朱行建

(天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)教育促進(jìn)中心 天津 300457)

董 耀

(鎮(zhèn)江科技新城實(shí)驗(yàn)學(xué)校 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

1 問題提出

2019年11月20日，《教育部關(guān)于加強(qiáng)初中學(xué)業(yè)水平考試命題工作的意見》中指出：“試題命制既要注重考查基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能，還要注重考查思維過程、創(chuàng)新意識(shí)和分析問題、解決問題的能力.結(jié)合不同學(xué)科特點(diǎn)，合理設(shè)置試題結(jié)構(gòu)，減少機(jī)械記憶試題和客觀性試題比例，提高探究性、開放性、綜合性試題比例，積極探索跨學(xué)科命題.”[1]

跨學(xué)科命題與國(guó)際上的 STEM課程理念一致，STEM是科學(xué)(Science)﹑技術(shù)(Technology)﹑工程(Engineering)﹑數(shù)學(xué)(Mathematics)4門學(xué)科英文首字母的縮寫.其中科學(xué)在于認(rèn)識(shí)世界、解釋自然界的客觀規(guī)律；技術(shù)和工程則是在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上改造世界、實(shí)現(xiàn)與自然界的和諧共處、解決社會(huì)發(fā)展過程中遇到的難題；數(shù)學(xué)則作為技術(shù)與工程學(xué)科的基礎(chǔ)工具.因此，跨學(xué)科命題，不僅僅是物理和數(shù)學(xué)的結(jié)合，還應(yīng)該是和工程、技術(shù)的融合.

傅騫把STEM教育應(yīng)用模式分成驗(yàn)證、探究、制造、創(chuàng)造4大類[2].劉健智認(rèn)為這正是物理教學(xué)融入STEM教育的4個(gè)階段——從“驗(yàn)證”的初級(jí)階段到“探究”的過渡階段，再到“制造”的高級(jí)階段，最終到“創(chuàng)造”的終極階段——逐步將學(xué)生從“技能型”培養(yǎng)成“創(chuàng)造型”人才.這可以認(rèn)為是STEM試題的4種典型類型[3].

在2021年全國(guó)各地的中考試題中，已有很多地區(qū)的試題體現(xiàn)了STEM課程的理念，以下選取一些試題進(jìn)行分類探討.

2 中考物理STEM試題類型分析

2.1 驗(yàn)證型STEM中考物理試題

驗(yàn)證型STEM中考物理試題通過明確的問題設(shè)計(jì)，考查學(xué)生對(duì)相關(guān)定律或現(xiàn)象的理解層次.學(xué)生需基于現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證性分析，試題一般具有典型的學(xué)科情境色彩，以考查邏輯推理能力為著力點(diǎn).

【例1】(山東日照)常用的呼氣式酒精測(cè)試儀有兩種：一種是燃料電池型酒精測(cè)試儀(簡(jiǎn)稱“電池型”)，利用酒精與電池內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電壓，某款“電池型”工作電路如圖1(a)，燃料電池兩端的電壓與進(jìn)入電池的酒精濃度關(guān)系如圖1(b).一種是氣敏電阻型酒精測(cè)試儀(簡(jiǎn)稱“電阻型”)，氣敏電阻的阻值隨酒精氣體濃度的變化而變化，某款“電阻型”工作電路如圖1(c)，電源電壓為9 V，R1是阻值為25 Ω的定值電阻，R2是氣敏電阻，其阻值與酒精濃度的關(guān)系如圖1(d).酒精濃度(n)表示每100 mL氣體中含有酒精的質(zhì)量.請(qǐng)完成下列問題.

圖1 例1題圖

(1)已知R0的阻值為20 Ω.若駕駛員每100 mL呼出氣體內(nèi)含有40 mg酒精，當(dāng)用該款“電池型”檢測(cè)時(shí)，圖1(a)中電流表的示數(shù)為多大？

(2)用該款“電阻型”檢測(cè)時(shí)，請(qǐng)計(jì)算：

1)如果駕駛員沒有喝酒，電壓表的示數(shù)為多少？

2)如果電壓表示數(shù)為5 V，駕駛員呼出的氣體，每100 mL中含有酒精多少毫克？

本題中兩種酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì)是一個(gè)工程問題，其設(shè)計(jì)的原理運(yùn)用了電路相關(guān)的科學(xué)知識(shí).試題通過具體的設(shè)計(jì)原理圖來求解呼氣式酒精測(cè)試儀的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證呼氣式酒精測(cè)試儀的可行性.試題考查了學(xué)生分析電路，分析函數(shù)圖像，提取有用信息，歐姆定律的計(jì)算，歸納推理等多方面的綜合能力.旨在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生產(chǎn)生活中的科學(xué)原理，從解題走向解決實(shí)際問題.

