卞志榮 顧建元

（1.江蘇省天一中學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214101；2.蘇州工業(yè)園區(qū)教師發(fā)展中心，江蘇 蘇州 215021）

林崇德先生指出：學(xué)科能力是教師和學(xué)生通過(guò)教學(xué)活動(dòng)使得學(xué)科知識(shí)概化的能力，是學(xué)科教育與智力發(fā)展的結(jié)晶.學(xué)科能力是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的一種心理特質(zhì)，此心理特質(zhì)決定了學(xué)生面對(duì)物理問(wèn)題時(shí)的行為表現(xiàn).它是在長(zhǎng)期的教學(xué)活動(dòng)中累積而成.所以教學(xué)中精心設(shè)置新的情境問(wèn)題有利于學(xué)生學(xué)科能力的提升.要充分發(fā)揮情境問(wèn)題的學(xué)科能力培養(yǎng)功能，必須了解物理學(xué)科能力的具體等級(jí)指標(biāo)，情境問(wèn)題的設(shè)置才會(huì)有的放矢.北京師范大學(xué)郭玉英教授將物理學(xué)科能力表現(xiàn)的水平等級(jí)劃分如表1.

表1

續(xù)表

郭教授還指出：物理學(xué)科能力的7個(gè)表現(xiàn)水平，初步描述學(xué)生物理學(xué)科能力的進(jìn)階脈絡(luò).同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，能達(dá)到較高水平（水平6、水平7）的學(xué)生較少，即建立概念、規(guī)律的關(guān)聯(lián)，形成整合的物理觀念、根據(jù)問(wèn)題情境建構(gòu)模型等能力要求在當(dāng)下仍對(duì)物理教與學(xué)提出了挑戰(zhàn).

1 利用原始情境問(wèn)題培養(yǎng)學(xué)生理解推理能力

理解能力是指學(xué)生順利進(jìn)行物理知識(shí)的輸入、存儲(chǔ)，加工、關(guān)聯(lián)，以及系統(tǒng)化等活動(dòng)的能力.具體表現(xiàn)為能否完成回憶和提取、辨識(shí)和確認(rèn)、概括和關(guān)聯(lián)、說(shuō)明和論證等物理學(xué)習(xí)理解活動(dòng).要學(xué)好物理，重在理解.沒有理解能力，其它方面的能力如推理能力、分析綜合能力等也就失去了依據(jù).

1.1 用原始物理問(wèn)題創(chuàng)設(shè)情境，檢驗(yàn)理解能力

原始問(wèn)題是自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中未被加工的典型現(xiàn)象.它具有客觀真實(shí)性、生態(tài)性、隱蔽性和遷移性、開放性的特點(diǎn).用它創(chuàng)設(shè)情境問(wèn)題能很好地甄別學(xué)生對(duì)概念、規(guī)律的理解能力.

原始問(wèn)題：如圖1所示，演員正在進(jìn)行雜技表演.由圖可估算出他將一只雞蛋拋出的過(guò)程中對(duì)雞蛋所做的功最接近于多少焦？

圖1

設(shè)置分析：本題選自2011年江蘇省高考第4題.要求學(xué)生能在熟悉情境中知道生活常識(shí)：一只雞蛋質(zhì)量約為50g，成人的身高約為1.70m，這屬于學(xué)科能力水平等級(jí)1；能根據(jù)人的身高和圖片估算出拋出后雞蛋運(yùn)動(dòng)的最大高度，這對(duì)應(yīng)學(xué)科能力水平等級(jí)2；能建立拋出雞蛋的運(yùn)動(dòng)是豎直上拋運(yùn)動(dòng)模型，且忽略最高點(diǎn)的水平速度進(jìn)而估算出雞蛋被拋出的初速度，再用動(dòng)能定理求出人對(duì)雞蛋所做的功，應(yīng)該對(duì)應(yīng)學(xué)科能力水平等級(jí)4.

