尹慶豐

(1. 常州市武進(jìn)區(qū)教師發(fā)展中心,江蘇 常州 213164； 2. 常州市武進(jìn)區(qū)禮嘉中學(xué),江蘇常州 213176)

1 引言

2014年9月,國務(wù)院頒布了《關(guān)于深化考試招生制度改革的實施意見》,提出了高考考試內(nèi)容改革要“依據(jù)高校人才選拔要求和國家課程標(biāo)準(zhǔn),科學(xué)設(shè)計命題內(nèi)容,增強(qiáng)基礎(chǔ)性、綜合性,著重考查學(xué)生獨(dú)立思考和運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力”．

縱觀江蘇省近年來的高考物理真題卷,可以發(fā)現(xiàn)命題組通過“情境化試題”對高考物理考查內(nèi)容進(jìn)行整合、開發(fā)和創(chuàng)新,從而突出能力立意,順應(yīng)現(xiàn)代社會培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需要，并且“情境化試題”在江蘇高考真題卷中的占比從2009年的71%到2018年的85%,如圖1所示．

圖1 近10年江蘇高考物理真題卷中“情境化試題”統(tǒng)計圖

由圖1可以看出,以每兩年的試卷為一組,近10年來“情境化試題”占比呈波動上升的趨勢,說明“情境化試題”符合《實施意見》對高考物理考查設(shè)計的要求,能體現(xiàn)“加強(qiáng)能力考查,提升核心素養(yǎng)”的理念,是推動實現(xiàn)應(yīng)試教育向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)軌的有效途徑．

2 2018年江蘇高考物理卷“情境化試題”的分析

所謂“情境化試題”,就是指考試時給出具體的試題材料背景,具體的材料背景構(gòu)成試題情境．試題情境給考生完成思維任務(wù)或操作活動提供一個統(tǒng)一的平臺,所有考生在這個平臺上展示自己分析問題、解決問題的能力,這類包含情境的試題習(xí)慣上被稱為“情境化試題”．

具體到物理學(xué)科中,“情境化試題”是指以自然界及社會生產(chǎn)、生活中客觀存在的物理現(xiàn)象或過程為背景,考查學(xué)習(xí)者對物理概念、規(guī)律的理解與應(yīng)用能力的試題．

“情境化試題”若從情境創(chuàng)設(shè)質(zhì)量維度出發(fā),按結(jié)合程度來分析,可以分成情境分離型、情境嵌入型、情境結(jié)合型三類,下面就以2018年江蘇高考物理卷為例,進(jìn)行分析.

2.1 情境分離型

去掉提供的情境材料,仍能答出考查內(nèi)容,兩者無直接關(guān)系.

例1.我國高分系列衛(wèi)星的高分辨對地觀察能力不斷提高.今年5月9日發(fā)射的“高分五號”軌道高度約為705 km,之前已運(yùn)行的“高分四號”軌道高度約為36000 km,它們都繞地球做圓周運(yùn)動.與“高分四號”相比,下列物理量中“高分五號”較小的是

(A) 周期. (B) 角速度.

(C) 線速度. (D) 向心加速度.

分析: 根據(jù)萬有引力提供向心力,可知

因為“高分四號”的軌道半徑比“高分五號”的軌道半徑大,即有r5

題中給出了具體的情境:以人造衛(wèi)星運(yùn)動為背景,考查萬有引力定律及其應(yīng)用．初讀該題目,學(xué)生的注意點(diǎn)可能在高分四號衛(wèi)星是同步衛(wèi)星,高分五號是低軌道衛(wèi)星．然而,仔細(xì)閱讀題意,題目中的核心條件是“都繞地球做圓周運(yùn)動”,該題考查的就是人造衛(wèi)星運(yùn)動特點(diǎn),解題時只要注意區(qū)分兩類軌道問題分析方法:一類是圓形軌道問題,利用萬有引力提供向心力;一類是橢圓形軌道問題,利用開普勒定律求解．學(xué)生倘若錯誤地理解題意,把高度看成軌道半徑,對選項也沒有影響．可見,在該題目中即使沒有給出具體情境也能順利答題,因此是“情境化試題”,且屬于情境分離型,此題相對簡單．

2.2 情境嵌入型

情境素材和考察內(nèi)容相互融合,增加試題的可讀性和實用性.