2.2 探究型STEM中考物理試題

探究型STEM中考物理試題，以考查學(xué)生的探究能力為著力點(diǎn)，要求學(xué)生能夠提出關(guān)于自然界的問題并研究自然生活中的現(xiàn)象，在探究的過程中，試圖讓學(xué)生對(duì)概念、原理、模型、方法等形成深入理解.

【例2】(貴州遵義)汽車工程師探究單個(gè)輪胎滾動(dòng)阻力與行駛速度、輪胎氣壓、輪胎品牌的關(guān)系.根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，繪制了如圖2所示的圖像.

(1)工程師在探究單個(gè)輪胎滾動(dòng)阻力與輪胎氣壓的關(guān)系時(shí)，應(yīng)控制的變量有__________；

(2)工程師在探究單個(gè)輪胎滾動(dòng)阻力與行駛速度的關(guān)系時(shí)，輪胎克服最小阻力做功的功率大小為 ______W；

(3)實(shí)踐證明，當(dāng)汽車輪胎氣壓增大到一定值后，汽車的安全性會(huì)隨之降低.請(qǐng)綜合考慮汽車安全性，結(jié)合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出能有效減少汽車能耗的建議：__________.

本題是基于探究性問題的STEM試題，考查了常用的科學(xué)研究方法：控制變量法，圖像分析法.第2問引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算輪胎克服最小阻力做功的功率，為第3問進(jìn)一步提出有效減少汽車能耗的實(shí)踐性問題給出建議做好了充分的引導(dǎo)和鋪墊.本題提供的信息素材能夠增長(zhǎng)學(xué)生的科學(xué)知識(shí)，了解影響汽車安全性能的相關(guān)因素，滲透生命安全教育，提高科學(xué)素養(yǎng).

2.3 制造型STEM中考物理試題

制造型STEM中考物理試題注重做中學(xué)﹑用中學(xué).一般是對(duì)已有工具的認(rèn)識(shí)﹑理解﹑模仿﹑再現(xiàn)制作.力求通過豐富的感性經(jīng)驗(yàn)的積累，為理性的深刻認(rèn)識(shí)奠定基礎(chǔ)，提升學(xué)生的操作技能.

【例3】(廣東)桿秤是從我國(guó)古代沿用至今的稱量工具，如圖3是小明制作的桿秤的示意圖，使用時(shí)，將待稱物體掛在秤鉤上，用手提起B(yǎng)或C(相當(dāng)于支點(diǎn))處的秤紐，移動(dòng)秤砣在秤桿上的位置D，使秤桿達(dá)到水平平衡時(shí)可讀出待稱物體的質(zhì)量，此秤最大稱量是10 kg，秤砣最遠(yuǎn)可移至E點(diǎn).秤桿和秤鉤的質(zhì)量忽略不計(jì)，AB，BC，BE的長(zhǎng)度如圖所示(g取10 N/kg)，求：

(1)提起哪處的秤紐，此秤的稱量最大？

(2)秤砣質(zhì)量為多少？

(3)當(dāng)提起C處秤紐稱一袋質(zhì)量為2 kg的荔枝時(shí)，D與C之間的距離為多少？

圖3 例3題圖

本題杠桿的制作是一個(gè)工程技術(shù)問題，需要運(yùn)用到杠桿平衡條件這個(gè)科學(xué)原理.學(xué)生利用杠桿平衡條件分析找出桿秤最大稱量值與秤紐的位置，秤砣的位置之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算出CD間的距離，從而完成杠桿的制作這個(gè)技術(shù)問題.該題目將科學(xué)原理與技術(shù)相融合，能夠指導(dǎo)學(xué)生在生活中運(yùn)用所學(xué)科學(xué)原理來解決實(shí)踐中的技術(shù)性問題，體現(xiàn)了STEM的理念.

2.4 創(chuàng)造型STEM中考物理試題

創(chuàng)造型STEM中考物理試題，要求學(xué)生在對(duì)不同學(xué)科知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用基礎(chǔ)上，進(jìn)行拓展、重構(gòu)、遷移和整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)科學(xué)儀器的設(shè)計(jì)﹑改良﹑創(chuàng)新.該類試題關(guān)注學(xué)生在較高認(rèn)知水平層次上的實(shí)踐活動(dòng)，有助于學(xué)生高階思維的培養(yǎng)，讓高水平學(xué)生更有成就感.