1.2 精選跨學(xué)科情境問(wèn)題，提升邏輯推理能力

知識(shí)是相互聯(lián)系的，現(xiàn)實(shí)問(wèn)題往往涉及多學(xué)科融合.選準(zhǔn)切入點(diǎn)，采用跨學(xué)科知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)問(wèn)題場(chǎng)景，讓學(xué)生通過(guò)聯(lián)想、類比、分析等手段對(duì)問(wèn)題展開研究，發(fā)現(xiàn)隱含其中的物理規(guī)律，促使學(xué)生更有效地構(gòu)建認(rèn)知，提升推理能力.

情境問(wèn)題：假設(shè)在NaCl蒸氣中存在由鈉離子Na+和氯離子Cl-靠靜電相互作用構(gòu)成的單個(gè)NaCl分子.若取Na+與Cl-相距無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)其電勢(shì)能為0，一個(gè)NaCl分子的電勢(shì)能為-6.1eV.已知使一個(gè)中性鈉原子Na最外層的電子脫離鈉原子而形成鈉離子Na+所需的能量（電離能）為5.1eV，使一個(gè)中性氯原子Cl結(jié)合一個(gè)電子形成氯離子Cl-所放出的能量（親和能）為3.8eV.由此可算出，在將一個(gè)NaCl分子分解成彼此遠(yuǎn)離的中性鈉原子Na和中性氯原子Cl的過(guò)程中，外界供給的總能量等于多少電子伏？

設(shè)置分析：本題選自2000年全國(guó)高考物理第13題，創(chuàng)設(shè)了一個(gè)化學(xué)情境來(lái)考查電勢(shì)能和能量轉(zhuǎn)換與守恒定律.對(duì)考生的理解能力要求比較高，達(dá)到了學(xué)科能力的5-6級(jí)，特別是對(duì)這句話“若取Na+與Cl-相距無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)其電勢(shì)能為0，一個(gè)NaCl分子的電勢(shì)能為-6.1eV.”的理解至關(guān)重要.如果審題習(xí)慣和理解能力稍差的學(xué)生不僅費(fèi)時(shí)，就連讀完題目還弄不清所表達(dá)的要點(diǎn)，導(dǎo)致隨意用題中幾個(gè)已知數(shù)拼湊，很難得到正確結(jié)論.該題需要學(xué)生閱讀后理解語(yǔ)意，做出以下推理過(guò)程：

過(guò)程1：Na→Na+-5.1eV

過(guò)程2：Cl→Cl-+3.8eV

過(guò)程3：Na++Cl-→NaCl+6.1eV

通過(guò)逆向思維得到

通過(guò)聚合思維將上述3式相加可得到

所以總的需要吸收4.8eV的能量.

2 利用生活化情境問(wèn)題培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐能力

應(yīng)用實(shí)踐能力是指學(xué)生應(yīng)用物理學(xué)科核心知識(shí)和科學(xué)思維，分析和解釋物理現(xiàn)象、解決實(shí)際問(wèn)題的能力.具體表現(xiàn)為學(xué)生能否完成分析和解釋與物理有關(guān)的實(shí)際情境問(wèn)題、進(jìn)行預(yù)測(cè)與推論、選擇并設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案等應(yīng)用實(shí)踐活動(dòng).

生活類情境問(wèn)題比較接近學(xué)生生活實(shí)際，有經(jīng)歷過(guò)，或看到過(guò)，具有親切感，能夠引起他們探究解決問(wèn)題的興趣，但真正靜心思考又似乎說(shuō)不清，道不明其中蘊(yùn)含的物理道理.教學(xué)中利用這樣的情境問(wèn)題更有利于增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐意識(shí)，培養(yǎng)實(shí)踐能力.

2.1 設(shè)置情境問(wèn)題訓(xùn)練分析能力

生活中的情境問(wèn)題往往比較復(fù)雜，通常含有多個(gè)約束條件，而且隱而不顯、含而不露.尤其是生疏的問(wèn)題，需要通過(guò)剝絲抽繭找出它們之間的本質(zhì)關(guān)系和發(fā)展規(guī)律，最后通過(guò)一定線索在思維中將客觀對(duì)象的各個(gè)組成部分重新結(jié)合為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行決策，找出恰當(dāng)?shù)慕鉀Q問(wèn)題的思路及方法，揭示事物的屬性和本質(zhì).

