董耀 朱行建 孫偉軍

摘 ? 要：文章以2020年鎮(zhèn)江市中考力學(xué)﹑電磁學(xué)綜合題為例，從提取關(guān)鍵信息﹑構(gòu)建物理模型﹑可視化邏輯推理過(guò)程三個(gè)方面出發(fā)，深入剖析綜合試題對(duì)關(guān)鍵能力的考查，思考科學(xué)思維培養(yǎng)的重要意義;并基于研究提出對(duì)應(yīng)的教學(xué)建議與策略，以期實(shí)現(xiàn)學(xué)生關(guān)鍵能力的提升和科學(xué)思維的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵能力;科學(xué)思維;圖形組織器;中考

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2022）2-0036-5

1 ? ?對(duì)“關(guān)鍵能力”與“科學(xué)思維”的認(rèn)識(shí)

關(guān)鍵能力是學(xué)生在面對(duì)與學(xué)科相關(guān)的生活實(shí)踐或?qū)W習(xí)探索問(wèn)題情境時(shí)，能夠高質(zhì)量地認(rèn)識(shí)問(wèn)題﹑分析問(wèn)題和解決問(wèn)題所必備的能力。關(guān)鍵能力是支撐個(gè)體終身發(fā)展和適應(yīng)時(shí)代要求的能力，是發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)﹑培育核心價(jià)值所必須具備的能力基礎(chǔ)。它由知識(shí)獲取能力群﹑實(shí)踐操作能力群﹑思維認(rèn)知能力群構(gòu)成;與之相對(duì)應(yīng)的是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“課程標(biāo)準(zhǔn)”）中的關(guān)鍵能力：概括理解﹑實(shí)驗(yàn)探究﹑實(shí)踐應(yīng)用。

課程標(biāo)準(zhǔn)中明確指出：“科學(xué)思維”是從物理學(xué)角度對(duì)客觀(guān)事物的本質(zhì)屬性﹑內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式;是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建物理模型的抽象概括過(guò)程;是分析綜合﹑推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀(guān)點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品格[1]。“科學(xué)思維”包括模型建構(gòu)﹑科學(xué)推理﹑科學(xué)論證﹑質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。關(guān)鍵能力架構(gòu)圖如圖1所示。

程力和李勇將“科學(xué)思維”中的科學(xué)推理﹑科學(xué)論證合并為“推理論證能力”;在“模型建構(gòu)”“質(zhì)疑創(chuàng)新”的基礎(chǔ)上，提出“模型建構(gòu)能力”和“創(chuàng)新能力”;將物理學(xué)科所要求的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)探究能力整合為“實(shí)驗(yàn)探究能力”;“理解能力”主要對(duì)應(yīng)學(xué)科素養(yǎng)中的“物理觀(guān)念”。綜上，物理學(xué)科考試提出理解能力﹑推理論證能力﹑模型建構(gòu)能力﹑創(chuàng)新能力、實(shí)驗(yàn)探究能力5種能力。5種能力是對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)鍵能力的具體化[2]。關(guān)鍵能力架構(gòu)對(duì)比圖如圖2所示。

2 ? ?力學(xué)﹑電磁學(xué)綜合試題的考查意義

首先，從“科學(xué)內(nèi)容”的角度來(lái)看，力學(xué)和電磁學(xué)分別是“運(yùn)動(dòng)和相互作用”和“能量”兩個(gè)一級(jí)主題中的核心內(nèi)容，對(duì)于學(xué)生而言“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀(guān)念”“能量觀(guān)念”的建立尤為重要，有助于學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律的提煉與升華。

其次，以課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中的課時(shí)規(guī)定為參考，統(tǒng)計(jì)得出初中物理各個(gè)知識(shí)模塊的課時(shí)比例（表1）。由表1可知，力學(xué)與電磁學(xué)知識(shí)模塊占據(jù)初中物理知識(shí)模塊的半壁江山，理應(yīng)成為中考考查的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

最后，從試題測(cè)試功能上看，綜合類(lèi)試題不僅僅是知識(shí)的綜合，更是能力的綜合。一方面，該類(lèi)試題一般考點(diǎn)分布廣，綜合考查了“物質(zhì)”“運(yùn)動(dòng)與相互作用”“能量”主題中的多個(gè)知識(shí)模塊;另一方面，該類(lèi)綜合試題所有概念和信息都是包含在情境中，與情境有機(jī)融合，學(xué)生需要在情境的解讀中準(zhǔn)確理解情境中的物理含義。從生活情境到物理模型要經(jīng)歷分析與抽象加工，在模型的建構(gòu)中，需要合理運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)推理，能夠很好地考查學(xué)生在應(yīng)對(duì)復(fù)雜生活情境時(shí)的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。同時(shí)，也引導(dǎo)教師在教學(xué)中應(yīng)該適時(shí)講述物理學(xué)科知識(shí)在科學(xué)、技術(shù)、工程、社會(huì)等方面的應(yīng)用價(jià)值，具有很好的教學(xué)導(dǎo)向作用。

