得出

(3)

式(3)變形得

分析1:如果m1與m2比值大于k,即圖1中2號(hào)與5號(hào)楔形塊質(zhì)量小了,2號(hào)、5號(hào)兩楔形塊被向外側(cè)擠出,3號(hào)、4號(hào)兩楔形塊向內(nèi)側(cè)凹陷,橋梁模型坍塌.

分析2:如果m1與m2比值小于k,即圖1中2號(hào)與5號(hào)楔形塊質(zhì)量大了,試題中2號(hào)、5號(hào)兩楔形塊被擠壓向內(nèi)側(cè)凹陷,3號(hào)、4號(hào)兩楔形塊向外側(cè)擠出,橋梁模型坍塌.

分析3:合理外推出,橋梁模型由8塊形狀相同的楔形塊組成如圖6所示,左右兩側(cè)關(guān)于過(guò)圓心的豎直方向?qū)ΨQ楔形塊的質(zhì)量相等.設(shè)2號(hào)、 3號(hào)、 4號(hào)楔形塊的質(zhì)量分別為m2、m3、m4,其中θ=22.5°.

圖6 拱券結(jié)構(gòu)

當(dāng)橋梁模型穩(wěn)定時(shí),由共點(diǎn)力平衡知識(shí)得出

(4)

(5)

由式(4)與式(5)聯(lián)立解得3個(gè)楔形塊的質(zhì)量之比.

同理可以類推出,由更多偶數(shù)塊楔形塊組成的穩(wěn)定的拱券結(jié)構(gòu)橋梁模型對(duì)應(yīng)楔形塊的質(zhì)量之比.如果由奇數(shù)塊楔形塊組成的穩(wěn)定的拱券結(jié)構(gòu)橋梁模型,可以把楔形塊分成兩塊變成偶數(shù)塊處理即可.

2 智能手機(jī)測(cè)加速度隨時(shí)間變化試題

【例題2】某同學(xué)從5樓乘坐電梯下降到1樓,在此過(guò)程中他利用手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器測(cè)得電梯運(yùn)行的加速度a隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖7所示,則( )

圖7 加速度隨時(shí)間的變化關(guān)系

A.t=1 s 時(shí)該同學(xué)處于失重狀態(tài)

B.t=10 s 時(shí)該同學(xué)處于失重狀態(tài)

C.此過(guò)程中電梯運(yùn)行的最大速度約為0.56 m/s

D.此過(guò)程中電梯運(yùn)行的最大速度約為1.8 m/s

試題以智能手機(jī)測(cè)電梯運(yùn)行加速度隨時(shí)間變化為背景設(shè)置情境嵌入型命題立意.學(xué)生要在真實(shí)的物理情境圖像中提取信息,結(jié)合已有的物理知識(shí)進(jìn)行信息加工.

試題通過(guò)現(xiàn)實(shí)情境與學(xué)生在分析解決問(wèn)題中考查了學(xué)生的物理觀念及科學(xué)思維能力.考查學(xué)生必備知識(shí):勻變速直線運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系,a-t圖像中面積的物理意義,超重與失重的條件;考查關(guān)鍵能力:理解能力、模型建構(gòu)能力、推理論證能力.通過(guò)智能手機(jī)把實(shí)際的生活情景轉(zhuǎn)換為物理圖像,解決問(wèn)題過(guò)程中建立運(yùn)動(dòng)與相互作用觀,提升科學(xué)思維能力.

2.1 試題解析

結(jié)合生活常識(shí),電梯從5樓下降到1樓過(guò)程中,速度先增大、幾乎不變、后減小.結(jié)合圖像加速度先向下增大、幾乎不變、向下減小,中間段幾乎為零,加速度后向上增大、幾乎不變、向上減小.加速度方向向下某同學(xué)處于失重狀態(tài),加速度方向向上某同學(xué)處于超重狀態(tài),選項(xiàng)A正確;縱軸物理量為加速度,加速度最大值約為0.56 m/s2,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;由v=at知圖像的面積表示速度變化量,估算出電梯運(yùn)行的最大速度約為 1.8 m/s,選項(xiàng)D正確.

2.2 試題拓展分析

試題的開(kāi)放性很大,可設(shè)置的物理問(wèn)題很多,比如圖像的呈現(xiàn)可以為速度-時(shí)間圖像;結(jié)合某同學(xué)的體重估算與電梯間的相互作用力的最大值與最小值;還可考查學(xué)生能量的觀念,如動(dòng)能、重力勢(shì)能的知識(shí)點(diǎn).