情境問(wèn)題：如圖2所示，旋轉(zhuǎn)秋千裝置中的兩個(gè)座椅A、B質(zhì)量相等，通過(guò)相同長(zhǎng)度的纜繩懸掛在旋轉(zhuǎn)圓盤上.不考慮空氣阻力的影響，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤繞豎直的中心軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下列說(shuō)法正確的是

圖2

（A）A的速度比B的大.

（B）A與B的向心加速度大小相等.

（C）懸掛A、B的纜繩與豎直方向的夾角相等.

（D）懸掛A的纜繩所受的拉力比懸掛B的小.

設(shè)置分析：本題選自2013年江蘇高考物理第2題.試題把高中物理核心概念和規(guī)律如角速度、向心力、受力分析、勻速圓周運(yùn)動(dòng)的受力特點(diǎn)、牛頓第二定律等放到學(xué)生玩過(guò)的熟悉的游樂(lè)項(xiàng)目情境中進(jìn)行考查，避免了學(xué)生死記硬背，有效考查學(xué)生用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力.試題雖然不難，但從那年應(yīng)試的學(xué)生了解到解決此問(wèn)題不怎么順手，事實(shí)上后來(lái)高考試卷分析得到此題得分率并不高.說(shuō)明學(xué)生在新的情境中的應(yīng)用知識(shí)和分析問(wèn)題的能力尚顯不足.絕大部分學(xué)生能直接從情境中提取信息：A、B均做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所以角速度相等，對(duì)應(yīng)學(xué)科能力水平等級(jí)1；能聯(lián)系角速度和線速度、向心加速度關(guān)系正確判斷（A）、（B）選項(xiàng)錯(cuò)誤，對(duì)應(yīng)學(xué)科能力水平等級(jí)2；能正確進(jìn)行受力分析，知道繩的拉力和重力的合力水平指向轉(zhuǎn)軸，判斷出（C）選項(xiàng)錯(cuò)誤，（D）選項(xiàng)正確，對(duì)應(yīng)學(xué)科能力水平等級(jí)3.

2.2 設(shè)置情境問(wèn)題強(qiáng)化思維習(xí)慣和科學(xué)態(tài)度

思維習(xí)慣是衡量思維品質(zhì)高低的指標(biāo)，思維品質(zhì)的優(yōu)劣制約學(xué)科能力的提升.物理思維也遵循邏輯循序，體現(xiàn)有序性.學(xué)生對(duì)于物理問(wèn)題進(jìn)行分析的時(shí)候就伴隨著一個(gè)思維的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程主要按照“物理情境、物理模型、數(shù)學(xué)推算、物理結(jié)論”的程序逐一進(jìn)行.加強(qiáng)學(xué)生思維習(xí)慣養(yǎng)成培養(yǎng)對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成具有關(guān)鍵性的意義.

情境問(wèn)題：高空墜物極易對(duì)行人造成傷害.若一個(gè)50g的雞蛋從一居民樓的25層墜下，與地面的撞擊時(shí)間約為2ms，則該雞蛋對(duì)地面產(chǎn)生的沖擊力約為

設(shè)置分析：本題選自2018年全國(guó)高考物理Ⅱ卷第15題.命題背景是當(dāng)年小區(qū)居民從樓上拋擲物品致他人人身或財(cái)產(chǎn)損害的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，成為影響居民生活的一個(gè)不和諧因素，致使許多小區(qū)加裝了高空拋物攝像頭.這種以社會(huì)生活熱點(diǎn)設(shè)置情境問(wèn)題，也是高考命題的趨勢(shì)之一.那么，“小小雞蛋的威力”到底有多大，要得到正確結(jié)論，還必須具備良好的思維習(xí)慣和過(guò)程.