3 ? ?2020年鎮(zhèn)江市力學(xué)﹑電磁學(xué)綜合試題評(píng)析

近幾年的鎮(zhèn)江市中考，力電綜合題經(jīng)常作為全卷壓軸題出現(xiàn)。該類(lèi)綜合試題一般設(shè)問(wèn)層次明顯，梯度合理，關(guān)注不同能力水平學(xué)生的作答表現(xiàn)，使學(xué)科基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生更有獲得感。這些綜合試題能夠基于實(shí)際案例考查學(xué)生完整、全面的認(rèn)知體系，關(guān)注學(xué)生的關(guān)鍵能力，著意于學(xué)生的科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)生的深刻理解。下面以2020年鎮(zhèn)江市中考力學(xué)、電磁學(xué)綜合試題為例進(jìn)行分析。

3.1 ? ?原題呈現(xiàn)

例1 圖3是蓄水池水位自動(dòng)控制模擬裝置，可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的輕質(zhì)杠桿A端用輕繩系正方體浮塊，B端固定一輕質(zhì)三角支架，支架與固定不動(dòng)的壓力敏感電阻RF保持水平接觸擠壓，杠桿保持水平平衡。已知∶AO長(zhǎng)為1 m，BO長(zhǎng)為2 m;浮塊邊長(zhǎng)為20 cm，密度為5×103 kg/m3，下表面距池底2 m;當(dāng)電磁鐵線(xiàn)圈中的電流I≤0.02 A時(shí)，鐵塊K被釋放，水泵開(kāi)始工作向水池注水，反之停止注水，池內(nèi)達(dá)到所設(shè)定的最高水位，線(xiàn)圈電阻不計(jì);電壓U=6 V，電阻箱R調(diào)至75 Ω;設(shè)RF的阻值與支架所施加壓力F的關(guān)系圖線(xiàn)如圖4所示，g取10 N/kg。

（1）浮塊的重力為_(kāi)_______N。在達(dá)到最高水位之前，隨著浮塊排開(kāi)水的體積逐漸增大，支架對(duì)RF的壓力將 ? ________。

（2）當(dāng)池內(nèi)達(dá)到所設(shè)定的最高水位時(shí)，求∶

①輕繩對(duì)浮塊的拉力________;

②池內(nèi)水面距池底的高度________。

（3）為使該裝置能自動(dòng)控制水池內(nèi)的最高水位，在其他條件不變的情況下，電阻箱R接入電路的阻值應(yīng)滿(mǎn)足的條件是________________。

3.2 ? ?概括提取關(guān)鍵信息，認(rèn)識(shí)事物內(nèi)在規(guī)律

該題利用文字、圖、表等方式呈現(xiàn)物理試題，通過(guò)增加試題信息的廣度和容量，加大了各種信息之間的融合，以考查學(xué)生能否從材料中篩選出關(guān)鍵信息，構(gòu)建物理圖景，分析內(nèi)在邏輯規(guī)律，進(jìn)而解決問(wèn)題。通過(guò)關(guān)鍵信息的提取，我們利用圖形組織器可以初步定性化建立該自動(dòng)控制系統(tǒng)的各影響因素之間的反饋過(guò)程。自動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

3.3 ? ?構(gòu)建物理模型，定性分析系統(tǒng)變化過(guò)程

通過(guò)對(duì)蓄水池水位自動(dòng)控制的分析，學(xué)生可以意識(shí)到該控制系統(tǒng)主要涉及三個(gè)物理模型：（1）浮塊的受力平衡模型;（2）杠桿模型;（3）簡(jiǎn)單的串聯(lián)電路模型?；谏鲜鋈齻€(gè)模型的理解，我們?cè)俅卫脠D形組織器，半定量化呈現(xiàn)系統(tǒng)各因素的影響變化過(guò)程。水位自動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程圖如圖6所示。

3.4 ? ?借助圖形組織器，視覺(jué)化推理論證過(guò)程

在上述邏輯分析推理過(guò)程中，我們都利用了圖形組織器。圖形組織器可以幫助學(xué)生組織相關(guān)信息，將不同信息之間的關(guān)系明晰化、可視化。它將系統(tǒng)中的不同事件、不同步驟或科學(xué)過(guò)程按順序依次排列整合，知道每個(gè)因素步驟會(huì)導(dǎo)向何方，也知道各個(gè)部分如何按邏輯有機(jī)地組合成整體。當(dāng)學(xué)生有圖形組織器作為參考后，就能更快地將邏輯分析過(guò)程或推理步驟內(nèi)化于心。此外，圖形組織器也有助于學(xué)生自我復(fù)核，用來(lái)檢查邏輯分析過(guò)程中是否有遺漏[3]。