3 試題命制與教學(xué)啟示

3.1 試題命制情境化

情境化試題綜合基本的概念與規(guī)律、圖像考查要求為主導(dǎo),呈現(xiàn)出兼具“基礎(chǔ)性”“綜合性”“應(yīng)用性”“創(chuàng)新性”的考查發(fā)展趨勢(shì),因此試題的設(shè)置要以真實(shí)的情境為背景立意命制,抓住情境的主要因素,科學(xué)建立模型,促使學(xué)生依據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)引發(fā)思考、聚焦問(wèn)題,分析問(wèn)題和解決問(wèn)題.解決問(wèn)題的過(guò)程是學(xué)生在不同的復(fù)雜場(chǎng)景中靈活遷移所學(xué)的知識(shí),創(chuàng)造性地解決問(wèn)題,也是學(xué)生科學(xué)思維與能力展現(xiàn)與提升的過(guò)程.這些較高創(chuàng)造性思維與能力要求在學(xué)業(yè)等級(jí)性考試中已經(jīng)體現(xiàn)了,并會(huì)不斷強(qiáng)化.這些思維與能力的培養(yǎng)只靠“刷題”是培養(yǎng)不出來(lái)的,因此教學(xué)中一定要回歸教育的本源,回歸物理學(xué)的本質(zhì)[4].

3.2 課堂教學(xué)基于情境設(shè)置問(wèn)題

新課程理念下課堂由以傳授知識(shí)為單一目標(biāo),轉(zhuǎn)變?yōu)橐P(guān)注學(xué)生全面發(fā)展,落實(shí)立德樹(shù)人教育的根本任務(wù),所以在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過(guò)程中重視情境的創(chuàng)設(shè).物理概念的建立和規(guī)律的探究形成結(jié)論均需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境.結(jié)合新課程標(biāo)準(zhǔn),用好教材,結(jié)合教材中問(wèn)題欄目科學(xué)施教,科學(xué)設(shè)置圍繞完成教學(xué)目標(biāo),緊密結(jié)合我們國(guó)家的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的成果、生產(chǎn)生活、體育運(yùn)動(dòng)、自然環(huán)境保護(hù)等具體實(shí)例為背景的問(wèn)題,促進(jìn)物理概念的建立、規(guī)律的形成,應(yīng)用概念、規(guī)律解決具體的實(shí)際情境問(wèn)題,促進(jìn)形成物理學(xué)科素養(yǎng).

3.3 復(fù)習(xí)課以解決情境問(wèn)題為例展開(kāi)教學(xué)

在復(fù)習(xí)課中要聯(lián)系問(wèn)題情境,進(jìn)行習(xí)題教學(xué),科學(xué)高效提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力.精心選擇好、用好高考試題,試題講解過(guò)程中深挖試題的命題立意,從必備知識(shí)、關(guān)鍵能力方面分析試題,結(jié)合學(xué)情對(duì)高試題進(jìn)行針對(duì)性地改編與創(chuàng)新設(shè)計(jì),基于試題相同的情境下,呈現(xiàn)出不同的設(shè)問(wèn)方式及擴(kuò)大知識(shí)的考查面,通過(guò)一題多解、多題一解的變式訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)與能力的整合、遷移應(yīng)用的綜合能力等,以此提升學(xué)生對(duì)基本知識(shí)、基本概念和規(guī)律理解和掌握,助力學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的提升[5].

物理知識(shí)及方法的教學(xué)要基于真實(shí)的情境為引領(lǐng),緊貼課堂教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生已有的知識(shí)為鋪墊,以針對(duì)性地設(shè)置問(wèn)題為驅(qū)動(dòng),開(kāi)展科學(xué)的探究活動(dòng)為載體進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng).讓學(xué)生了解知識(shí)產(chǎn)生的過(guò)程及背景,設(shè)置與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)緊密聯(lián)系的問(wèn)題并自主地解決問(wèn)題,理解了所學(xué)的知識(shí)內(nèi)容及物理學(xué)科思想方法,才能真正培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力,實(shí)現(xiàn)知識(shí)向素養(yǎng)的轉(zhuǎn)變.