基于模型建構(gòu)能力發(fā)展的情境性問題鏈作業(yè)設(shè)計

摘 要：模型建構(gòu)作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的要素之一，其建構(gòu)過程離不開情境這一重要載體。情境在教學(xué)活動和習(xí)題設(shè)計中扮演著至關(guān)重要的角色。本文基于對《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中模型建構(gòu)五級水平的認(rèn)識，從學(xué)生建模的復(fù)雜程度和對情境的熟悉程度兩個維度來建構(gòu)物理情境性問題鏈模型，并以“變阻器”為例進(jìn)行作業(yè)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu)；情境性問題鏈；變阻器

模型建構(gòu)作為學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)中的一種重要能力，是科學(xué)教育研究領(lǐng)域的熱點并獲得多國科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的重視。［1］《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中指出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。［2］其中，模型建構(gòu)作為科學(xué)思維的關(guān)鍵要素，對于培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合、抽象、概括等思維方法具有顯著作用。創(chuàng)設(shè)情境作為模型建構(gòu)能力發(fā)展的重要途徑，已受到研究者的關(guān)注。因此，如何有效應(yīng)用情境性問題實現(xiàn)學(xué)生模型建構(gòu)的發(fā)展自然成為當(dāng)前需要解決的重要問題。

1 模型建構(gòu)的五級水平

《課程標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)思維劃分為五個水平層級，本文將其中的模型建構(gòu)能力水平提取出來，得出五級水平（如表1所示）。［3］其中，水平1屬于模型的記憶和理解水平；水平2要求在學(xué)生在熟悉的問題情境中應(yīng)用常見的物理模型；水平3要求學(xué)生在簡單的問題情境中，能夠結(jié)合有關(guān)物理規(guī)律選用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q物理問題；水平4注重在實際問題中，將“對象和過程”轉(zhuǎn)換成物理模型；水平5中的實際問題情境比水平4復(fù)雜，需要學(xué)生將實際問題轉(zhuǎn)換成物理問題，并將物理模型與相關(guān)物理規(guī)律相結(jié)合解決實際問題。

2 物理情境性問題與模型建構(gòu)的五級水平

《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，“試題要注重圍繞生產(chǎn)生活或科技等設(shè)計問題情境，加強對學(xué)生運用基礎(chǔ)知識解決簡單實際問題能力的考查”［4］。《中國高考評價體系》也將情境作為考查的載體。［5］情境作為教學(xué)活動和習(xí)題設(shè)計的重要載體，不應(yīng)只在傳統(tǒng)教學(xué)中碎片化、無序化地進(jìn)行呈現(xiàn)。教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知邏輯并且有目的性、整體性的情境。針對這一問題，有學(xué)者提出創(chuàng)設(shè)階梯式的情境，即圍繞真實問題情境，創(chuàng)設(shè)能夠促進(jìn)模型建構(gòu)能力逐層進(jìn)階，且具有內(nèi)在聯(lián)系的情境性問題鏈。［6］教師通過將某一單元的知識內(nèi)容貫穿其中，幫助學(xué)生形成連貫一致的思維習(xí)慣，養(yǎng)成建模的意識，建立知識體系和物理觀念。教師在選擇情境性問題時應(yīng)基于模型建構(gòu)的五級水平［7］，從學(xué)生建模的復(fù)雜程度和對情境的熟悉程度兩個維度來設(shè)計逐層遞進(jìn)的階梯式情境（如表2所示）。

3 基于模型建構(gòu)能力發(fā)展的物理情境性問題鏈作業(yè)設(shè)計案例——以“變阻器”為例

本文以人教版物理九年級全一冊第十六章第4節(jié)“變阻器”為例，基于模型建構(gòu)能力發(fā)展的物理情境性問題鏈來開展作業(yè)設(shè)計（如表3所示）。教材在該節(jié)中的“動手動腦學(xué)物理”習(xí)題中設(shè)置了一個“測定油箱內(nèi)油量的裝置”的情境。［8］此時，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了串、并聯(lián)相關(guān)概念和規(guī)律，后續(xù)還要學(xué)習(xí)電流、電壓和電阻三者的關(guān)系，以及電功率的概念。

