基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的試題對物理實驗教學的啟示

摘 要：物理試題是學生學習物理的重要評價工具之一，物理實驗題是區(qū)分學生物理核心素養(yǎng)的重要題型。本文從一道中考物理試題引起的教師大討論入手，從學生的作答中剖析學生的思維過程，從而對實驗教學提出建議。師生只有在平時的教學中重視實驗教學，才能讓學生在實驗中學會觀察、學會抽象、學會建模，不拘泥于教材，而不是簡單的記憶，只有做實驗并在實驗中發(fā)現(xiàn)問題，通過實驗解決問題，才能提高學生的科學思維能力，提升核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：中考試題；實驗教學；科學思維；核心素養(yǎng)；浮力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）7-008-4

1 問題的提出

浮力大小與浸沒深度是否有關(guān)？這一道2017年重慶中考物理的實驗探究試題，引起了物理老師的大討論。老師們有三種觀點：第一種，贊成“無關(guān)”，老師拿出不同版本的教科書的原始結(jié)論為證。“物體在液體中所受的浮力的大小不僅與物體的密度有關(guān)，還與物體排開水的體積有關(guān)，而與浸沒在液體中的深度無關(guān)”（滬科版），“通過實驗表明，浮力大小跟物體浸沒深度無關(guān)”（人教版），“浮力的大小與物體浸沒在液體中的體積有關(guān)系，和物體的密度無關(guān)系，和液體的密度有關(guān)系，和物體浸沒在液體中的深度無關(guān)系”（教科版）；第二種觀點認為“有關(guān)”，根據(jù)題目提供的實驗情景，得出“有關(guān)”的結(jié)論；第三種觀點，“有關(guān)”和“無關(guān)”皆可，只要言之有理，給出相關(guān)聯(lián)的理由都行，甚至可以當成實驗探究中的“猜想”來對待。

為何一道實驗題在老師中會引起大討論？這和試題本身有關(guān)，也和老師平時的實驗教學有關(guān)。這道實驗題以真實的實驗過程為背景，以實驗中觀察的現(xiàn)象為證據(jù)，要求學生通過科學思維，探究現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)，很好地考查了學生的科學探究能力，區(qū)分了學生的核心素養(yǎng)。而不少物理老師通過對中考實驗考點及題型歸類，讓學生大量刷題，試著讓學生通過記憶就能在考試中取得高分。而2017年重慶中考的這一道物理實驗試題的呈現(xiàn)，引起了不少初中物理老師在這場大討論后對實驗教學的反思。筆者以這道實驗題為例，分析學生在答題中的思維過程，并結(jié)合案例，對初中物理實驗教學進行反思。

2 實驗試題及分析

2.1 實驗試題

重慶市2017年中考物理試題（A卷）第17題原題如下：

喜歡書法的小明同學用壓紙石塊設(shè)計了如下測量與探究活動，如圖1所示：

（1）……

（2）小明回家后用操作方便、精確度高的電子秤和同一塊壓紙石塊，探究“影響浮力大小的因素”。

①他將攪勻的糖水裝入柱形杯中，置于電子秤上，如圖c所示；

②用體積不計的細繩系好石塊，緩慢浸入糖水直至剛好浸沒，電子秤示數(shù)逐漸增大，則糖水對杯底的壓力____________ （選填“逐漸增大”“保持不變”或“逐漸減小”），說明石塊所受浮力大小與 ____________ 有關(guān)，如圖d所示位置，石塊所受浮力大小為 ____________ N；

③他將石塊沉入杯底，松開細繩，如圖e所示，便開始寫探究報告；

④完成探究報告后，他將石塊從糖水中緩慢提升。細心的小明發(fā)現(xiàn)石塊離開杯底至露出液面前，電子秤示數(shù)一直減小，這說明石塊在放置一段時間的糖水中受到的浮力大小與浸沒深度 ____________ 。（選填“有關(guān)”或“無關(guān)”），造成這個結(jié)果的主要原因可能是： ____________ 。