3.5 ? ?運(yùn)用圖形組織器定量進(jìn)行推理論證

由題意可知，當(dāng)電磁鐵線(xiàn)圈中的電流I≤0.02 A時(shí)，水泵一直向水池注水;當(dāng)電流I>0.02 A時(shí)，水泵停止注水。因此，當(dāng)電磁鐵線(xiàn)圈中的電流I=0.02 A時(shí)，池內(nèi)達(dá)到所設(shè)定的最高水位。

故我們利用圖形組織器，以電流為0.02 A為突破口，按照?qǐng)D形組織器箭頭所指的逆方向進(jìn)行推理運(yùn)算，可求出

浮塊下表面距池底2 m，池內(nèi)水面距池底的高度H=2 m+0.025 m=2.025 m

4 ? ?教學(xué)啟發(fā)與建議

4.1 ? ?提取關(guān)鍵信息，培養(yǎng)理解能力

基于已知事實(shí)將情境中看似零散的、雜亂的、支離破碎的因果關(guān)系進(jìn)行歸納與整合，從紛雜的信息中找出有用的信息，再比較和區(qū)分中理解信息之間的關(guān)系，可以較好地考查學(xué)生的理解能力。

例如，題中第3小問(wèn)“為使該裝置能夠自動(dòng)控制最高水位，在其他條件不變的情況下，電阻箱R接入電路的阻值應(yīng)該滿(mǎn)足什么條件”，學(xué)生需要對(duì)整個(gè)反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行思考，自動(dòng)化控制的核心是能夠構(gòu)成閉環(huán)反饋，即操作端控制信號(hào)的變化經(jīng)由系統(tǒng)后作為傳感器的測(cè)量值從檢測(cè)端返回。

結(jié)合題中裝置圖可以分析得知水位的變化并不一定導(dǎo)致浮力的變化，若水位低于浮塊下表面，則水位的變化無(wú)法導(dǎo)致浮力的變化，如圖7（a）所示;若水位高于浮塊上表面，水位的變化也無(wú)法導(dǎo)致浮力的變化，如圖7（b）所示。因此，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋的關(guān)鍵信息在于：水位的變化必須導(dǎo)致浮力變化，也就是水位的可變范圍是浮塊的下表面到上表面，也就是從浮塊剛好受到浮力到全部浸沒(méi)，如圖7（c）所示。

該小題對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)有一定的難度，學(xué)生一般難以意識(shí)到“水位的變化”是“浮力變化”的必要不充分條件，其實(shí)這一關(guān)鍵信息來(lái)源于下面這個(gè)典型試題：

如圖8所示，金屬塊掛在彈簧測(cè)力計(jì)下，將金屬塊慢慢放入水中，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)逐漸減小，嘗試畫(huà)出金屬塊所受浮力與下降深度的關(guān)系圖像。

從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)看，物塊下降，也可理解為水面上升，則較為容易理解判斷出水位變化與浮力變化的關(guān)系，將新知轉(zhuǎn)化為舊知。

4.2 ? ?科學(xué)建構(gòu)模型，培養(yǎng)推理論證能力

客觀(guān)事物的本質(zhì)屬性﹑內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系是物理學(xué)的主要研究對(duì)象，但其具有一定的抽象性。因此，學(xué)生需要將圖像信息與物理過(guò)程緊密聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)對(duì)物理過(guò)程的分析，選取建構(gòu)合適的物理模型。以本題為例，學(xué)生需要建構(gòu)二力平衡模型（多力平衡模型）、杠桿模型、簡(jiǎn)單的串聯(lián)電路模型，進(jìn)而形成清晰的物理圖景，再運(yùn)用重要的物理規(guī)律分析解決問(wèn)題。本題較好地考查了學(xué)生的科學(xué)推理能力。

在對(duì)2020年鎮(zhèn)江市中考力學(xué)﹑電磁學(xué)綜合試題的分析中，我們多次運(yùn)用了圖形組織器，相較于文本信息，“形”更為直觀(guān)，形是直觀(guān)想象和抽象思維的載體，借助圖形組織器呈現(xiàn)抽象的邏輯思維過(guò)程，也是對(duì)整個(gè)反饋通路的模型建構(gòu)過(guò)程。它能夠幫助學(xué)生建構(gòu)關(guān)于自然界的物理圖景，將模型建構(gòu)能力內(nèi)化于心，將推理論證過(guò)程清晰呈現(xiàn)，有助于學(xué)生建模能力的發(fā)展和推理論證水平的提高。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 ? ?陳 ?潔）

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