張建斌 柴春琪

(1. 北京師范大學(xué)附屬嘉興南湖高級中學(xué)，北京 100087 2. 浙江嘉興市第一中學(xué)，浙江 嘉興 314001)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確將科學(xué)論證作為科學(xué)思維的主要內(nèi)容納入物理學(xué)科核心素養(yǎng).科學(xué)論證就是論證思維在自然科學(xué)領(lǐng)域的運用,其內(nèi)涵是“利用證據(jù)建立科學(xué)的理由以支持科學(xué)主張”.科學(xué)論證取向下的高中物理教學(xué)就是將科學(xué)活動中的論證引入物理教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣開展基于證據(jù)的論證活動以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力．

一個好的習(xí)題對于學(xué)生而言就是一個科學(xué)問題,猶如一個科學(xué)問題對于科學(xué)家而言就是一道習(xí)題一樣．通過習(xí)題教學(xué),使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實踐意識、科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升．習(xí)題教學(xué)的作用不僅僅是為了得到答案,而是要全面提高學(xué)生的問題解決能力,發(fā)展包含科學(xué)論證在內(nèi)的科學(xué)思維素養(yǎng)．現(xiàn)以浙江省2019年4月物理選考卷第20題為例,展開案例研究,以期為科學(xué)論證取向的物理習(xí)題教學(xué)提供實踐性知識．

1 原題呈現(xiàn)與試題解析

例題.(2019年4月浙江省物理選考卷第20題)某砂場為提高運輸效率,研究砂粒下滑的高度與砂粒在傳送帶上運動的關(guān)系,建立如圖1所示的物理模型．豎直平面內(nèi)有一傾角為θ=37°的直軌道AB,其下方右側(cè)放置一水平傳送帶,直軌道末端B與傳送帶間距可近似為0,但允許砂粒通過．轉(zhuǎn)輪半徑R=0.4 m、轉(zhuǎn)軸間距L=2 m的傳送帶以恒定的線速度逆時針轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)輪最低點離地面的高度H=2.2 m．現(xiàn)將一小物塊放在距離傳送帶高h(yuǎn)處靜止釋放,假設(shè)小物塊從直軌道B端運動到傳送帶上的C點時,速度大小不變而方向變?yōu)樗椒较颍阎∥飰K與直軌道和傳送帶間的動摩擦因數(shù)均為μ=0.5(sin37°=0.6).

(1) 若h=2.4 m,求小物塊到達(dá)B端時速度的大小;

圖1 原題示意圖

(2) 若小物塊落到傳送帶左側(cè)地面,求h需要滿足的條件;

(3) 改變小物塊釋放的高度h,小物塊從傳送帶的D點水平向右拋出,求小物塊落地點到D點水平距離x與h的關(guān)系式及h需要滿足的條件．

參考答案： (1) 物塊由靜止釋放到B的過程中

mgsinθ-μmgcosθ=ma.

vB=4 m/s.

(2) 左側(cè)離開,D點速度為0時高為h1，

得h

(3) 右側(cè)拋出,D點的速度為v，

為使能在D點水平拋出，

得h≥3.6 m.

2 從參考答案看設(shè)計思路

從提供的參考答案中可以看出,第(2)問認(rèn)為物塊能從傳送帶左端落下的臨界條件是物塊到達(dá)D點時的速度為0,然后將在傳送帶對其摩擦力的作用下向左運動,繼而從左側(cè)落到地面．

對比(1)中的“4 m/s”,參考答案給出的“3.0 m”多了一位有效數(shù)字,是否意味著這是采取“近似處理”得到的結(jié)果,而非嚴(yán)格意義的答案?如果真是這樣,這第(2)問需要一定的勇氣和解答策略,因為從嚴(yán)格意義上看,物塊速度為0的臨界點應(yīng)在D點右下側(cè)位置,但無法通過簡單計算獲得h的值,考生只能認(rèn)為速度為0的臨界點是D點,或是沒有意識到這個問題而直接進(jìn)行答題了．作為承擔(dān)著“甄別和選拔學(xué)生”功能的試題,這樣的設(shè)計是有欠考慮的．雖然試題的設(shè)計思路是考你會不會(相互割裂地設(shè)問,讓你不會做),但試題應(yīng)依據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“物理概念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面及其水平,結(jié)合課程內(nèi)容的要求,依據(jù)不同水平學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)的關(guān)鍵特征而命制.

從這個層面而言,這是一道發(fā)展物理核心素養(yǎng)的好習(xí)題．習(xí)題的設(shè)計思路主要是怎樣讓你會(相互關(guān)聯(lián)地設(shè)問,讓你學(xué)會做),第(2)問的分層教學(xué)將是基于問題解決、發(fā)展科學(xué)論證素養(yǎng)的實踐性案例．

3 科學(xué)論證取向的問題解決教學(xué)

問題1:速度為0的臨界點在哪個位置?

