利用圖像法考查學(xué)生科學(xué)解釋數(shù)據(jù)能力的試題命制

肖永琴

摘 要：基于PISA 2015科學(xué)素養(yǎng)評估框架和義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生科學(xué)探究能力的要求，指出提升學(xué)生科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)的能力是培育學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的三種能力之一，以五種類型的圖像問題試題的命制研究為例，闡明了試題評價(jià)、學(xué)科教學(xué)與學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：圖像法；解釋數(shù)據(jù)能力；中考物理；試題命制

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）5-0008-4

PISA 2015科學(xué)素養(yǎng)評估框架提出學(xué)生應(yīng)具有的科學(xué)素養(yǎng)需要三種能力，其中之一是科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)，即能分析并評估以各種形式呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)和論點(diǎn)，并得出合理的科學(xué)結(jié)論。義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)在“知識與技能”“過程與方法”的目標(biāo)中對實(shí)驗(yàn)結(jié)果描述和信息處理提出了一些明確要求。圖像法作為物理研究中處理數(shù)據(jù)很重要的方法，也是初高中銜接教學(xué)重要的方式，在物理研究和教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。筆者曾主持福建省基礎(chǔ)教育課程改革課題“中考試題對‘過程與方法目標(biāo)考查的實(shí)踐研究”，總結(jié)了命制圖像類試題的五種類型。下面結(jié)合筆者親歷多年的中考命題經(jīng)驗(yàn)，以福州市中考物理和市質(zhì)檢原創(chuàng)試題命制為例，闡述依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，如何利用圖像法考查學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決物理問題的能力，落實(shí)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1 認(rèn)識圖像的能力

1.1 命題思路

此類試題主要針對課程標(biāo)準(zhǔn)要求中的“會用簡單圖表等描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對信息的有效性、客觀性做出判斷的意識”。試題的切入點(diǎn)在于會識別圖像，從中獲取信息并做出基本的判斷，此類試題也屬于圖像問題的基本要求。

1.2 典型試題命制

（1）能讀懂圖像獲取相關(guān)信息

例1 如圖1所示是某物質(zhì)凝固時(shí)溫度隨時(shí)間變化的圖像，由圖像可知該物質(zhì)（ ）

A.是非晶體 B.在AB段處于固態(tài)

C.在BC段放熱，溫度不變

D.凝固過程持續(xù)了5 min

（2）會根據(jù)圖像判斷物理量之間的關(guān)系

例2 電動車在勻速直線上坡的過程中，各物理量隨時(shí)間的變化關(guān)系如下圖所示，其中正確的是（ ）

命題溯源：我們在教學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對圖像的“點(diǎn)”“線”“斜率”“面”等方面體現(xiàn)的物理意義不是很清晰，導(dǎo)致對物理過程的理解也很混亂，故圖像識別分析也是中考?？嫉膯栴}。如在溫度隨時(shí)間變化的圖像中，學(xué)生對于“點(diǎn)”對應(yīng)的是物質(zhì)的狀態(tài)、“拐點(diǎn)”是不同狀態(tài)的分界點(diǎn)、“線段”表示的是某一物態(tài)變化過程的理解不夠，還經(jīng)常將加熱時(shí)間與熔化、凝固過程的時(shí)間混淆。所以，我們經(jīng)常針對學(xué)生對圖像理解的易錯(cuò)點(diǎn)進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)置，讓他們學(xué)會分析圖像，獲取正確的信息并做出判斷，對物理量之間關(guān)系的描述更加清晰。

在教學(xué)時(shí)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生理解：物理圖像上的一個(gè)“點(diǎn)”對應(yīng)一個(gè)物理狀態(tài)，包含著該物理狀態(tài)的特征和特性；“拐點(diǎn)”通常反映出物理過程在該點(diǎn)發(fā)生突變；圖像斜率代表兩個(gè)物理量之比值，其大小往往代表另一物理量的值；“線段”表示的是某一狀態(tài)變化的過程，圖線的變化規(guī)律反映了橫縱坐標(biāo)表示的兩物理量之間的變化關(guān)系；“面”指圖線與橫縱坐標(biāo)所圍面積表示的物理意義，其大小常代表另一物理量的大小。通過對圖像的深刻理解突出了物理的本質(zhì)，加深了對物理規(guī)律的理解，也為高中物理教學(xué)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納概括的能力