首先要具備生活常識(shí)即每層樓的高度大約為3m，然后要能進(jìn)行科學(xué)近似，忽略空氣阻力，建立自由落體模型.在此基礎(chǔ)上，明確研究過(guò)程1：雞蛋在空中下落，遵循機(jī)械能守恒定律，則，解得雞蛋剛落地時(shí)速度40（m/s）；研究過(guò)程2：雞蛋與地面的碰撞，要有良好的受力分析的習(xí)慣，否則極易丟掉雞蛋的重力而導(dǎo)致錯(cuò)誤.由于雞蛋與地面的作用是變力作用，對(duì)這種碰撞類問(wèn)題應(yīng)該想到動(dòng)量定理，并且使用動(dòng)量定理解題時(shí)必須規(guī)定正方向，若設(shè)向上為正，則有（FN-mg）t=0-mv，解得FN≈103N.問(wèn)題雖然不難，學(xué)科能力水平等級(jí)大約在2-3級(jí)，但卻很好地考查了學(xué)生的物理基本素養(yǎng)，同時(shí)又對(duì)學(xué)生進(jìn)行了安全意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感教育.

2.3 設(shè)置情境問(wèn)題提高綜合應(yīng)用能力

設(shè)置綜合性的情境問(wèn)題，讓學(xué)生自主進(jìn)行具體分析，弄清所給問(wèn)題的物理情境、物理狀態(tài)和物理過(guò)程，把一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題分解為若干較簡(jiǎn)單的問(wèn)題，這是具有優(yōu)秀分析能力的體現(xiàn).再找出這若干問(wèn)題之間的聯(lián)系，靈活應(yīng)用物理知識(shí)和方法綜合解決真實(shí)情境問(wèn)題這是綜合能力的體現(xiàn).學(xué)以致用，拓展學(xué)生思維深度和廣度，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科能力大有裨益.

情境問(wèn)題：如圖3（a），在跳臺(tái)滑雪比賽中，運(yùn)動(dòng)員在空中滑翔時(shí)身體的姿態(tài)會(huì)影響其下落的速度和滑翔的距離.某運(yùn)動(dòng)員先后兩次從同一跳臺(tái)起跳，每次都從離開跳臺(tái)開始計(jì)時(shí)，用v表示他在豎直方向的速度，其vt圖像如圖3（b）所示，t1和t2是他落在傾斜雪道上的時(shí)刻.則

（A）第2次滑翔過(guò)程中在豎直方向上的位移比第1次的小.

（B）第2次滑翔過(guò)程中在水平方向上的位移比第1次的大.

（C）第2次滑翔過(guò)程中在豎直方向上的平均加速度比第1次的大.

（D）豎直方向速度大小為v1時(shí)，第2次滑翔在豎直方向上所受阻力比第1次的大.

圖3

設(shè)置分析：本題選自2019年全國(guó)Ⅱ卷第19題.圖3（a）成了一部分學(xué)生的干擾因素，誤把它當(dāng)作常見題型：平拋運(yùn)動(dòng)與斜面結(jié)合的理想模型.事實(shí)上若能充分挖掘題中隱含條件和信息“運(yùn)動(dòng)員在空中滑翔時(shí)身體的姿態(tài)會(huì)影響其下落的速度和滑翔的距離”和圖3（b）vt圖像斜率變化，就能得知比賽中運(yùn)動(dòng)員受到空氣阻力，平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律不再適用，但仍可用“運(yùn)動(dòng)的合成與分解”的本質(zhì)方法進(jìn)行分析突破.此題綜合性較強(qiáng)，學(xué)科能力水平等級(jí)應(yīng)該達(dá)到了4級(jí)要求.

近幾年來(lái)，各地高考以運(yùn)動(dòng)時(shí)受到空氣阻力不可忽略的真實(shí)情境立意命題非常常見，比如2014年的全國(guó)Ⅱ卷的極限運(yùn)動(dòng)員跳傘；2016年小球隨表面積的阻力變化引起的加速度比較；2018年北京卷從軌跡方程和記錄的兩組數(shù)據(jù)，推斷運(yùn)動(dòng)員起跳后空中飛行到最高點(diǎn)時(shí)的水平距離等.以存在空氣阻力的真實(shí)情境命題，增添了趣味性、新穎性和考查功能.