【例4】(湖南衡陽)某興趣小組為檢測(cè)操場(chǎng)上的風(fēng)力等級(jí)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)簡(jiǎn)易風(fēng)速儀，其工作原理如圖4(a)所示.裝有擋風(fēng)板和滑片P的輕質(zhì)滑塊與輕質(zhì)彈簧套在滑桿MN上，滑桿上的摩擦力忽略不計(jì)，彈簧左端固定，右端與滑塊相連.擋風(fēng)板的擋風(fēng)面積為0.2 m2，均勻電阻絲AB長(zhǎng)為30 cm，阻值為15 Ω，電源電壓U恒為9 V，保護(hù)電阻R0為3 Ω，電壓表量程0～3 V.彈簧彈力F與彈簧長(zhǎng)度改變量x的關(guān)系如圖4(b)所示.無風(fēng)時(shí)，滑片P在A處，有風(fēng)時(shí)，滑塊移動(dòng)，穩(wěn)定后讀出電壓表示數(shù)，計(jì)算并查閱表1數(shù)據(jù)可知風(fēng)速及風(fēng)級(jí).

圖4 例4題圖

表1 風(fēng)速與風(fēng)壓等級(jí)劃分

(1)無風(fēng)時(shí)，求通過R0的電流；

(2)為保護(hù)電路安全，求出風(fēng)速儀所測(cè)最大風(fēng)力等級(jí)為幾級(jí)；

(3)某日從天氣預(yù)報(bào)得知，第二天風(fēng)力等級(jí)將達(dá)到五級(jí)，風(fēng)速v預(yù)計(jì)為10 m/s，在原有電路元件和電路基本連接方式均不變的基礎(chǔ)上，電路將如何改進(jìn)，在圖4(c)的虛線框內(nèi)將電路補(bǔ)充完整.小組成員還想計(jì)算出電路改進(jìn)后電壓表的示數(shù)，經(jīng)查閱資料得知，該擋風(fēng)板所受的風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，其關(guān)系式為p=kv2，(其中k為常量，數(shù)值為0.6)，假設(shè)你為該小組成員，請(qǐng)你計(jì)算出風(fēng)速為10 m/s時(shí)，改進(jìn)后的電路中電壓表的示數(shù).

本題是以解決測(cè)量風(fēng)速這一生活實(shí)際為出發(fā)點(diǎn)的工程問題，考查歐姆定律、彈簧形變、壓力和壓強(qiáng)的綜合計(jì)算，同時(shí)涉及圖像分析、電路設(shè)計(jì).題中第3問提出風(fēng)力達(dá)五級(jí)時(shí)如何改進(jìn)電路，需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)，既考查了學(xué)生的創(chuàng)造思維能力，又能啟發(fā)學(xué)生在設(shè)計(jì)中注意實(shí)際問題，使設(shè)計(jì)更加合理.

3 STEM中考物理試題的教學(xué)啟示

STEM中考物理試題注重跨學(xué)科實(shí)踐，通過創(chuàng)設(shè)具有探究性、開放性、綜合性的真實(shí)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)技能處理問題，要求學(xué)生具備很強(qiáng)的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力.

3.1 科學(xué)設(shè)計(jì)問題 提高學(xué)生能力水平

從驗(yàn)證﹑探究再到制作和創(chuàng)造分別對(duì)應(yīng)著學(xué)習(xí)者能力的初級(jí)階段﹑過渡階段再到高級(jí)階段和終極階段.同樣在進(jìn)行STEM跨學(xué)科問題設(shè)計(jì)時(shí)，前期可以驗(yàn)證性問題為主，夯實(shí)學(xué)科必備知識(shí)，在此基礎(chǔ)上有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的探究素養(yǎng)，最后在模仿制作與改良創(chuàng)新中提高學(xué)生的技術(shù)意識(shí)﹑工程思維和動(dòng)手實(shí)踐能力.

3.2 關(guān)注跨學(xué)科實(shí)踐 促進(jìn)學(xué)習(xí)方式變革

STEM中考物理試題具有明顯的跨學(xué)科性特點(diǎn)，問題情境多與日常生活﹑工程實(shí)踐﹑社會(huì)熱點(diǎn)等問題密切相關(guān).在一線的教學(xué)中要結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)開發(fā)跨學(xué)科實(shí)踐案例，創(chuàng)設(shè)充滿挑戰(zhàn)﹑激發(fā)學(xué)生思考的關(guān)鍵問題，通過動(dòng)手實(shí)踐提高學(xué)生參與的積極性，讓學(xué)生從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生問題解決能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力的提高.