圖2

例2.如題圖2所示,一定質(zhì)量的理想氣體在狀態(tài)A時壓強(qiáng)為2.0×105Pa,經(jīng)歷A→B→C→A的過程,整個過程中對外界放出61.4 J熱量. 求該氣體在A→B過程中對外界所做的功.

分析： 整個過程中,外界對氣體做功W=WAB+WCA,且WCA=pA(VC—VA).

由熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,可得WAB=-(Q+WCA).

代入數(shù)據(jù)得WAB=-138.6 J,即氣體對外界所做的功為138.6 J.

題中給出具體情境:以一定量理想氣體的變化過程為背景,考查氣體對外界所做的功．此題比較特殊,解題時要抓住情境中的關(guān)鍵點(diǎn)“等溫擴(kuò)容”展開分析,利用熱力學(xué)第一定律解題．此題情境素材來源比較特殊,是根據(jù)數(shù)據(jù)圖表來創(chuàng)設(shè)情境的,這樣的題目情境與解題相輔相成,不可分割,因此屬于“情境嵌入型”試題,此題難度比上一類稍進(jìn)一步,如果將具體的情境素材去掉,即將圖示去掉,改為文字描述,難度將大大提升．

2.3 情境結(jié)合型

考查內(nèi)容及知識點(diǎn)需要從材料中提取,通過自學(xué)遷移解答試題.

圖3

例3.某學(xué)生利用如圖3所示的實驗裝置來測量重力加速度g. 細(xì)繩跨過固定在鐵架臺上的輕質(zhì)滑輪,兩端各懸掛一只質(zhì)量為M的重錘.實驗操作如下.

① 用米尺量出重錘1底端距地面的高度H;

② 在重錘1上加上質(zhì)量為m的小鉤碼;

③ 左手將重錘2壓在地面上,保持系統(tǒng)靜止.釋放重錘2,

同時右手開啟秒表,在重錘1落地時停止計時,記錄下落時間;

④ 重復(fù)測量3次下落時間,取其平均值作為測量值t.

請回答下列問題

(1) 步驟④可以減小對下落時間t測量的________(選填“偶然”或“系統(tǒng)”)誤差.

(2) 實驗要求小鉤碼的質(zhì)量m要比重錘的質(zhì)量M小很多, 主要是為了________.

(A) 使H測得更準(zhǔn)確.

(B) 使重錘1下落的時間長一些.

在道路施工開始前，前期準(zhǔn)備工作非常重要。首先要盡可能減少施工現(xiàn)場的雜物對施工的影響，將路面的雜物和清水清理干凈，從而減少路面翻漿。在施工設(shè)計中合理規(guī)劃市政道路邊緣高度，并做好材料質(zhì)量檢查，為市政道路的穩(wěn)定性和質(zhì)量打下基礎(chǔ)。在施工開始前要對施工材料、施工設(shè)備和施工現(xiàn)場進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，確保滿足水泥穩(wěn)定碎石施工技術(shù)的施工標(biāo)準(zhǔn)。對施工人員要做好安全教育培訓(xùn)工作，加強(qiáng)施工人員的安全意識，提高施工整體質(zhì)量水平，確保施工活動順利開展。

(C) 使系統(tǒng)的總質(zhì)量近似等于2M.

(D) 使細(xì)繩的拉力與小鉤碼的重力近似相等.

(3) 滑輪的摩擦阻力會引起實驗誤差.現(xiàn)提供一些橡皮泥用于減小該誤差,可以怎么做？

(4) 使用橡皮泥改進(jìn)實驗后,重新進(jìn)行實驗測量,并測出所用橡皮泥的質(zhì)量為m0. 用實驗中的測量量和已知量表示g,得g=________.

