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        由一道高考題的演變探討物理核心素養(yǎng)的考查

        2020-09-17 03:16:12黃瑞花
        物理教師 2020年8期
        關(guān)鍵詞:作用力拉力繩子

        黃瑞花

        (上海市奉賢區(qū)教育學(xué)院,上海 201499)

        1 問(wèn)題提出背景

        2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)學(xué)業(yè)質(zhì)量提出了明確要求.物理學(xué)業(yè)考試水平的內(nèi)容注重考查物理學(xué)科核心素養(yǎng)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4個(gè)方面.而這4個(gè)方面主要包括物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀、能量觀,模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新,問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流,科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任等15個(gè)要素.學(xué)業(yè)質(zhì)量根據(jù)問(wèn)題情境的復(fù)雜程度、知識(shí)和技能的結(jié)構(gòu)化程度、思維方式或價(jià)值觀念的綜合程度等,把物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個(gè)方面又劃分為5級(jí)水平.

        如何在平時(shí)的習(xí)題教學(xué)、課后作業(yè)等通過(guò)題目的選編來(lái)促進(jìn)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng),以及如何在平時(shí)的階段考查和質(zhì)量調(diào)研等各類考試,通過(guò)題目的編制能檢測(cè)到物理學(xué)科核心素養(yǎng)的各個(gè)要素的水平,從而真正達(dá)成教學(xué)評(píng)的一致,值得我們研究探討.下面選取2019年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試(江蘇)卷中的一題,嘗試通過(guò)題目的演變來(lái)探討物理核心素養(yǎng)的考查.

        2 高考原題及其考查目標(biāo)分析

        圖1

        原題.(2019年江蘇卷第2題)如圖1所示,一只氣球在風(fēng)中處于靜止?fàn)顟B(tài),風(fēng)對(duì)氣球的作用力水平向右,細(xì)繩與豎直方向的夾角為α,繩的拉力為T,則風(fēng)對(duì)氣球作用力的大小為

        (C)Tsinα. (D)Tcosα.

        這是一個(gè)很常規(guī)的試題,難度不大.考查內(nèi)容為物體的平衡.

        圖2

        預(yù)期學(xué)生解題分析過(guò)程,先閱讀題目,讀取關(guān)鍵詞“靜止”,氣球處于平衡狀態(tài),滿足平衡條件.確定研究對(duì)象氣球,把氣球看成質(zhì)點(diǎn),對(duì)其受力分析,受到重力G(氣球重力不計(jì)也可以,不影響答題結(jié)果)、繩子對(duì)氣球斜向下的拉力T、風(fēng)對(duì)氣球水平向右的作用力F和空氣對(duì)氣球的浮力F浮,如圖2.在水平和豎直方向建立坐標(biāo)軸,把力T分解為水平和豎直.根據(jù)平衡條件,得到F=Tsinα.正確選項(xiàng)為(C).

        此題涉及了哪些物理核心素養(yǎng)要素的考查?考查的素養(yǎng)水平屬于幾級(jí)?具體分析見表1.

        表1 原題考查的素養(yǎng)要素及質(zhì)量水平

        此題考查涉及運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀、模型建構(gòu)和科學(xué)推理幾個(gè)要素,學(xué)業(yè)質(zhì)量水平屬于1和2,考查水平要求不高.那么,同樣這樣一個(gè)情境,通過(guò)演變能不能考查出核心素養(yǎng)的其他要素呢?

        3 題目演變及其考查目標(biāo)分析

        3.1 減少定量計(jì)算,注重說(shuō)理開放

        圖3

        演變1:如圖3所示,一只氫氣球在風(fēng)中處于靜止?fàn)顟B(tài),則氣球?qū)諝庾饔昧Φ姆较蚴窃鯓拥??為什么?/p>

        考查內(nèi)容:物體的平衡和牛頓第三定律.題目是說(shuō)理題,需要文字表述.

