素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理命題策略

劉霽華

(常州市教育科學(xué)研究院,江蘇 常州 213016)

新高考要求從傳統(tǒng)的“知識立意”“能力立意”評價向“價值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識為基”[1]的綜合評價轉(zhuǎn)變.這是新課標(biāo)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)要求在高考評價中的體現(xiàn),而這種轉(zhuǎn)變不僅要落實在物理課堂中,也要落實在物理命題中.那么在物理命題中我們?nèi)绾巍八仞B(yǎng)導(dǎo)向”?如何在“知識為基”的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)科思維品質(zhì)的評價?本文結(jié)合自主命題實踐中的案例,提出素養(yǎng)導(dǎo)向下物理命題的策略方法,供各位同行參考.

1 素養(yǎng)導(dǎo)向的試題特征

素養(yǎng)本質(zhì)上是人在新的不確定性復(fù)雜情境中解決問題的能力,涉及邏輯思維、分析綜合、推理演繹等高階思維能力.因此素養(yǎng)導(dǎo)向的試題應(yīng)該表現(xiàn)為：能夠打破通過重復(fù)操練獲得的所謂“直覺經(jīng)驗”,構(gòu)建真實的思維加工過程,這種加工過程是建立在理解基礎(chǔ)上的、具有遷移性、創(chuàng)新性,而不是簡單的記憶性.另外素養(yǎng)導(dǎo)向的試題不是通過復(fù)雜推算或復(fù)雜過程去實現(xiàn)素養(yǎng)評價的,試題應(yīng)該評價的是學(xué)習(xí)者思維的靈活性、批判性、創(chuàng)新性以及理解的深刻性,因此試題應(yīng)該是簡潔的、創(chuàng)設(shè)的問題是變式的、基于的情境是新穎的、分析與解答的過程是方法性的,體現(xiàn)出非記憶性的“理性批判”的問題解決過程.[2]

2 素養(yǎng)導(dǎo)向的命題策略

2.1 情境變換

物理問題總是在一定的情境下呈現(xiàn)出來的,但是由于學(xué)習(xí)過程學(xué)生已經(jīng)接觸了大量的情境,一旦試題所包含的情境是常見的,則考試過程就不具備信息加工過程,所以命題必須構(gòu)建一個新的情境,而這種情境下所包含物理現(xiàn)象必須是學(xué)生所學(xué)知識可遷移可解決的.情境變換是物理命題的基本策略,也是統(tǒng)領(lǐng)性的策略.

圖1

案例1.2021年7月4日航天員劉伯明、湯洪波身著中國自主研制的新一代“飛天”艙外航天服,先后從天和核心艙節(jié)點艙成功出艙,在機械臂支持下,相互配合開展空間站艙外有關(guān)設(shè)備組裝等作業(yè)．如圖1所示,站在機械臂上的宇航員

(A) 對地速度為0.

(B) 對地加速度為0.

(C) 處于二力平衡狀態(tài).

(D) 處于完全失重狀態(tài).

在日常教學(xué)中常用宇航員在太空艙里的“漂浮”狀態(tài)來說明“失重”現(xiàn)象,對學(xué)生來說已經(jīng)很熟悉,學(xué)生在這一情景下的問題解決多半是依據(jù)熟記的“經(jīng)驗”.如果采用這一學(xué)生熟悉的情境,想象、建模、理解、推理等高階思維能力和品質(zhì)就難以發(fā)生,也就難以實現(xiàn)對學(xué)生的核心素養(yǎng)進行有效評價.本題利用宇航員“站在”機械臂上進行艙外作業(yè)這一我國航天事業(yè)的最新成果作為新情境,對學(xué)生原有的熟悉情境進行變換,學(xué)生需要重新思考與新情境相關(guān)的物理規(guī)律、物理原理,開展聯(lián)想、建模、分析、判斷等科學(xué)思維過程,才能實現(xiàn)問題的解決.考查的結(jié)果也是意想不到的,只有不到1/3的學(xué)生選擇正確答案(D),而有大約一半的人選擇(C)答案,顯然學(xué)生對“失重”和“平衡”的知識可能都是理解的,但是在新情境下他們卻對問題分析所基于的原理搞不清,反映了他們強于用通過“記憶”形成的慣性思維去解決問題,真實的推理判斷等理性思辨的品質(zhì)與能力不足.因此通過情境變換,鑒別了學(xué)生解決問題的過程是基于“直覺經(jīng)驗”還是“理性批判”,從而實現(xiàn)了素養(yǎng)評價的目的.