分析： (1) 時間測量是人為操作快慢和讀數(shù)問題帶來的誤差,所以屬于偶然誤差．

(2) 由于自由落體的加速度較大,下落H高度的時間較短,為了減小測量時間的實驗誤差,就要使重錘下落的時間長一些,因此系統(tǒng)下降的加速度要小,所以小鉤碼的質(zhì)量要比重錘的質(zhì)量小很多．正確答案為(B)．

(3) 為了消除滑輪的摩擦阻力,可用橡皮泥粘在重錘1上,輕拉重錘放手后若系統(tǒng)做勻速運(yùn)動,則表示平衡了阻力．

(4) 根據(jù)牛頓第二定律有(M+m+m0)g-F=(M+m+m0)a.

題中給出具體情境:以連接體運(yùn)動為背景,考查重力加速度的測量．解題的關(guān)鍵是要弄清該實驗的原理,再運(yùn)用所學(xué)的知識分析得出減小誤差的方法．本題情境素材來源為物理實驗,所設(shè)問題層層遞進(jìn),最終目標(biāo)雖然是重力加速度的求解,但是也關(guān)注了實驗的過程,意在考查學(xué)生的實驗探究能力．尤其是第3小問,引入摩擦阻力問題,這就需要學(xué)生不僅能將所學(xué)知識與具體的情境融合起來,還要考察其綜合分析能力．此題屬于典型的“情境結(jié)合型”試題,難度比上一類又更進(jìn)一步．

由2018江蘇高考物理卷可以看出,“情境化試題”的素材來源非常廣泛,包括科學(xué)技術(shù)、日常生活、學(xué)科知識、物理實驗等．但是,不管什么素材的試題,都可以被分為分離型、嵌入型和結(jié)合型三個大類,總結(jié)上述三個具體例子,可以找出一條解題的常規(guī)思路,如圖4所示．

圖4 “情境化試題”常規(guī)解題思路

由圖4可以看出,學(xué)生拿到題目,首先就要對“情境”進(jìn)行閱讀理解,能從中抽絲剝繭,簡化并抽象出題目的主干,將“情境化試題”轉(zhuǎn)化為 “非情境化試題”;其次,運(yùn)用與之相關(guān)的物理知識,包括物理概念、規(guī)律、定理等,對其進(jìn)行分析、判斷,找到合適的解決方法;最后,將該方法結(jié)合數(shù)學(xué)工具,進(jìn)行演算推導(dǎo),得到題目的正確答案,實現(xiàn)解決問題的目標(biāo)．

3 “情境化試題”對高中物理教學(xué)的啟示

從2018年江蘇高考物理卷“情境化試題”的情況分析表明,情境化設(shè)計已經(jīng)被作為考查物理知識、能力、反映學(xué)生物理素養(yǎng),體現(xiàn)學(xué)生情感、態(tài)度和價值觀的一種重要方式．這種改革側(cè)重于考查科學(xué)思維和方法,注重關(guān)鍵能力、注重類比和遷移,指向核心素養(yǎng)．

從“情境化試題”設(shè)計的理論分析可以發(fā)現(xiàn),它的基礎(chǔ)是情境認(rèn)知與學(xué)習(xí)理論．在20世紀(jì)60、70年代產(chǎn)生巨大影響的認(rèn)知革命后,出現(xiàn)了與建構(gòu)主義密切相關(guān)的情境認(rèn)知和學(xué)習(xí)理論．其中的知識不再是獨(dú)立、僵化、單一的內(nèi)容,而是依賴于一定或特定的情境基礎(chǔ),由學(xué)習(xí)者自主建構(gòu)的知識譜系,這一點(diǎn)從圖2也可以得到證實．

因此,通過對“情境化試題”的分析,為高中物理教學(xué)帶來了很強(qiáng)的啟發(fā)性和指導(dǎo)性,教師要實現(xiàn)“能力立意”“核心素養(yǎng)”,就必須在教學(xué)過程中逐步強(qiáng)化物理知識與實踐情境的關(guān)聯(lián),提高學(xué)生對知識與情境相互聯(lián)系轉(zhuǎn)化的自覺性,具體策略如下:

3.1 潛移默化,增強(qiáng)知識與情境的融合

高中物理教材必修2“第6章萬有引力與航天”可以說是高考的熱點(diǎn),2018江蘇高考物理卷第1題選擇題就是考的萬有引力提供向心力．之所以年年考,與本章內(nèi)容具有豐富的情境性有關(guān),筆者就以本章“第5節(jié)宇宙航行”為例,說明如何增強(qiáng)物理知識與情境的融合．

教學(xué)片段1:新課導(dǎo)入.