2.2 試題命制意圖分析

此題測量目標準確、明確，層次分明，重點突出，考查了學生對科學探究基本要素的能力要求，體現(xiàn)了考試說明中對“質(zhì)量”的考試要求；情景材料聯(lián)系生活實際，體現(xiàn)考試背景的公平；以探究浮力大小的真實實驗為背景，貼近學生生活，貼近社會，貼近時代，符合學生的認知特點，體現(xiàn)了“從生活走向物理、從物理走向社會”的課程理念；設(shè)問語言準確、簡明通俗，在解決實際問題中達成“過程與方法”課程目標，倡導(dǎo)師生教學中關(guān)注課外活動的探究。

2.3 試題涉及的核心素養(yǎng)分析

該題對“科學觀念”維度的考查有明確的體現(xiàn)，學生要有科學的“物質(zhì)觀”，要求學生對物質(zhì)的密度概念有所認知，同時明白實際生活中物質(zhì)的密度往往不均勻。例如，學生喝的飲料，放置一段時間后，飲料下部的濃度往往比飲料上部的濃度大；學生對“相互作用觀”也要有所體會，電子秤的讀數(shù)本質(zhì)上與容器的壓力、浮力等有關(guān)。從“科學思維”角度，學生要根據(jù)電子秤示數(shù)的變化，經(jīng)過綜合分析、推理論證等科學思維方法的內(nèi)化，在質(zhì)疑中反思教材中的實驗與這個實驗的差別，在創(chuàng)新中建立起密度不均勻的液體模型。從“科學探究”維度來看，試題在實驗中提出了物理問題，有猜想與假說，有證據(jù)，要求學生對實驗結(jié)果經(jīng)過科學思維進行解釋。從“科學態(tài)度與責任”維度，該題就是為了尋找電子秤“示數(shù)減少”的科學本質(zhì)，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度。

3 學生的解答及其思維過程分析

學生對于“石塊離開杯底至露出液面前，電子秤示數(shù)一直減小，造成這個結(jié)果的主要原因”這一設(shè)問的思考與作答過程，其實是探究物理本質(zhì)的過程。答案可以說得“百花齊放”“千奇百怪”。通過對“石塊在放置一段時間的糖水中受到的浮力大小與浸沒深度 （選填‘有關(guān)或‘無關(guān)）”對學生的答案進行歸納發(fā)現(xiàn)，填“無關(guān)”的較多，在填寫“主要原因”時，可以看出學生對這個問題關(guān)注的對象各有不同，即使從同一對象中去尋找物理本質(zhì)，但其關(guān)注點差別也很大。接下來從學生作答的研究對象入手，對學生的科學思維過程進行剖析。

3.1 研究對象為糖水

3.1.1 學生典型作答一

“糖水中有晶體析出，造成液體密度逐漸減小?！?/p>

3.1.2 學生典型作答二

“因為石塊會吸水，糖會自動析出，造成糖水密度減小，所以浮力減小?！?/p>

分析：學生從化學所學的知識可知，因為石塊吸水，糖水溶液一旦達到過飽和狀態(tài)，糖會析出。此過程中雖然有糖析出，但石塊吸水會引起溶液中水的體積減少，糖水的濃度變大才會導(dǎo)致過飽和狀態(tài)，所以糖水密度實際上是增大的。由浮力公式可知，浮力增大。學生從這個層面回答，主要是學生對密度的計算把握不全面，只關(guān)注液體中糖的質(zhì)量減少，沒有考慮水的體積的變化，片面地推斷糖水密度減少。

3.1.3 學生的其他作答

“糖水變質(zhì)了”“糖水中有雜質(zhì)”“糖水的密度大于水的密度”“糖水一直在蒸發(fā)，導(dǎo)致密度增大”“糖水是過飽和溶液，糖水未完全溶解”等。這些答案有猜想的成分，沒能回答到“主要原因”的本質(zhì)上去。