2.1 命題思路

此類試題主要針對課程標(biāo)準(zhǔn)要求中的“經(jīng)歷從信息中分析、歸納規(guī)律的過程，嘗試解釋根據(jù)調(diào)查或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論，有初步的分析概括能力”。試題的切入點(diǎn)主要是為了揭示物理規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對應(yīng)地描在圖像中，根據(jù)圖像所反映的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行分析、歸納，得到物理量之間的內(nèi)在規(guī)律，從而得出結(jié)論。

2.2 典型試題命制：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，并分析得出結(jié)論

例3 小佳同學(xué)利用運(yùn)動鞋進(jìn)一步探究“滑動摩擦力與壓力大小的定量關(guān)系”。

（1）如圖2所示，他用彈簧測力計(jì)水平拉著運(yùn)動鞋在水平桌面上做勻速直線運(yùn)動，其目的是______________________________________________________；此時(shí)彈簧測力計(jì)的示數(shù)為_________________N。

（2）再往鞋子里添加砝碼并均勻擺放，改變的是鞋對桌面的_________________，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中。

（3）請根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖3中作出運(yùn)動鞋受到的滑動摩擦力與壓力大小關(guān)系的圖像。

（4）分析圖像可得結(jié)論：_________________________。

命題溯源：本題是在課本要求探究滑動摩擦力與什么因素有關(guān)的定性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用運(yùn)動鞋進(jìn)一步探究滑動摩擦力與壓力大小的定量關(guān)系。在第（1）問考查了二力平衡條件、力和運(yùn)動的關(guān)系、彈簧測力計(jì)的使用，讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的原理和轉(zhuǎn)換的思想；第（2）問考查了學(xué)生對控制變量法的實(shí)質(zhì)性理解，知道實(shí)驗(yàn)為什么要這么做；第（3）（4）問要求利用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作出滑動摩擦力與壓力大小關(guān)系的圖像，分析畫出的圖像從而歸納得出滑動摩擦力與壓力大小成正比的定量關(guān)系。在考查學(xué)生數(shù)據(jù)處理、分析論證的能力，靈活應(yīng)用控制變量法、轉(zhuǎn)換法進(jìn)行探究的同時(shí)，還注重了初高中物理知識銜接的問題，實(shí)現(xiàn)了探究能力和方法的遷移。試題既源于教材，又高于教材。

3 數(shù)據(jù)描述的互譯能力

3.1 命題思路

此類試題主要針對數(shù)據(jù)描述方式的深刻理解，命制切入點(diǎn)在根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所描述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同方式，在文字表達(dá)、表格、圖像、數(shù)學(xué)表達(dá)式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.2 典型試題命制

例4-1 小楊為了探究電阻大小與導(dǎo)體長度的關(guān)系，選擇了材料和橫截面積都相同、而長度不同的一些金屬絲，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

請根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖4中作出R-L圖像，分析圖像可得結(jié)論：______________________________。

例4-2 小楊為了探究電阻大小與導(dǎo)體長度的關(guān)系，選擇了材料和橫截面積都相同、而長度不同的一些金屬絲，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。請分析數(shù)據(jù)歸納出電阻大小與長度的關(guān)系式是R=_______________________。

例4-3 小楊為了探究電阻大小與導(dǎo)體長度的關(guān)系，選擇了材料和橫截面積都相同、而長度不同的一些金屬絲，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出的R-L圖像如圖5所示。分析圖像可知電阻大小與長度的關(guān)系式是R=____________________。（填序號）

A.（7 Ω/m）L B.（7 m/Ω）L

C.7 Ω/（m L） D.7（m /ΩL）

命題溯源：上述三題是我們在2017年福州初三質(zhì)檢試題命制過程中，對數(shù)據(jù)處理能力考查的三種考慮，旨在考查學(xué)生對數(shù)據(jù)描述的互譯能力。例4-1要求根據(jù)表格的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出R-L圖像，分析圖像得出結(jié)論，再進(jìn)行文字表述，即在表格、圖像、文字表達(dá)三種方式中互相轉(zhuǎn)換；例4-2要求分析表格數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，歸納出R與L之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，再寫出關(guān)系式，側(cè)重在表格和數(shù)學(xué)表達(dá)式之間互譯；例4-3側(cè)重考查圖像和數(shù)學(xué)表達(dá)式之間的互譯能力。第一種考法我們以前命制的較多，且本卷已有一個(gè)表格問題，考慮到第二種考法對學(xué)生的思維能力要求較高，單位量綱容易混亂，考慮到目前的一線教學(xué)暫未跟上，故最后采用了第三種考法，并用選擇的方式降低單位量綱對試題難度的影響，重點(diǎn)突出了圖像與函數(shù)關(guān)系的對應(yīng)轉(zhuǎn)換。