師:2007年10月24日,經(jīng)火箭發(fā)射,“嫦娥一號”衛(wèi)星首先進(jìn)入環(huán)繞地球的軌道,然后加速,脫離地球軌道后,慣性滑行,進(jìn)入環(huán)繞月球的軌道,最后進(jìn)行科學(xué)探測．

(組織學(xué)生觀看“嫦娥一號”發(fā)射并到達(dá)月球的全過程)

師:結(jié)合登月航線討論,為什么飛船能圍繞地球旋轉(zhuǎn)?飛船在什么條件下能掙脫地球的束縛?

生:討論.

建議: 通過這樣的情境導(dǎo)入,可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索未知世界的欲望．教師在備課的時候,可以關(guān)注一下中國以及國際航空航天的發(fā)展近況,盡量以最新的資訊作為新課導(dǎo)入的情境,讓學(xué)生所學(xué)知識也能與時俱進(jìn),包括“天舟一號”與“天宮二號”空間實驗室的對接、首次發(fā)現(xiàn)雙中子星合并的引力波事件、天眼等等,都可以作為本章教學(xué)中情境化導(dǎo)入的素材．而這樣的導(dǎo)入,可以讓學(xué)生逐步適應(yīng)“情境化”的環(huán)境:當(dāng)面對物理語言、文字或符號時,能自然地聯(lián)想到相應(yīng)的物理情境;當(dāng)面對實際情境問題時,也能自覺聯(lián)想到相關(guān)的物理知識．經(jīng)過教師長期有意識的訓(xùn)練,學(xué)生在潛移默化中,提升了融合知識與情境的能力．即使面對不熟悉的情境,也會因為“思維慣性”,自然而然地用物理知識引導(dǎo)思路、展開問題．

3.2 舉一反三,充分利用探究實驗情境

2018年江蘇高考物理卷第11題,該題源于經(jīng)典物理模型——阿特伍德機(jī),這是一種用于測量加速度及驗證運(yùn)動定律的機(jī)械．而該考題在理想化的阿特伍德機(jī)的模型基礎(chǔ)上有了突破,最大的創(chuàng)新就是涉及了滑輪摩擦,學(xué)生答題的正確率一下子就降低了,平均得分僅為2.4分．其實,每一個實驗,都是一個很好的情境,如何充分利用這個情境,就需要教師的不斷探索．筆者以“實驗:驗證機(jī)械能守恒定律”為例,說明如何充分利用探究實驗情境．

教學(xué)片段2:探究實驗.

實驗儀器:打點(diǎn)計時器、重物、紙帶、天平、砝碼、鐵架臺、夾子、電源．

實驗步驟:略

數(shù)據(jù)處理:略

實驗拓展:師:同樣的實驗儀器,還能不能用來做其他的實驗?

生:討論,從一開始的小心翼翼,到后來的激情飛揚(yáng),答案也是五花八門,有:求當(dāng)?shù)刂亓铀俣?、求阻力大小、研究勻變速直線運(yùn)動……

師:大家說的究竟對不對呢?“實踐出真知”,每個小組請按自己討論的方案進(jìn)行實驗,然后告訴大家你們組的方案是否正確．如果不正確,那么應(yīng)該如何改進(jìn)?