        圖4

        預(yù)期學(xué)生可能思考分析解答過(guò)程.① 若氣球重力不能忽略,以氣球?yàn)檠芯繉?duì)象,看成質(zhì)點(diǎn),對(duì)氣球受力分析,氣球受到重力G、繩子對(duì)氣球斜向下的拉力T和空氣對(duì)氣球的作用力F而平衡.根據(jù)平衡條件,空氣對(duì)氣球的力F分解為G和T反方向的兩個(gè)分力,可知在受力示意圖如圖4中兩虛線之間斜向上都可以(不包括邊界值).最后根據(jù)牛頓第三定律,得到氣球?qū)諝獾姆醋饔昧?,在G和T方向之間斜向下(不包括G和T方向).② 若氣球重力可以忽略,以氣球?yàn)檠芯繉?duì)象,看成質(zhì)點(diǎn),對(duì)氣球受力分析,繩子對(duì)氣球斜向下的拉力T和空氣對(duì)氣球的作用力F二力平衡.根據(jù)牛頓第三定律,氣球?qū)諝獾姆醋饔昧褪茄乩K子斜向下的方向.

        變化后題目沒有定量計(jì)算,由于氣球重力是否要考慮的緣故,答案可能出現(xiàn)一個(gè)范圍,也可能是一個(gè)唯一值,存在多個(gè)可能性,所以具有一定開放性.也可以以客觀題形式出現(xiàn).

        此題考查仍然涉及運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀、模型建構(gòu)和科學(xué)推理幾個(gè)要素,但考查內(nèi)容有所增加,考查水平有所提升.與原題相同的考查目標(biāo)不再列出,把變化的內(nèi)容分析在表2.

        表2 演變考查目標(biāo)的變化

        演變2:如圖3,一只氣球在風(fēng)中處于靜止?fàn)顟B(tài),風(fēng)對(duì)氣球的作用力水平向右.為知道風(fēng)對(duì)氣球的作用力的大小,需要知道下列哪組物理量即可.

        (A) 繩子的拉力、氣球的重力.

        (B) 氣球受到的浮力、氣球的重力.

        (C) 氣球的重力、重力與繩子方向的夾角.

        (D) 繩子的拉力、細(xì)繩與豎直方向的夾角.

        圖5

        考查內(nèi)容仍為物體的平衡.把題目的題干和選項(xiàng)串起來(lái)就是結(jié)論.

        預(yù)期學(xué)生解題分析過(guò)程,審題還是要抓住“靜止”兩字,確定對(duì)象氣球,對(duì)其受力分析.如圖5所示,受到重力G、繩子對(duì)氣球斜向下的拉力T、風(fēng)對(duì)氣球水平向右的作用力F和空氣對(duì)氣球的浮力F浮.把力進(jìn)行合成或分解處理,設(shè)細(xì)繩與豎直方向的夾角為α,根據(jù)平衡條件,得到水平方向F=Tsinα,豎直方向F浮=Tcosα+G.確定研究方案,方案①: 根據(jù)水平方向F=Tsinα,測(cè)得繩子的拉力和細(xì)繩與豎直方向的夾角即可知道F,選項(xiàng)(D)正確.方案②: 根據(jù)豎直方向F浮=Tcosα+G,得到T=(F浮-G)/cosα,得到F=(F浮-G)sinα/cosα=(F浮-G)tanα,測(cè)得F浮、G和細(xì)繩與豎直方向的夾角α即可知道F,選項(xiàng)(B)不完整.

        此題不同于原題的是,題干中沒有已知的物理量,需要學(xué)生自己思考確定方案,并根據(jù)方案確定需要測(cè)量的物理量,從而來(lái)驗(yàn)證選項(xiàng)提出的結(jié)論正確與否.

        此題除了考查運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀、模型建構(gòu)幾個(gè)要素,還涉及科學(xué)思維和科學(xué)探究中其他一些要素的考查.具體分析見表3.

