指向科學思維培養的中考物理試題研究

摘 要：科學思維是物理學科核心素養的核心，中考非常重視對科學思維素養的考查。文章通過對中考試題平面鏡成像中的動態問題的深度研究，探索培養科學思維的有效策略。

關鍵詞：科學思維；中考；平面鏡成像；深度學習

1 引言

核心素養是課程育人價值的集中體現，是學生通過課程學習逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）規定了物理課程要培養的核心素養，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面。［1］其中科學思維是核心，是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同信息、觀點和結論進行質疑和批判，予以檢驗和修正，進而提出創造性見解的品格與能力。科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。而中考對于義務教育階段學生核心素養的培養在平時教育教學中的落地，發揮著關鍵性的導向作用，并且中考非常重視對科學思維素養的考查，特別是在選拔功能方面。

對中考試題的研究可以很好地反思我們平時的教學，倒逼學科核心素養的培養。下面通過一道中考試題的研究來看一看中考試題對科學思維素養的考查，探索培養科學思維的有效策略。

2 平面鏡成像中的動態、問題分析

2.1 原題呈現

（2020年蘇州中考第26題）用如圖1所示的裝置探究平面鏡成像特點。

（1）組裝器材時，要使玻璃板與水平桌面相互""" 。實驗中選用兩只完全相同的棋子A、B，其目的是比較像與物""" 的關系。

（2）若在棋子A的像的位置上放一光屏，光屏上"" （填“能”或“不能”）呈現出像。

（3）若將玻璃板繞底邊向棋子B一側翻轉90°，則在此過程中，棋子A的像大小變化情況是""" 。棋子A頂端與其像之間的距離變化情況是""""""" 。

答案：（1）垂直 大小 （2）不能 （3）不變

先變大后變小

試題立足于《課程標準》，以實驗探究平面鏡成像特點為載體，對學生的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面的核心素養都進行了很好的考查。題中第（3）問的第二空考查了科學思維素養，是本題的難點所在，筆者從以下幾個方面進行了深度研究與教學過程設計。

2.2 建構模型，實現三維立體空間到平面的轉化

實驗情境如圖1所示，當玻璃板繞底邊向棋子B一側翻轉時，棋子的像不再在桌面上，平面鏡、棋子

及其像所在的平面、紙面是空間立體結構，給問題的解決帶來很大麻煩。排除無關因素的干擾，可先將圖1轉

化為如圖2所示的平面圖像，根據平面鏡成像規律，可作出玻璃板翻轉前棋子A頂端的像A1。其中，O點代表了玻璃板的底邊，AOA1平面與玻璃板、紙面垂直。

2.3 一題多法，拓寬解決問題的思路

方法一：將玻璃板繞底邊向棋子B一側翻轉的過程中，由于棋子A頂端與其像之間的距離是棋子A頂端到平面鏡的距離的兩倍，可以通過棋子A頂端到平面鏡的距離來分析棋子A頂端與其像之間的距離的情況。如圖3所示，①②③分別是玻璃板繞底邊上O點向棋子B一側翻轉過程中的三個位置的情況，此過程中AO連線的長度不發生變化，結合直角三角形知識，可以得出當玻璃板轉至與AO連線垂直時，棋子A頂端到平面鏡的距離最遠。通過比較線段的長短可以更加直觀、清晰、準確地反映出動態變化情況，一般在實際分析中，通常我們會畫出更多的位置，尋找規律和臨界條件。

方法二：在方法一中，除特殊位置②外，當玻璃板翻轉至任一位置時，都可以構造出一個以AO為斜邊的直角三角形，在翻轉過程中棋子A頂端到平面鏡的垂線段與AO的夾角先減小后增大，根據余弦函數的單調性可知，垂線段的長度先增大后減小，當玻璃板轉至與AO連線垂直時，垂線段最長。

方法三：在圖2所示的平面圖景中，結合數學知識可知，A1、A到平面鏡底端O的距離相等，如圖4所示。而且在平面鏡繞O點轉動的過程中像到O點的距離始終等于AO的長度，保持不變。如果以O為圓心、OA長為半徑畫圓，那么平面鏡在繞O點轉動過程中，A頂端的像始終在該圓上，如圖5所示。像與物的連線AA1、AA2、AA3即為圓的弦，當弦的長度恰好是圓的直徑時，棋子A頂點與其像之間的距離最大。通過過圓上A點的弦的長度變化，結合平面鏡轉動的范圍可知，棋子A頂端與其像之間的距離變化情況是先變大后變小。

2.4 一題多變、多題一解，把握問題的本質

2.4.1 變式1

如圖6所示，若將玻璃板以CD邊為轉動軸，向棋子B一側順時針方向旋轉90°，在此過程中，棋子A頂端與其像之間的距離變化情況是""""" 。

解析：當玻璃板以CD邊為轉動軸，向棋子B一側順時針方向旋轉時，棋子的像在桌面上，棋子A頂端及其像所在的平面與紙面平行，設平面與CD邊相交于E點，可以畫出如圖7所示的玻璃板旋轉前的俯視圖。

結合以上中考題的分析，運用不同方法可畫出玻璃板以CD邊為轉動軸，向棋子B一側順時針方向旋轉時俯視圖圖像，如圖8所示。結合玻璃板轉動的范圍可知，棋子A頂端與其像之間的距離變化情況是先變大后變小。

2.4.2 變式2

在變式1中，若可將棋子當作點來處理，棋子A與玻璃板下邊緣的D點連線AD與鏡面的夾角為30°，如圖9所示。若將玻璃板以CD邊為轉動軸，向棋子B一側順時針方向旋轉30°，在此過程中，棋子A與其像之間的距離變化情況是""""" 。

解析：不考慮棋子大小時，將玻璃板以CD邊為轉動軸，向棋子B一側順時針方向旋轉，棋子及其像所在的平面在紙面內，相關俯視圖的畫法與變式1相同，如圖10所示，此過程中棋子A與其像之間的距離一直在增大，未達到最大值。

2.4.3 變式3

在變式2中，若玻璃板以CD邊為轉動軸，向棋子B一側順時針方向旋轉過程中，棋子A與其像之間的距離一直變大，玻璃板旋轉的角度不超過""" 。

解析：結合圖10分析可知，玻璃板在旋轉過程中，棋子A與其像之間的距離先不斷增大，當旋轉角度為60°時距離最遠，此后距離將不斷減小，故玻璃板旋轉的角度不超過60°。

3 結語

科學思維是人類比較系統地、有邏輯性地思考問題的一種高階的思維方式，需要刻意地訓練、培養和強化。［2］中學階段特別是初中學生處于邏輯思維開始居主導地位的年齡階段，是培養科學思維的黃金時期，在教學實踐中要堅持開展深度學習，系統設計學生活動的各個環節，讓學生在生活化的情境中發現問題、親歷物理問題的解決過程、參與物理實驗的設計過程、體驗物理概念的形成過程、探尋物理規律的發展過程，促進對知識的深度理解，把握知識的內在聯系與本質，提升解決問題的能力，發展科學思維，落實學科核心素養的培養。［3］

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：4-5.

［2］李春密，張霄.《義務教育物理課程標準（2022年版）》的變化分析［J］.物理教師，2022，43（6）：35-44.

［3］李春密.深度學習：走向核心素養（學科教學指南·初中物理）［M］.北京：教育科學出版社，2020：60-65.