建議： 同一組實驗儀器可以根據(jù)不同的原理,驗證或是求解不同的物理量,通過這樣的訓(xùn)練,學(xué)生的思維就不再是“一根筋”而是“發(fā)散型”,這是創(chuàng)新思維中很重要的一部分．當(dāng)然,還可以是讓學(xué)生自己選擇不同實驗儀器做同一個實驗;或是同一個實驗不同的數(shù)據(jù)處理方式;或是不同實驗儀器不同實驗原理做同一個實驗;或是設(shè)計一些新的實驗．當(dāng)然,后面兩類拓展有一定的難度,可以針對有需要、有興趣的學(xué)生展開．通過這樣的訓(xùn)練方式,讓學(xué)生懂得舉一反三,不僅充分利用了實驗儀器,拓展了探究情境,還有利于學(xué)生將相關(guān)的物理知識、方法與實驗情境建立聯(lián)系,學(xué)會思考與類比,加深對知識的理解．

3.3 去偽存真,凝練情境中的物理條件

答完2018江蘇高考物理卷就可以看出,任何一個“情境化試題”,不管是分離型、嵌入型還是結(jié)合型,其解題的關(guān)鍵都是找到題目表明的物理條件．如果說,上述兩點(diǎn)的訓(xùn)練能夠讓學(xué)生適應(yīng)各種各樣的情境,“處變不驚”;那么凝練物理條件的能力訓(xùn)練就是要讓學(xué)生立足基礎(chǔ),學(xué)會用物理的語言尋找并表述核心問題,從而賦予學(xué)生一雙“火眼金睛”．下面就以“曲線運(yùn)動”為例,說明如何在實際情境中凝練物理條件．

教學(xué)片段3:物體做曲線運(yùn)動的條件.

圖5 探究實驗裝置圖

師: 演示實驗1:如圖5所示的裝置放在水平桌面上,在斜面頂端放置一鋼球,放開手讓鋼球自由滾下,觀察鋼球在桌面上的運(yùn)動情況,記錄鋼球的運(yùn)動軌跡．

生:鋼球做直線運(yùn)動,速度逐漸減?。纱懋嫵鲣撉蜻\(yùn)動軌跡,如圖3中的虛線所示．

師:請學(xué)生們來分析鋼球在桌面上的受力情況?

生:鋼球受豎直向下的重力,豎直向上的支持力,還受到滑動摩擦力的作用．

師:摩擦力的方向如何?

生:摩擦力的方向與運(yùn)動方向在同一直線上,但與運(yùn)動方向相反．

師:你怎樣做才能使鋼球做曲線運(yùn)動?

生:激烈討論,有的說用棒打鋼球,有的說吹一口氣,有的說用手彈一下……

師:演示實驗2:在鋼球的運(yùn)動路徑旁邊放一塊磁鐵,重復(fù)剛才的實驗操作,觀察鋼球在桌面上的運(yùn)動情況?

生:鋼球做曲線運(yùn)動,再次由代表畫出鋼球運(yùn)動軌跡．

師:兩次實驗,有什么發(fā)生變化了嗎?

生:鋼球除了受到原有的重力、支持力、摩擦力的作用外,還受到磁鐵的吸引力．

師:引力的方向如何?

生:引力的方向隨著鋼球的運(yùn)動不斷改變,但總是不與運(yùn)動方向在同一直線上．

師:木球演示及分析(略).

粉筆頭演示及分析(略)

師:實驗證明,你們前面討論的方法都可以使物體改變運(yùn)動方向,但是不一定做曲線運(yùn)動,對嗎?

生:對!

師:那么,從這么多的實驗中,你們能夠得到什么結(jié)論呢?

生:“無力不拐彎,拐彎必有力．”當(dāng)物體受到與運(yùn)動方向不在同一條直線上的力的作用時,會做曲線運(yùn)動．

曲線運(yùn)動的軌跡夾在合外力與速度方向之間,而且向趨近于合外力的方向彎曲,即合外力指向軌跡的凹側(cè)．

建議： 每一個實際情境中,都包含了豐富的物理語言,而真正能解決問題的那個,才是最關(guān)鍵的物理條件．如何找到核心的物理條件?這就需要教師在課堂教學(xué)中,注重培養(yǎng)學(xué)生用物理語言表達(dá)實際情境的能力．比如案例中,每次演示實驗結(jié)束教師都要求學(xué)生受力分析,學(xué)生就會感受到受力分析的重要性,也會聯(lián)想到力對運(yùn)動的影響．進(jìn)一步的實驗發(fā)現(xiàn),只有力的改變還不能滿足曲線運(yùn)動的條件,還要符合一定的要求,學(xué)生自發(fā)地進(jìn)行探究,層層遞進(jìn),直到得出結(jié)論．學(xué)生在這樣的思維訓(xùn)練中,慢慢地就能夠養(yǎng)成一種習(xí)慣:對真實情景進(jìn)行思維加工,用物理語言進(jìn)行描述,不斷刪除冗余,最終凝練出關(guān)鍵的物理條件,達(dá)到“去偽存真”的目的,同時也培養(yǎng)出較強(qiáng)的分析能力．