情境變換實現(xiàn)素養(yǎng)評價的命題策略,要求的情境必須簡明清晰,對應(yīng)的原理或過程準(zhǔn)確.因此情境變換,不是通過使問題復(fù)雜化或增加難度來實現(xiàn)素養(yǎng)評價的.

圖2

案例2.某個興趣小組為了研究圓柱體鐵芯的渦流熱功率,構(gòu)建了如圖2所示的分析模型：電阻率為ρ的硅鋼薄片繞成一個內(nèi)徑為r、高度為h的圓柱面,其厚度d?r．平行于圓柱面軸線方向存在磁感應(yīng)強度B(t)=Bmsinωt隨時間變化的磁場．求此硅鋼薄片中：

(1) 感應(yīng)電動勢的有效值E;

(2) 發(fā)熱功率P.

本題就是將學(xué)生常見的圓環(huán)回路情境轉(zhuǎn)變?yōu)閳A筒回路情境,試題的解法過程其實兩者沒有任何變化,考查的是學(xué)生對學(xué)科本質(zhì)的理解,模型的建構(gòu).比如法拉第電磁感應(yīng)定律是否適用、該圓筒的電路模型,回路的電阻等.所以情境轉(zhuǎn)變的目的不是使過程和運算復(fù)雜化.

2.2 設(shè)計應(yīng)用

學(xué)生使用過的一些儀器包含了很多物理原理,要讓學(xué)生在考場上針對這些儀器的某一原理提出自己的設(shè)計方案,考查他們調(diào)動自己所學(xué)的原理、方法加以運用的能力,從而實現(xiàn)對他們在所學(xué)基礎(chǔ)知識的狀況及聯(lián)系想象等思維品質(zhì)的評價.通過原理設(shè)計應(yīng)用,將所學(xué)原理轉(zhuǎn)化為真實“物品”的過程,是人腦的聯(lián)系與發(fā)展過程,是創(chuàng)新能力的重要表現(xiàn),無疑是人的素養(yǎng)的最有價值的方面.

圖3

案例3.磁傳感器是將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膬x器．如圖3所示,將探頭放在磁場中,可以很方便地測量磁場的強弱和方向．探頭內(nèi)可能是

(A) 感應(yīng)線圈. (B) 熱敏電阻.

(C) 霍爾元件. (D) 干簧管.

本題的情境來自于課本中探測磁感應(yīng)強度的傳感器,很多學(xué)生在學(xué)習(xí)中都使用過這類儀器,但這個儀器內(nèi)部將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栮P(guān)鍵部件是什么呢?課本沒有講,所以這個問題實質(zhì)上是評價學(xué)生能否調(diào)動自身已有的知識與技能,通過分析推理,設(shè)計一個可以探測磁場強弱和方向的儀器.這里考查的不僅僅是知識的遷移,更重要的是學(xué)生能否運用所學(xué)知識解決真實的實際問題.這類題目中由于問題和知識之間并沒有給定的關(guān)系,所以學(xué)生對所學(xué)知識的綜合運用素養(yǎng)就得到了評價.本題的考查結(jié)果是大部分學(xué)生錯選(A)選項,考后在講評這道題之前,筆者與學(xué)生進行的交流中,學(xué)生普遍都說沒有學(xué)過這種儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理,但再問學(xué)生這4個選項的物理元器件及其原理他們都說是學(xué)過的.所以導(dǎo)致他們沒有選擇正確答案(C)的原因應(yīng)該是學(xué)生大多希望從記憶中尋找答案,頭腦中的知識大多是孤立的.

通過原理設(shè)計應(yīng)用的命題策略,一定要重視原理在設(shè)計中的科學(xué)性、合理性,簡單性、有效性.這種試題所體現(xiàn)的設(shè)計的“物品”可能學(xué)生是見過但不知其原理,或者是沒有見過,但其原理都在學(xué)生所學(xué)范圍且可分析推理得到.

案例4.零刻度在表盤正中間的平臥電流計,非常靈敏,通入電流后,線圈所受安培力和螺旋彈簧的彈力作用達到平衡時,指針在示數(shù)附近的反復(fù)擺動很難停下,使讀數(shù)變得困難．在指針轉(zhuǎn)軸上裝上可與指針一起轉(zhuǎn)動的扇形鋁框或扇形鋁板,在合適區(qū)域加上固定的磁場,可以解決此困難．圖4中方案合理的是

本題來源于臥式精密電流表的電磁阻尼原理.學(xué)生要想正確回答,不僅要理解渦流產(chǎn)生的原理,而且還要有滿足題目提出的設(shè)計要求.從考查的結(jié)果看,盡管學(xué)生知道本題是電磁阻尼原理的運用,但有的對渦流產(chǎn)生的原理認識不清,例如錯誤地認為置于鋁板正中的磁場不可能產(chǎn)生渦流,導(dǎo)致沒有選擇正確答案(D).本題的教學(xué)中,還可以要求學(xué)生回答零刻度在表盤左側(cè),如何放置磁場,選項(B)中如果將磁場放置到鋁框下邊界處是否可以等問題.