3.2 研究對象為石塊

學生典型作答：“因為石塊會沉底，對杯底有壓力”“糖水中有晶體析出，附著在石塊上，所以石塊的重力增大”“因為石塊的密度大于糖水的密度”“石塊的重力大于石塊的浮力”。

分析：這些答案，學生有猜的因素，在邏輯上經(jīng)不起推敲。石塊會沉底，對杯底有壓力，會導(dǎo)致電子秤示數(shù)變大，與題干條件不符；糖水中晶體析出附著在石塊上，石塊重力增加，細線彈力會變大；石塊密度大于糖水的密度以及石塊的重力大于石塊的浮力，只能說明如果沒有細線作用，石塊會下沉，這與電子秤的示數(shù)變小沒有直接關(guān)聯(lián)。

3.3 研究對象為細繩

學生作答有“因細繩在上升過程中，浸入的體積在減小，所以總的浮力隨深度的減小而減小”“細繩會吸水造成誤差”等。

分析：學生在審題的時候沒有看清楚“體積不計的細繩”的表述，其實這是理想模型，暫時忽略了繩的體積，故其吸水性不予考慮。同時，題干中要求探究的是“主要原因”，所以不會因為細繩吸水造成浮力的變化。

3.4 研究對象為環(huán)境

學生作答有：“因為大氣壓的變化，所以造成物體在液體中的壓力變化”“因為周圍的溫度發(fā)生變化”。

分析：學生在思考過程中，沒有捕捉到題干提供的電子秤變化信息——“示數(shù)減少”，所以在回答主要原因時應(yīng)該結(jié)合電子秤“示數(shù)減少”去探尋。

3.5 研究對象為拉動方式

有學生作答為“未勻速拉動”。

分析：出現(xiàn)這種答案的原因在于，學生沒有注意到“緩慢提升”的理想過程，這是動力學有關(guān)的平衡問題，如不緩慢拉動，這里將涉及初高中銜接的有關(guān)知識。

3.6 研究對象為電子秤

學生作答“電子秤出現(xiàn)故障了”，這是試圖從實驗儀器上尋找“主要原因”，但問題的意圖是解釋“證據(jù)”的本質(zhì)。

該題很新穎，源于學生的生活體驗。第一，喝飲料時學生往往體會到，杯底部分的飲料濃度比上部的濃度大。第二，對于糖水的密度不均勻，可以通過光的折射來觀察，用激光水平射入放置過一段時間的糖水，可以發(fā)現(xiàn)，激光越接近容器底部，光的折射越明顯。

學生要找到正確的“主要原因”有難度，因為學生作答時在思維上有以下不足：

第一，學生捕捉信息的能力有待加強。題目的設(shè)問是緩慢向上拉動，即在空間上的變化使得電子秤示數(shù)減少的原因，很多學生理解為時間上的變化，糖水密度會變化。

第二，學生基于證據(jù)的科學探究、科學思維能力需要加強。實驗的問題要在實驗中生成，要從現(xiàn)象得出結(jié)論，以實事求是的科學態(tài)度與責任對待實驗過程。盡管實驗現(xiàn)象與教材中的結(jié)論有差異，但要實事求是地分析現(xiàn)象的本質(zhì)。

第三，學生對實驗中的生成問題訓練得不夠，需要在實驗教學中加強訓練。

4 對物理實驗教學的啟示

4.1 重視實驗教學，多做物理實驗

讓學生在科學探究中進行科學思維訓練，無論是演示實驗還是學生實驗，教師都要克服困難做實驗。如干冰的實驗教學中，由于干冰儲存不易，教師在課前可以到附近的蛋糕店尋找干冰，可以明顯觀察到包裝口袋的凝華現(xiàn)象，在演示干冰升華時，可以設(shè)計以下教學情境。