3 利用高科技情境問(wèn)題培養(yǎng)學(xué)生遷移創(chuàng)新能力

遷移創(chuàng)新能力是學(xué)生更高層次的物理能力表現(xiàn).它是指學(xué)生利用物理核心知識(shí)和科學(xué)方法解決陌生和不確定性問(wèn)題以及探尋新知識(shí)和新方法的能力.其包含舊知識(shí)與新情境的鏈接能力、對(duì)新情境的感知、對(duì)新問(wèn)題的認(rèn)知和解決能力.知識(shí)遷移能力是創(chuàng)造性人才必須具備的基本能力，也是在物理學(xué)習(xí)中從學(xué)會(huì)走向會(huì)學(xué)的重要一環(huán).高中物理與STSE聯(lián)系及其緊密，若能在教學(xué)時(shí)有意識(shí)利用科技問(wèn)題創(chuàng)設(shè)情境，不僅能很好地考查學(xué)生的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，還能促進(jìn)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任和價(jià)值觀的形成，讓科技創(chuàng)新的火種播種在學(xué)生的心坎里.

情境問(wèn)題：某緩沖裝置的理想模型如圖4所示，勁度系數(shù)足夠大的輕質(zhì)彈簧與輕桿相連，輕桿可在固定的槽內(nèi)移動(dòng)，與槽間的滑動(dòng)摩擦力恒為f.輕桿向右移動(dòng)不超過(guò)l時(shí)，裝置可安全工作.一質(zhì)量為m的小車若以速度v0撞擊彈簧，將導(dǎo)致輕桿向右移動(dòng)輕桿與槽間的最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，且不計(jì)小車與地面的摩擦.

圖4

（1）若彈簧的勁度系數(shù)為k，求輕桿開始移動(dòng)時(shí)，彈簧的壓縮量x；

（2）求為使裝置安全工作，允許該小車撞擊的最大速度vm；

（3）討論在裝置安全工作時(shí)，該小車彈回速度v′和撞擊速度v的關(guān)系.

設(shè)置分析：本題選自2012年江蘇高考?jí)狠S題.這類問(wèn)題學(xué)生往往沒有感性認(rèn)識(shí)，需要耐心讀懂題目，能根據(jù)題中提供的信息進(jìn)行提取加工，理解其工作原理，弄清每個(gè)過(guò)程中蘊(yùn)含的物理知識(shí)，挖掘隱含條件，建立合理建模，然后才能選擇正確方法和規(guī)律進(jìn)行合理的推斷、論證求解.由于此類問(wèn)題情境真實(shí)，開放性大，探究性強(qiáng)，能較好地考查、訓(xùn)練學(xué)生的遷移創(chuàng)新能力.

此題對(duì)中學(xué)生來(lái)說(shuō)屬于難題，學(xué)科能力水平達(dá)到了6-7級(jí)的高要求.它把中學(xué)階段及其重要而又困難的兩種模型：輕彈簧與輕桿結(jié)合在一起，加大了問(wèn)題的情境難度，再加上平時(shí)教學(xué)中不大提及的表述“勁度系數(shù)足夠大”又成了審題的干擾因素，學(xué)生首次見到這樣的裝置就被嚇懵了.學(xué)生不僅需要具有良好的心理素質(zhì)，還需要具備透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的敏捷思維，抓住輕質(zhì)模型“質(zhì)量為零，所受合力必為0”的本質(zhì)，找到臨界條件，才有可能繼續(xù)走下去，逐步分析得到解決.

4 結(jié)語(yǔ)

在高中物理教學(xué)中設(shè)置有效的情境問(wèn)題，既是提高教學(xué)質(zhì)量的有效手段，也是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科能力的必要條件.如何發(fā)揮情境問(wèn)題在素養(yǎng)和能力培養(yǎng)上效益最大化，必須將情境問(wèn)題有機(jī)地融合到教學(xué)各環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的教學(xué)要素，設(shè)置個(gè)性化的物理問(wèn)題，不斷提高情境問(wèn)題的趣味性、多樣性和有效性，精準(zhǔn)把握學(xué)生思維的低錨點(diǎn)和需要進(jìn)階的高錨點(diǎn)，精心設(shè)置情境問(wèn)題，高效利用情境問(wèn)題，最好做到問(wèn)題與學(xué)科能力點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精準(zhǔn)教學(xué)，才能構(gòu)建基于學(xué)科能力培養(yǎng)的高效課堂.