考慮豎直面內(nèi)的圓周運動,物塊在粗糙圓軌道外側(cè)的運動問題．

圖2 問題1與問題2示意圖

如圖2所示，設(shè)物塊到達(dá)E點時速度為0,此時OE與豎直方向夾角為α．要求物塊能在傳送帶作用下返回,則α的最大值應(yīng)滿足下列關(guān)系式

mgsinα=μmgcosα,

tanα=μ.

問題2:h取何值時,物塊恰好到E點速度為0?

其中Wf為物塊從D到E的過程中克服摩擦力做的功．

問題3:Wf如何計算?

如圖3所示，物塊在圓軌道外側(cè)運動時,其所受摩擦力是與速度相關(guān)的變力．在β從0到α的變化過程,計算克服摩擦力做的功Wf就成為區(qū)分不同素養(yǎng)水平的關(guān)鍵所在．

水平1:直接套用熟悉模型,忽略轉(zhuǎn)輪半徑0.4 m或誤認(rèn)為轉(zhuǎn)輪可以視為質(zhì)點,速度為0的臨界位置是D點,按參考方法解得臨界高度為3 m．

水平2:意識到速度0點的位置偏離D點,但認(rèn)為轉(zhuǎn)輪半徑相對較小,偏離D點很小,就直接取近似求得臨界高度為3 m．

圖3 問題3示意圖

水平3:認(rèn)識到速度0點的位置偏離D點,但無法確定臨界位置或者確定臨界位置后發(fā)現(xiàn)無法求解,就退而求其次按參考方法求解．

水平4:確定臨界位置后,沒有意識到摩擦力與速度相關(guān)．

設(shè)在β位置轉(zhuǎn)過dβ的微小過程中，

dWf=f·ds=μmgcosβ·R·dβ，

代入前面各式,解得h=3.14 m．

實際克服摩擦力做功要小于計算值,可知臨界高度應(yīng)小于3.14 m．

水平5:知道摩擦力與速度有關(guān),且嚴(yán)格意義上求解.

當(dāng)物塊位置與圓心連線與豎直方向成β角度時,設(shè)其速度為v,則

設(shè)在β位置轉(zhuǎn)過dβ的微小過程中

dWf=f·ds=μmgcosβ·R·dβ-

由動能定理可知

則Wf=μmgRsinα-

2μmgR.

結(jié)合上述各式,可得h≈3.1 m.

可以看出,試題給出的“3.0 m”控制在可接受范圍之內(nèi)．但不同的方法所花的時間成本差異顯著,本題也就無法真正甄別學(xué)生真實的素養(yǎng)水平．

4 科學(xué)論證取向的試題編制

指向核心素養(yǎng)的測試題至少具有3個關(guān)鍵特征:(1) 體現(xiàn)課程綜合．測試的重點應(yīng)關(guān)注學(xué)生通過后天學(xué)習(xí)形成的綜合性學(xué)習(xí)結(jié)果,既可以表現(xiàn)為本學(xué)科與跨學(xué)科知識技能的整合,還可以體現(xiàn)在隱性知識與價值觀念的有機(jī)融合．(2) 依托任務(wù)情境．創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉程度不同的真實任務(wù)情境,構(gòu)建豐富有意義的測試載體,進(jìn)行科學(xué)素養(yǎng)的體驗,才可能實現(xiàn)合理的測評,體現(xiàn)學(xué)科育人的價值．問題情境越復(fù)雜,試題中蘊含的物理規(guī)律越隱蔽,對學(xué)生的推理和論證能力要求就越高．(3) 指向問題解決．核心素養(yǎng)測評試題的設(shè)問總是指向具體任務(wù)的問題解決,因為核心素養(yǎng)不僅要求學(xué)生掌握課程內(nèi)容,更注重學(xué)生將較復(fù)雜的實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型,能在新情境中對綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理,獲得正確結(jié)論并作出解釋．

要想編制出科學(xué)合理的試題,可根據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平層次、試題情境的復(fù)雜性或新穎性、知識要求的深度和廣度等方面來設(shè)計,保證試題的科學(xué)性、規(guī)范性和公平性．物理試題的編制及核心素養(yǎng)的測評應(yīng)保持從教學(xué)中來、到教學(xué)中去的風(fēng)格,教師要把所有的教學(xué)活動(以及所有的備考活動)都圍繞試題所反映的素養(yǎng)目標(biāo),而不是測試本身．