加強關(guān)鍵能力考查 促進科學思維培養(yǎng)

董耀 朱行建 孫偉軍

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

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵能力;科學思維;圖形組織器;中考

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）2-0036-5

1 ? ?對“關(guān)鍵能力”與“科學思維”的認識

關(guān)鍵能力是學生在面對與學科相關(guān)的生活實踐或?qū)W習探索問題情境時，能夠高質(zhì)量地認識問題﹑分析問題和解決問題所必備的能力。關(guān)鍵能力是支撐個體終身發(fā)展和適應時代要求的能力，是發(fā)展學科素養(yǎng)﹑培育核心價值所必須具備的能力基礎(chǔ)。它由知識獲取能力群﹑實踐操作能力群﹑思維認知能力群構(gòu)成;與之相對應的是《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）中的關(guān)鍵能力：概括理解﹑實驗探究﹑實踐應用。

課程標準中明確指出：“科學思維”是從物理學角度對客觀事物的本質(zhì)屬性﹑內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式;是基于經(jīng)驗事實構(gòu)建物理模型的抽象概括過程;是分析綜合﹑推理論證等方法在科學領(lǐng)域的具體運用;是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格[1]?！翱茖W思維”包括模型建構(gòu)﹑科學推理﹑科學論證﹑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“科學思維”中的科學推理﹑科學論證合并為“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”;將物理學科所要求的實驗能力和科學探究能力整合為“實驗探究能力”;“理解能力”主要對應學科素養(yǎng)中的“物理觀念”。綜上，物理學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、實驗探究能力5種能力。5種能力是對課程標準中關(guān)鍵能力的具體化[2]。關(guān)鍵能力架構(gòu)對比圖如圖2所示。

2 ? ?力學﹑電磁學綜合試題的考查意義

首先，從“科學內(nèi)容”的角度來看，力學和電磁學分別是“運動和相互作用”和“能量”兩個一級主題中的核心內(nèi)容，對于學生而言“運動與相互作用觀念”“能量觀念”的建立尤為重要，有助于學生對物理概念、規(guī)律的提煉與升華。

其次，以課程標準和教材中的課時規(guī)定為參考，統(tǒng)計得出初中物理各個知識模塊的課時比例（表1）。由表1可知，力學與電磁學知識模塊占據(jù)初中物理知識模塊的半壁江山，理應成為中考考查的重點和難點。

最后，從試題測試功能上看，綜合類試題不僅僅是知識的綜合，更是能力的綜合。一方面，該類試題一般考點分布廣，綜合考查了“物質(zhì)”“運動與相互作用”“能量”主題中的多個知識模塊;另一方面，該類綜合試題所有概念和信息都是包含在情境中，與情境有機融合，學生需要在情境的解讀中準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，需要合理運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進行科學推理，能夠很好地考查學生在應對復雜生活情境時的物理學科核心素養(yǎng)。同時，也引導教師在教學中應該適時講述物理學科知識在科學、技術(shù)、工程、社會等方面的應用價值，具有很好的教學導向作用。

3 ? ?2020年鎮(zhèn)江市力學﹑電磁學綜合試題評析

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)。該類綜合試題一般設問層次明顯，梯度合理，關(guān)注不同能力水平學生的作答表現(xiàn)，使學科基礎(chǔ)扎實的學生更有獲得感。這些綜合試題能夠基于實際案例考查學生完整、全面的認知體系，關(guān)注學生的關(guān)鍵能力，著意于學生的科學思維，促進學生的深刻理解。下面以2020年鎮(zhèn)江市中考力學、電磁學綜合試題為例進行分析。

3.1 ? ?原題呈現(xiàn)

例1 圖3是蓄水池水位自動控制模擬裝置，可繞O點轉(zhuǎn)動的輕質(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長為1 m，BO長為2 m;浮塊邊長為20 cm，密度為5×103 kg/m3，下表面距池底2 m;當電磁鐵線圈中的電流I≤0.02 A時，鐵塊K被釋放，水泵開始工作向水池注水，反之停止注水，池內(nèi)達到所設定的最高水位，線圈電阻不計;電壓U=6 V，電阻箱R調(diào)至75 Ω;設RF的阻值與支架所施加壓力F的關(guān)系圖線如圖4所示，g取10 N/kg。

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

（2）當池內(nèi)達到所設定的最高水位時，求∶

①輕繩對浮塊的拉力________;

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接入電路的阻值應滿足的條件是________________。

3.2 ? ?概括提取關(guān)鍵信息，認識事物內(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，進而解決問題。通過關(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控制系統(tǒng)的各影響因素之間的反饋過程。自動控制系統(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)變化過程

通過對蓄水池水位自動控制的分析，學生可以意識到該控制系統(tǒng)主要涉及三個物理模型：（1）浮塊的受力平衡模型;（2）杠桿模型;（3）簡單的串聯(lián)電路模型。基于上述三個模型的理解，我們再次利用圖形組織器，半定量化呈現(xiàn)系統(tǒng)各因素的影響變化過程。水位自動控制系統(tǒng)工作流程圖如圖6所示。

3.4 ? ?借助圖形組織器，視覺化推理論證過程

在上述邏輯分析推理過程中，我們都利用了圖形組織器。圖形組織器可以幫助學生組織相關(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、不同步驟或科學過程按順序依次排列整合，知道每個因素步驟會導向何方，也知道各個部分如何按邏輯有機地組合成整體。當學生有圖形組織器作為參考后，就能更快地將邏輯分析過程或推理步驟內(nèi)化于心。此外，圖形組織器也有助于學生自我復核，用來檢查邏輯分析過程中是否有遺漏[3]。

3.5 ? ?運用圖形組織器定量進行推理論證

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

故我們利用圖形組織器，以電流為0.02 A為突破口，按照圖形組織器箭頭所指的逆方向進行推理運算，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

基于已知事實將情境中看似零散的、雜亂的、支離破碎的因果關(guān)系進行歸納與整合，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，可以較好地考查學生的理解能力。

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

結(jié)合題中裝置圖可以分析得知水位的變化并不一定導致浮力的變化，若水位低于浮塊下表面，則水位的變化無法導致浮力的變化，如圖7（a）所示;若水位高于浮塊上表面，水位的變化也無法導致浮力的變化，如圖7（b）所示。因此，實現(xiàn)閉環(huán)反饋的關(guān)鍵信息在于：水位的變化必須導致浮力變化，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，如圖7（c）所示。

該小題對于學生來說有一定的難度，學生一般難以意識到“水位的變化”是“浮力變化”的必要不充分條件，其實這一關(guān)鍵信息來源于下面這個典型試題：

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

從相對運動的角度來看，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 ? ?科學建構(gòu)模型，培養(yǎng)推理論證能力

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

在對2020年鎮(zhèn)江市中考力學﹑電磁學綜合試題的分析中，我們多次運用了圖形組織器，相較于文本信息，“形”更為直觀，形是直觀想象和抽象思維的載體，借助圖形組織器呈現(xiàn)抽象的邏輯思維過程，也是對整個反饋通路的模型建構(gòu)過程。它能夠幫助學生建構(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，將推理論證過程清晰呈現(xiàn)，有助于學生建模能力的發(fā)展和推理論證水平的提高。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內(nèi)容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）：38-44.

[3]（美）R布魯斯·威廉姆斯.高階思維培養(yǎng)有門道[M].劉靜，譯.北京：教育科學出版社2021：120-124.

（欄目編輯 ? ?陳 ?潔）

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