4 利用圖像表述物理過程的變化的能力

4.1 命題思路

此類試題主要針對物理過程變化的描述，讓學(xué)生理解應(yīng)用圖像法可以直觀、形象地描述出物理過程變化的動態(tài)規(guī)律，加深對物理過程的理解。

4.2 典型試題命制

例5 如圖6所示的電路，電源電壓3 V保持不變。閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，選項(xiàng)中反映電路消耗的總功率P隨電流I變化的關(guān)系圖像是（ ）

命題溯源：這是一個(gè)經(jīng)典的串聯(lián)電路動態(tài)電路分析問題，我們在選項(xiàng)中設(shè)置了不同研究對象的P與I之間的對應(yīng)關(guān)系。要求學(xué)生應(yīng)用歐姆定律和串聯(lián)電路的特點(diǎn)，先分析由于滑動變阻器滑片移動后造成電路中電流、電壓的變化情況，弄清物理過程，然后再對照圖像，找到總功率P與I之間的對應(yīng)關(guān)系，一旦真正理解物理過程的變化后，自然也就明白C選項(xiàng)對應(yīng)的是R1的P-I關(guān)系圖像，D選項(xiàng)對應(yīng)的是R2的P-I關(guān)系圖像，這也是對應(yīng)用數(shù)學(xué)工具解決物理問題能力的進(jìn)一步提升，也為試題的評講和學(xué)生后續(xù)的能力訓(xùn)練留出了更大的空間。

5 從圖像中獲取有用信息，解決實(shí)際問題的能力

5.1 命題思路

此類試題主要考查學(xué)生是否能讀懂每個(gè)點(diǎn)、線的物理意義，學(xué)會從圖像中獲取有用的信息，進(jìn)行比較、計(jì)算，從而解決實(shí)際問題?？疾榈念}型靈活，可以是填空、選擇、實(shí)驗(yàn)探究題，也可以是計(jì)算題。

5.2 典型試題命制

例6 甲和乙兩燈的額定電壓均為6 V，如圖7是甲、乙兩燈的電流隨其兩端電壓變化的曲線?，F(xiàn)將兩燈串聯(lián)后接在某一電路中，要使其中一個(gè)燈泡正常發(fā)光，并保證電路安全，電路的工作電流應(yīng)為______________A，電源電壓為_______V。

命題溯源：這是一道較復(fù)雜、對學(xué)生能力要求較高的試題。題設(shè)數(shù)據(jù)只給出了兩燈額定電壓均為6 V，沒有常規(guī)的其他數(shù)據(jù)，考生需通過對兩個(gè)小燈泡的 I-U 圖像深入分析，從而獲取有用的數(shù)據(jù)。題設(shè)告知兩燈串聯(lián)后接在某一電路中，要使其中一個(gè)燈泡正常發(fā)光說明燈兩端電壓為6 V，從圖像可以看出，此種情況通過甲燈電流為1.0 A，乙燈電流為0.5 A，因?yàn)閮蔁舸?lián)，還要保證電路安全，就要滿足小電流的條件，因此，電路的工作電流只能為0.5 A，即乙燈正常工作；而對甲燈來說，分析圖像可知，當(dāng)電流為0.5 A時(shí)，甲燈兩端的電壓為2 V，因此，電源電壓為8 V。此題要求學(xué)生靈活應(yīng)用歐姆定律、串聯(lián)電路的電流特點(diǎn)、燈泡電阻的變化，同時(shí)考慮電路安全問題進(jìn)行分析和計(jì)算，考查了學(xué)生思維的靈活性、全面性，有機(jī)地融合了物理知識與方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生問題解決的能力。

從以上試題命制實(shí)例可以看到，一些看似復(fù)雜的物理問題，應(yīng)用圖像法進(jìn)行分析和研究，可使問題變得簡明、形象、直觀，往往能達(dá)到事半功倍的效果。物理圖像包含的物理意義是多方面的，圖像法除了可以直觀地描述物理量之間的關(guān)系、形象地表達(dá)物理規(guī)律、描述物理過程、簡化實(shí)驗(yàn)分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外，還可以恰當(dāng)?shù)乇硎居谜Z言難以表達(dá)的內(nèi)涵，作為物理中重要的研究方法，教師在教學(xué)中應(yīng)該給予重視，并充分發(fā)揮其在培育學(xué)生核心素養(yǎng)過程中的作用。