3.4 順向遷移,構(gòu)建情境中的數(shù)學(xué)模型

2018年江蘇高考物理卷第12題A(3)是一個熱學(xué)的問題,應(yīng)用熱力學(xué)第一定律即可將題目解決,因此本題平均得分6.54分,難度系數(shù)僅為0.55．但是,筆者做了一個嘗試性的試驗:將題目稍作修改,不給出直觀的圖形,而只給出等溫、等容、等壓過程的文字描述及相應(yīng)數(shù)據(jù),得分率明顯下降．究其原因,這是因為學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中,對情境中數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建能力沒有得到很好的培養(yǎng)．下面就以“力的合成”為例,說明如何讓學(xué)生的物理知識發(fā)生順向遷移,用數(shù)學(xué)模型來描述分析．

教學(xué)片段4:探究合力與分力的關(guān)系.

師:合力與分力之間可能會存在什么關(guān)系?例如:1 N+2 N一定等于3 N嗎?

生:不一定!

師:如果給出實驗器材:彈簧秤2個,三角板,木板,橡皮筋,細(xì)繩套,圖釘,白紙,如何確定兩個分力的合力是多大?方向如何?

生:探究過程: (1) 記錄結(jié)點(diǎn)O點(diǎn)的位置; (2) 記錄分力F1、F2的大小和方向; (3) 記錄合力F的大小和方向．如圖6(a)所示．

(a)

(b)

師:(提示)任務(wù)1:作出F1、F2和F,并在白紙上用力的圖示把它們表示出來．

任務(wù)2:尋找F1、F2和F可能存在的規(guī)律．

生:討論,交流,得出結(jié)論．

結(jié)論:二力合成時,以表示這兩個力的線段為鄰邊作平行四邊形,這兩個鄰邊之間的對角線就代表合力的大小和方向．如圖6(b)所示．

建議：通過情境演繹及實驗探究,學(xué)生找到了“力的合成”與“平行四邊形”之間的關(guān)系．從知識的角度來講,“力的合成”屬于物理學(xué)范疇,而“平行四邊形”屬于數(shù)學(xué)模型,用數(shù)學(xué)模型簡單直觀地描述或解決物理問題,這就是學(xué)習(xí)遷移．遷移有很多種分類,此處通過學(xué)生非常熟悉的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用已經(jīng)掌握的數(shù)學(xué)建模技能促進(jìn)物理分析技能的應(yīng)用,我們把它歸類為順向遷移．這是一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)的影響,是一種在情境中獲得技能、知識或態(tài)度的有效途徑．除了受力分析之外,曲線運(yùn)動、磁場、光路等都可以跟數(shù)學(xué)模型相結(jié)合,教師應(yīng)該充分利用素材,在實現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移的同時,培育學(xué)生的科學(xué)思維．

4 結(jié)束語

高考的命題趨勢是重視考查學(xué)生的素養(yǎng),它和新《課程標(biāo)準(zhǔn)》的目的是吻合的．也就是說,提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)和提高學(xué)生的高考成績,兩者的目標(biāo)是統(tǒng)一的,這對高中物理教學(xué)來說,是一個重要的啟示．

“情境化試題”是實現(xiàn)兩者目標(biāo)統(tǒng)一的產(chǎn)物,也是有效途徑．通過對“情境化試題”的分析,一線教育工作者在高中物理教學(xué)中,如果能夠做到增強(qiáng)知識與情境的融合、充分利用探究實驗情境,指導(dǎo)學(xué)生凝練情境中的物理條件、構(gòu)建情境中的數(shù)學(xué)模型,那么就能夠培養(yǎng)出會用物理知識解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的學(xué)生,從而讓物理書本知識得到升華.