        表3 演變2考查目標(biāo)的變化

        3.2 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,注重問(wèn)題解決

        圖6

        題目素材:真實(shí)的照片,放飛的氫氣球,氣球長(zhǎng)度約為9 cm,未充氣時(shí)質(zhì)量約為1.1 g.鏡頭正對(duì)氣球和繩子所在的豎直面拍攝.用量程±20 N,精度0.01 N的力傳感器測(cè)得如圖6所示時(shí)的拉力為0.05 N.

        演變3:如圖6,這是一個(gè)氣球在水平向右風(fēng)力作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)的照片.為測(cè)得風(fēng)對(duì)氣球的作用力的大小,選用的器材是

        (A) 力傳感器,刻度尺.

        (B) 壓強(qiáng)傳感器,量角器.

        (C) 力傳感器,溫度計(jì).

        (D) 壓強(qiáng)傳感器,溫度計(jì).

        考查內(nèi)容仍為物體的平衡.題目特點(diǎn)帶有實(shí)驗(yàn)測(cè)量,器材的選擇.而器材的選擇是建立在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之后進(jìn)行選用.所以可以說(shuō)是演變2后的延伸.

        預(yù)期學(xué)生分析解答過(guò)程,方案設(shè)計(jì)同演變2.選擇器材力傳感器和刻度尺(或量角器).除了前面涉及考查的素養(yǎng)要素外,還涉及表4中的素養(yǎng)要素及水平.

        表4 演變3考查目標(biāo)的變化

        演變4:如圖6,這是一個(gè)氣球在水平向右風(fēng)力作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)的照片.用力傳感器測(cè)得了繩子的拉力為0.05 N.請(qǐng)根據(jù)照片,估測(cè)水平風(fēng)力的大小.

        考查內(nèi)容仍為物體的平衡.題目帶有實(shí)驗(yàn)測(cè)量.與前面演變2和3不同的是,不只是涉及方案和器材的選擇,而是實(shí)驗(yàn)結(jié)論.也可以以客觀題形式出現(xiàn),選擇風(fēng)力最接近的力大小.

        預(yù)期學(xué)生分析解答過(guò)程,方案設(shè)計(jì)同演變2.利用刻度尺測(cè)出線長(zhǎng)約為1.80 cm時(shí),線的水平投影約為0.85 cm,得到風(fēng)力F約為0.024 N涉及到的素養(yǎng)要素及水平見表5.

        表5

        演變5:如圖6,這是一個(gè)氫氣球在水平向右風(fēng)力作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)的照片.測(cè)得氣球未充氣時(shí)質(zhì)量約為1.1 g,力傳感器量程±20 N,精度0.01 N.為測(cè)出風(fēng)對(duì)氣球的作用力的大小,甲、乙兩學(xué)生分別設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案.

        思考過(guò)程:確定對(duì)象氣球,對(duì)其受力分析,受到重力G、繩子對(duì)氣球斜向下的拉力T、風(fēng)對(duì)氣球水平向右的作用力F和空氣對(duì)氣球的浮力F浮.

        甲的方案:根據(jù)平衡條件,得到水平方向F=Tsinα.用力傳感器測(cè)量繩子的拉力T,用量角器測(cè)量細(xì)繩與豎直方向的夾角α,各1次.測(cè)得數(shù)據(jù)代入公式即得風(fēng)力.

        乙的方案:根據(jù)平衡條件,得到豎直方向F浮=Tcosα+G,得到T=(F浮-G)/cosα,代入水平方向F=Tsinα,得到F=(F浮-G)sinα/cosα.可以再進(jìn)一步測(cè)量F浮、用力傳感器測(cè)量G、用量角器測(cè)量細(xì)繩與豎直方向的夾角α.

        請(qǐng)你對(duì)甲、乙方案進(jìn)行評(píng)價(jià),并選擇其中一個(gè)方案提出進(jìn)一步測(cè)量方案或改善之處.