實驗一，展示干冰的包裝口袋。在口袋外部有一層霜，如圖2a所示。教師提問：霜是怎樣形成的呢？請學生思考為什么。

實驗二，將干冰放入冷水中演示。如圖2b所示，冷水中會有大量氣泡冒出，同時冒出“宛若仙境”的“白氣”，“氣泡”和“白氣”的成分是什么？這是怎樣形成的？還有容器的溫度會急劇降低，這又是為什么？同時給每位學生分發(fā)干冰，如圖2c所示，讓每個學生都能體驗并觀察，學生很快就可以解釋“氣泡”“白氣”的成分和形成原因：“氣泡”的成分是二氧化碳，是水中的干冰升華導(dǎo)致二氧化碳氣體從水中冒出，“白氣”是由于空氣中水蒸氣遇冷形成的，同時感受水溫降低。

實驗三，將干冰分別放入冷水與熱水中，如圖3a和圖3b所示，實驗現(xiàn)象差別很大。干冰放入后，冷水周圍的“白氣”比熱水周圍的“白氣”多，引導(dǎo)學生思考這是為什么？

4.2 關(guān)注學生學習的思維過程

關(guān)注學生的學習過程，讓學生在實驗中觀察現(xiàn)象、抽象模型，從而形成概念、建立規(guī)律、體驗應(yīng)用。教師對學生把脈后才能對癥下藥，才能設(shè)計符合學生實際的教學策略。

比如，在電學中學生建立“短路”模型時，教師可分五個思維步驟設(shè)計以下的實驗探究，如圖4所示，讓學生逐漸理解短路時電流過大容易引起火災(zāi)。

第一，觀察現(xiàn)象。部分用電器短路，感受電流增大。兩個燈泡串聯(lián)，當開關(guān)S1閉合、S2斷開時，兩個燈泡正常發(fā)光。當兩個電鍵同時閉合時，L2立即熄滅，L1的亮度更大。實驗表明，部分用電器短路，被短路的用電器沒有電流通過，而通過另一用電器的電流變大。

第二，推理歸納。教師引導(dǎo)學生思考討論，如果所有用電器都被短路呢？也就是電源被短路，電流會很大，這樣讓學生逐漸思考電源短路的特點，雖是通路，但電流很大，容易引發(fā)火災(zāi)，這樣就實現(xiàn)思維能力的遷移。

第三，再次實驗。體驗 “短路”時引發(fā)火災(zāi)，用一節(jié)干電池和口香糖包裝紙做實驗，將口香糖包裝紙剪成 “V”字型，用口香糖包裝紙導(dǎo)電的一面直接連接干電池的正負極，可以看到，最窄處立刻燃燒冒煙，學生再次體驗到“短路”的危險。

第四，聯(lián)系實際。家庭電路中正常電壓是220 V，如果短路會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？學生猜想出會很危險，接著老師演示實驗（如圖5a所示），當家庭電路短路時，保險絲立刻發(fā)出爆炸聲并冒出火花和濃煙，保險絲被熔斷（如圖5b、圖5c所示）。

第五，得出結(jié)論。一般情況下短路是絕對不允許的。

4.3 關(guān)注實驗中生成的問題，在實驗中解決問題

學生操作錯誤會帶來新的問題。比如，在學習滑動變阻器的閉合電路，燈泡往往不發(fā)光，教師此時提出，燈泡是否已經(jīng)損壞？接下來教師通過減少滑動變阻器的電阻，燈泡逐漸亮起來，讓學生明白燈泡沒有損壞。但此時生成了新的問題：為什么閉合電鍵時燈泡不發(fā)光？通過討論，學生意識到，燈泡之所以最初不發(fā)光，實際上是因為電流太小，不足以讓燈泡達到發(fā)光程度。

建構(gòu)主義學習理論指出，教學必須尊重學生現(xiàn)有的知識經(jīng)驗，學生是具有主動性、自主性、探索性的個體，在學習中應(yīng)強調(diào)基于案例的探究學習。課堂實驗教學能給物理學習提供很多探究案例，為加速提升學生的核心素養(yǎng)，教師在教學中要重視實驗教學。

參考文獻：

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