針對這一情況，筆者尋找了“自助餐廳設(shè)置的稱重電子臺秤”“坐位體前屈項目測試儀”“醫(yī)院中輸液呼叫電路”“風(fēng)力測定儀”“水流速度測定儀”等多種學(xué)生熟悉或相對陌生的情境，形成情境鏈，以“變阻器”為載體，將情境融入力學(xué)相關(guān)知識和串、并聯(lián)知識。其中，水平1要求學(xué)生能夠記住和理解串聯(lián)電路模型以及滑動變阻器的原理；水平2要求學(xué)生在熟悉情境中應(yīng)用串聯(lián)電路模型來實現(xiàn)降壓；水平3要求學(xué)生根據(jù)實現(xiàn)不同輸液病人按呼叫器后所在座位號在護士站會亮起的需要，選擇使用串聯(lián)電路還是并聯(lián)電路；水平4和水平5均是基于實際問題建構(gòu)物理模型，兩者的差異主要在對情境的熟悉程度和建構(gòu)模型的復(fù)雜程度上，其中水平5更加開放和具有創(chuàng)新性。

問題1 如圖所示為某自助餐廳設(shè)置的稱重電子臺秤的電路圖，R1為定值電阻，R2為滑動變阻器，電源電壓恒定。秤盤中不放重物時，滑片P位于最上端；秤盤中放重物時，秤盤向下移動并帶動滑動變阻器的滑片P向下滑動。閉合開關(guān)后，電流表示數(shù)如何變化？自助餐廳的稱重電子臺秤水平1：問題1已明確給出具體模型，且為熟悉情境，考查接入電阻增加或減少對電路的影響，整體簡單。學(xué)生只需將所學(xué)知識簡單應(yīng)用即可

問題2 在綜合實踐活動中，小林自制了一個坐位體前屈項目測試儀，原理如圖所示，電源電壓恒為6 V，R1＝30 Ω，電阻絲R2粗細(xì)均勻，總長度為30 cm。閉合開關(guān)，擋板P在B端時，坐位體前屈成績?yōu)?，電流表示數(shù)為0.05A；擋板P在A端時，坐位體前屈成績?yōu)?0 cm。擋板P由B端向A端滑動時，電流表和電壓表示數(shù)如何變化？坐位體前屈項目測試儀水平2：問題2已明確給出具體模型，且為較熟悉情境。學(xué)生只需將模型簡單應(yīng)用到問題2中解決具體問題即可

問題3 "①為確保病人的安全，方便病人呼叫醫(yī)護人員拔針或換藥等，可以將呼叫器安裝在""" （填“某一個”或“每一個”）輸液座位旁。②當(dāng)病人按下呼叫鍵時，他所在的座位號相對應(yīng)的數(shù)字燈""" （填“亮起”或“熄滅”）。③進(jìn)一步思考，如果要設(shè)計滿足以上需求的電路，電路應(yīng)是""" （填“串聯(lián)”或“并聯(lián)”）的。醫(yī)院中輸液呼叫電路水平3：問題3未明確給出具體模型，但為較熟悉情境，且在分析模型前已降低難度（問題①②）。學(xué)生需判斷使用串聯(lián)模型還是并聯(lián)模型

問題4 如圖所示是某同學(xué)設(shè)計的風(fēng)力測定儀，O是轉(zhuǎn)軸，OC是金屬桿，下連受風(fēng)板，AB是一段圓弧形電阻，P點是金屬桿與圓弧形電阻的接觸點，R0是定值電阻。無風(fēng)時，OC豎直，風(fēng)越大，OC桿偏轉(zhuǎn)角度越大。金屬桿OC與弧形電阻AB的組合，相當(dāng)于是""" ，風(fēng)力越大，電流表示數(shù)越""" ，定值電阻R0的作用是""" "。風(fēng)力測定儀水平4：問題4只給出了基本模型，但仍需學(xué)生具體分析風(fēng)力對滑動變阻器的影響。由于情境較為復(fù)雜，學(xué)生需充分理解模型后解決綜合性實際問題