        考查內(nèi)容仍為物體的平衡,題目要求是對(duì)已有的方案進(jìn)行評(píng)價(jià).

        答題提示:評(píng)價(jià)視角,可以從實(shí)驗(yàn)可行性、精確性等角度去思考.如果實(shí)驗(yàn)存在安全問(wèn)題,還需要從安全性角度去思考.

        此題除了考查相互作用觀、科學(xué)推理等素養(yǎng)要素外,還考查了如下素養(yǎng)要素,見表6.

        表6

        3.3 設(shè)問(wèn)聯(lián)系社會(huì),注重責(zé)任培養(yǎng)

        圖7

        演變6:高空氣球是一般位于平流層,高度可達(dá)40-50 km,被廣泛應(yīng)用于高能天體物理、宇宙線、紅外天文、大氣物理、大氣化學(xué)、地面遙感、微重力實(shí)驗(yàn)等方面的研究,同時(shí)也大量應(yīng)用于外層空間宇宙設(shè)備的預(yù)研和試飛以及軍事方面等.如圖7,這是一個(gè)被繩子拴住的靜止的氫氣球,繩子的另一端被手拉著.如果釋放氣球,

        (1) 氣球能否成為高空氣球?為什么?請(qǐng)簡(jiǎn)要解釋.

        (2) 請(qǐng)針對(duì)釋放后的氣球另外再提出一個(gè)物理問(wèn)題,并簡(jiǎn)要解釋.

        考查內(nèi)容涉及熱學(xué)、運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系、能量等.題目具有開放性,要求從物理學(xué)視角提出問(wèn)題、解釋問(wèn)題.

        預(yù)期學(xué)生思考分析解答過(guò)程,普通氣球不能成為高空氣球.原來(lái)靜止的氣球,由于少了繩子的拉力,將向上運(yùn)動(dòng).隨著高度增大,空氣逐漸稀薄,氣壓減小,氣球內(nèi)部一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)大于外部的大氣壓,氣體體積增大,氣球膨脹爆裂.

        預(yù)期學(xué)生提出的問(wèn)題,釋放后氣球?qū)⒆鍪裁催\(yùn)動(dòng)?釋放后氣球的重力勢(shì)能將如何變化?釋放后氣球內(nèi)封閉氣體的壓強(qiáng)將如何變化?釋放后氣球內(nèi)氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)將如何變化?……

        也可以把預(yù)期學(xué)生提出的問(wèn)題作為幾個(gè)選項(xiàng)提出,然后讓學(xué)生選擇其中一項(xiàng)進(jìn)行解釋,難度降低.讓學(xué)生具有自主選擇地完成考查,增加了學(xué)生的自主性.當(dāng)然每個(gè)選項(xiàng)的難度系數(shù)可能稍有不同,如果要賦分可以對(duì)其進(jìn)行不等值賦分(在這里對(duì)其賦分及公平性問(wèn)題不做探討).上述第(2)題可以變?yōu)椋?qǐng)?jiān)谙铝袉?wèn)題選項(xiàng)中只選擇一項(xiàng)回答,并簡(jiǎn)要解釋.

        (A) 釋放后氣球做什么運(yùn)動(dòng)?

        (B) 釋放后封閉氣球的壓強(qiáng)將如何變化?

        (C) 釋放后氣球的重力勢(shì)能將如何變化?

        (D) 釋放后氣球內(nèi)氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)將如何變化?……

        此題考核素養(yǎng)要素如表7所示.

        上述一個(gè)高考試題經(jīng)過(guò)多個(gè)演變,同一情境涉及不同素養(yǎng)要素的考查,考查素養(yǎng)要素較全.而一個(gè)題目的選編主要取決于預(yù)想要考查的素養(yǎng)目標(biāo),就是預(yù)想考查什么素養(yǎng)要素及水平去選編題目.

        表7

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