2.3 構(gòu)建模型

理想化模型,是物理學(xué)的最重要思想方法,但是在物理命題中,如果我們都是按照理想狀況去命題,則最多考查的是對學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握情況,很難考查學(xué)生的理性批判能力、構(gòu)建模型能力、遷移創(chuàng)新能力.要想實現(xiàn)對這些必備素養(yǎng)的考查,就要在命題中適度遠離一些標(biāo)準(zhǔn)的模型,這樣才能考查學(xué)生建模、推理、論證等科學(xué)思維能力.

案例5.一根柔軟質(zhì)地完全均勻的纜繩懸在向右水平勻速飛行的直升機下方,空氣對纜繩的阻力不可忽略．圖5中顯示纜繩形狀的示意圖正確的是

如果考一個小球用輕繩懸掛在直升飛機下,對于理想模型,學(xué)生很容易上手.但對于一根計質(zhì)量的繩,則要求學(xué)生必須進行模型建構(gòu)并結(jié)合微元思想,把長繩建模為一串“珠子”,才能得到正確答案(C).從考試的結(jié)果看,由于難以在記憶中尋找到合適的模型,猜測答案的人很多,所以錯選(B)(D)的人很多.建模能力是建立在對原理的理解力和對物理方法運用的創(chuàng)造力的基礎(chǔ)上的,上述案例2也是同樣的命題策略.

上述兩題的建模是對靜態(tài)對象的建模,有些問題是需要在過程中建模的,也就是說最終模型要從過程中來.

案例6.在光滑桌面上將長為πL的軟導(dǎo)線兩端固定,固定點的距離為2L,導(dǎo)線通有電流I,處于磁感應(yīng)強度大小為B、方向豎直向下的勻強磁場中,導(dǎo)線中的張力為

(A)BIL.(B) 2BIL.

(C) πBIL.(D) 2πBIL.

本題只提到柔軟導(dǎo)線的長度和兩端點的距離,并沒有為學(xué)生規(guī)定好導(dǎo)線的最終形狀,所以學(xué)生必須經(jīng)過受力分析,對柔軟導(dǎo)線進行推理加工,建構(gòu)得到如圖6所示的情境模型,最終才能得到正確答案(A).這顯然比直接給出模型更加能展示學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的情況.

2.4 變式遷移

將所學(xué)知識能夠遷移到新的情境中并進行創(chuàng)新運用,是科學(xué)思維的重要表現(xiàn).這種遷移一般不是簡單的數(shù)據(jù)變化,而是要體現(xiàn)出解決問題的方法上的變化,比如從定量遷移到定性,從一維到多維.

圖7

案例7.如圖7所示,電量為Q正電荷均勻地分布在半徑為r的圓環(huán)上．M為圓環(huán)平面內(nèi)點,過圓心O點的x軸垂直于環(huán)面,N為x軸上一點,ON=h．則

(A)M、O兩點場強都為0.

(B)M、O、N3點O點電勢最高.

(D) 過M點以O(shè)點為圓心的圓是一條等勢線.

本題是將等量同種電荷電場的變形為圓環(huán)型電荷的電場.要解決此問題,不僅要掌握等量同種電荷電場的相關(guān)結(jié)論,而且還要通過疊加思想,將等量同種電荷電場轉(zhuǎn)變?yōu)閳A環(huán)型電場.這樣無法通過定量計算解決的問題,可以通過類比遷移定性解決圓環(huán)型電場的問題,有了疊加思想,很容易得到正確答案(D).變式遷移的命題策略,體現(xiàn)了物理學(xué)的聯(lián)系與發(fā)展理念,一起創(chuàng)新都是有前提的,聯(lián)系與發(fā)展是創(chuàng)新能力的內(nèi)核.