問題5 在2018年的全國中學(xué)生電子設(shè)計大賽上，某團體想設(shè)計一個水流速度測定儀。某同學(xué)結(jié)合課本中所學(xué)串、并聯(lián)知識，預(yù)想將如圖所示電路改編成水流速度測定儀。實驗室有電壓為12V的電源，阻值為8 Ω的定值電阻R0，量程為0～0.6 A的電流表，最大阻值為32 Ω、總長度為8 cm的均勻電阻絲。請用以上材料設(shè)計水流速度測定儀電路圖，并用電流表來顯示水流速度的大小（電路接觸良好且不考慮摩擦），提示：可以使用擋水板來衡量水流速度。水流速度測定儀水平5：問題5未明確給出具體模型，需要學(xué)生自行建構(gòu)模型，情境復(fù)雜。學(xué)生需將生活情境與所學(xué)知識相結(jié)合，解決綜合性實際問題

問題鏈不僅可以從模型建構(gòu)的五級水平進(jìn)行縱向設(shè)計，還可以針對同一個情境，通過增加問題或改變問題情境來建構(gòu)橫向問題鏈。例如，問題1中，除了設(shè)置考查學(xué)生學(xué)習(xí)過的電流表示數(shù)變化的問題外，還可以設(shè)置考查電阻R1和電阻R2的電壓和電功率變化情況的問題；問題4中，可以將“風(fēng)力測定儀”和教材中的“測定油箱內(nèi)油量的裝置”進(jìn)行聯(lián)系，并增加“電子拉力計”等新的情境，以幫助學(xué)生發(fā)展自己的學(xué)習(xí)遷移能力。

4 反思

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。模型建構(gòu)作為科學(xué)思維的重要元素，其培養(yǎng)需要借助情境中實際問題的解決過程；而作業(yè)中的習(xí)題正是為學(xué)生創(chuàng)設(shè)豐富且正式情境的“腳手架”。在設(shè)計促進(jìn)學(xué)生建模能力發(fā)展的習(xí)題時，教師應(yīng)將習(xí)題內(nèi)容情境化，并根據(jù)學(xué)生建模的復(fù)雜程度和對情境的熟悉程度建構(gòu)科學(xué)建模的五級水平。這樣，教師能夠基于五級水平有針對性地設(shè)計橫縱結(jié)合的問題鏈，讓學(xué)生經(jīng)歷認(rèn)識模型、選擇模型、應(yīng)用模型、建構(gòu)模型的過程，從而幫助學(xué)生建立物理觀念、形成科學(xué)思維。

參考文獻(xiàn)

［1］張靜，郭玉英，姚建欣. 論模型與建模在高中物理課程中的重要價值——基于國際物理（科學(xué)）課程文件的比較研究［J］. 物理教師，2014，35（6）：4-5，10．

［2］［3］［4］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］. 北京：人民教育出版社，2020：3-5，46-49，61．

［5］教育部考試中心. 中國高考評價體系［M］. 北京：人民教育出版社，2019：6-8．

［6］馬圓，嚴(yán)文法，宋丹丹.真實情境與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展——基于《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的解讀［J］. 化學(xué)教育（中英文），2019，40（19）：6-10．

［7］唐黎明. 科學(xué)思維素養(yǎng)方面“模型建構(gòu)”5級水平的表現(xiàn)性任務(wù)設(shè)計［J］. 物理教師，2019，40（7）：34-38．

［8］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書 物理 九年級 全一冊［M］.北京：人民教育出版社，2013：68-72．