案例8.如圖8所示,用強磁場將百萬度高溫的等離子體(等量的正離子和電子)約束在特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)受控核聚變的裝置叫托克馬克．我國托克馬克裝置在世界上首次實現(xiàn)了穩(wěn)定運行100 s的成績．多個磁場才能實現(xiàn)磁約束,其中之一叫縱向場,圖9為其橫截面的示意圖,越靠管的右側(cè)磁場越強．盡管等離子體在該截面上運動的曲率半徑遠小于管的截面半徑,但如果只有縱向場,帶電粒子還會逐步向管壁“漂移”,導(dǎo)致約束失敗．不計粒子重力．下列說法正確的是

圖8

圖9

(A) 正離子在縱向場中沿逆時針方向運動.

(B) 發(fā)生漂移是因為帶電粒子的速度過大.

(C) 正離子向左側(cè)漂移,電子向右側(cè)漂移.

(D) 正離子向下側(cè)漂移,電子向上側(cè)漂移.

托卡馬克裝置對其中等離子體約束的解法也遠遠超出了中學(xué)范圍,但其中一些設(shè)計的物理原理可以和中學(xué)物理中帶電粒子在勻強磁場中的運動進行類比.本題可以從左右分布的大小不等兩個勻強磁場中帶電粒子的運動規(guī)律進行遷移.這樣可以將原來可以定量研究的問題轉(zhuǎn)變定性分析,得到正確答案(D).

變式遷移問題,能較好地評價學(xué)科對基礎(chǔ)性問題的真實理解情況,以及基于理解所形成的批判性思維和創(chuàng)造性思維的能力.

2.5 展示真實

素養(yǎng)導(dǎo)向的命題不僅要建立在真實的情景基礎(chǔ)上,更要回歸到現(xiàn)實問題的真實的過程和狀態(tài)中.在日常學(xué)習(xí)中,為了便于學(xué)生解答,我們忽略了很多真實的狀態(tài)、真實的過程,但是如果真實的物理效應(yīng)總被忽視,所謂真實的情境也就失去了思維的價值.把這些真實的物理效應(yīng)融入物理命題中,構(gòu)建真實的物理過程、物理狀態(tài),則可以使學(xué)生對常見問題的習(xí)慣化、理想化、簡單化思維被打破,評價學(xué)生解決真實問題的素養(yǎng)情況.

圖10

圖11

本題依據(jù)飛機飛行過程的真實場景開展命題,打破了學(xué)生對于飛機勻速飛行的二力平衡的常態(tài)化思維.體現(xiàn)了物理試題聯(lián)系生活,解決現(xiàn)實問題的應(yīng)有價值.解答如下.

很多科學(xué)儀器中包含很多非理想的真實過程性問題,也是命題的很好素材.

圖12

(2) 以v=v0±Δv的速度從O點射入的離子,其在速度選擇器中所做的運動為一個速度為v0的勻速直線運動和另一個速度為Δv的勻速圓周運動的合運動,感光板上出現(xiàn)3個有一定寬度的感光區(qū)域,試求該速度選擇器極板的最小長度L;

(3) 為能區(qū)分3種離子,試求該速度選擇器的極板間最大間距d．

本題第(1)問是常規(guī)問題,第(2)問則提出了速度選擇器選擇的速度并不唯一,第(3)問則通過解答說明真實的速度選擇器兩板間的距離必須極小的原因.解答如下.

(1)

(2) 3種離子在磁場中做圓周運動周期分別為

(2)

氕在分離器中的最大直徑為

得

(3)

同理,氘的最小直徑為

得

(4)

同理,氘的最大直徑為

(5)

氚最小直徑為

(6)

本題的結(jié)果說明非特定速度的帶電粒子,也有可能通過度選擇器,為了盡可能減小這種速度的波動范圍,速度選擇器的極板間距必須非常小.這種在常見的模型基礎(chǔ)上,把真實的離散情況命入試題中,在考查學(xué)生基礎(chǔ)掌握情況的同時,考查他們的思維應(yīng)變能力和新過程、新問題的分析與解決能力,這種命題方式,是當(dāng)前核心素養(yǎng)評價命題的重要方向.

3 結(jié)語

上述情境變換、設(shè)計應(yīng)用、構(gòu)建模型、變式遷移、展示真實等素養(yǎng)導(dǎo)向的命題策略,在真實的命題中其實都是相互滲透、相互聯(lián)系的.這些案例展示了素養(yǎng)導(dǎo)向的命題,不是通過加大試題的難度或者過程的復(fù)雜程度來實現(xiàn)的,而是要依托基礎(chǔ),在不變中求變化;聯(lián)系實際,在常態(tài)中顯真實,實現(xiàn)了對學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的評價.[3]