真實情境為載體的試題命制分析與教學(xué)啟示*

王理想

(海南省教育研究培訓(xùn)院 海南 海口 571100)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》指出考試試題要反映物理學(xué)科本質(zhì),密切聯(lián)系生產(chǎn)生活實際;注重以核心物理概念、規(guī)律、思想和方法等內(nèi)容設(shè)計試題,考查知識內(nèi)容應(yīng)具有代表性,要反映物理學(xué)的知識結(jié)構(gòu)和基本規(guī)律[1].

2022年高考是在《中國高考評價體系》理念指引下、新課程標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)繩約束下的高考命題,試題體現(xiàn)新課程、新教材的思想理念.探尋部分試題特點與命題規(guī)律對物理教學(xué)、備考指導(dǎo)具有極其重要的意義.《中國高考評價體系》明確高考的考查內(nèi)容和考查要求的同時,還明確了高考的考查載體——真實的問題情境,以此承載考查內(nèi)容,實現(xiàn)考查要求,實現(xiàn)立德樹人核心功能.

真實的問題情境主旨生活實踐情境,此類試題要求學(xué)生運用所學(xué)知識靈活地解釋生活現(xiàn)象, 通過選取體現(xiàn)文化、科技等適宜的素材問題情境,發(fā)揮試題核心價值的引領(lǐng)作用,讓學(xué)生運用必備知識和關(guān)鍵能力去解決實際問題的過程中展現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)水平.以拱券結(jié)構(gòu)橋梁模型、智能手機測加速度隨時間變化兩道試題為例分析以真實情境為載體的試題命制及其教學(xué)啟示.

1 拱券結(jié)構(gòu)橋梁模型試題

【例題1】拱券結(jié)構(gòu)的趙州橋展示了我國古代人民的智慧和高超的造橋技術(shù).作為一個簡化模型用6塊形狀相同的楔形塊搭建成半圓形拱券結(jié)構(gòu)橋梁模型如圖1所示.1號與6號楔形塊固定在水平面上,3號與4號、2號與5號楔形塊的質(zhì)量分別相同.若不計楔形塊之間的摩擦力,當(dāng)橋梁模型穩(wěn)定時,3號與2號楔形塊的質(zhì)量之比為多少?

圖1 拱券結(jié)構(gòu)

試題以生產(chǎn)生活中的具體實例為背景設(shè)置情境結(jié)合型命題立意.生活實踐情境具有真實性、問題設(shè)置具有探究性、開放性,體現(xiàn)了中國古代科學(xué)技術(shù)上的巨大成就,彰顯文化自信.如圖2所示,趙州橋是世界上現(xiàn)存年代久遠、跨度最大、保存最完整的單孔坦弧敞肩石拱橋,其建造工藝獨特,設(shè)計施工符合力學(xué)原理,圓弧拱形式結(jié)構(gòu)合理,由拱券沿寬度方向并列組合在一起.如圖1所示,整體分析,楔形塊的全部重力都分解到對橋墩的壓力;對1號楔形塊分析可知水平方向受到指向內(nèi)側(cè)的摩擦力.所以,拱橋能承受很大的壓力而不垮塌[2].

圖2 趙州橋

試題通過學(xué)生在面對復(fù)雜現(xiàn)實情境,參與相應(yīng)的分析解決問題中的外在表現(xiàn)來考查學(xué)科素養(yǎng).考查學(xué)生必備知識:能對物體進行受力分析,會用共點力的平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問題;考查關(guān)鍵能力:理解能力、模型建構(gòu)能力、推理論證能力.通過模型建構(gòu),利用整體與隔離法分析推理,應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的過程中,建立運動與相互作用觀,提升科學(xué)思維能力,形成科學(xué)的態(tài)度與責(zé)任[3].

1.1 試題解析

試題中拱券結(jié)構(gòu)模型作了理想化處理,不計摩擦力,每個楔形塊對應(yīng)圓心角θ=30°.設(shè)3號、2號楔形塊質(zhì)量分別為m1、m2,3號受到2號、4號楔形塊作用力大小分別為F1、F,2號受到1號楔形塊作用力大小為F2.隔離3號楔形塊受力分析如圖3所示;2號、3號楔形塊整體受力分析如圖4所示.

圖3 3號楔形塊受力分析

圖4 2號、3號楔形塊整體受力分析

由共點力平衡知識得出

m1g=Ftanθ

(1)

(m1+m2)g=Ftan 2θ

(2)

由式(1)與式(2)聯(lián)立解得

1.2 試題拓展分析

把圖3與圖4放在一起如圖5所示,可以得出,從過圓心的豎直方向逆時針每轉(zhuǎn)一個楔形塊,角度增加一個θ.

圖5 圖3與圖4疊加

由共點力平衡知識得出

(3)

式(3)變形得

分析1:如果m1與m2比值大于k,即圖1中2號與5號楔形塊質(zhì)量小了,2號、5號兩楔形塊被向外側(cè)擠出,3號、4號兩楔形塊向內(nèi)側(cè)凹陷,橋梁模型坍塌.

分析2:如果m1與m2比值小于k,即圖1中2號與5號楔形塊質(zhì)量大了,試題中2號、5號兩楔形塊被擠壓向內(nèi)側(cè)凹陷,3號、4號兩楔形塊向外側(cè)擠出,橋梁模型坍塌.

分析3:合理外推出,橋梁模型由8塊形狀相同的楔形塊組成如圖6所示,左右兩側(cè)關(guān)于過圓心的豎直方向?qū)ΨQ楔形塊的質(zhì)量相等.設(shè)2號、 3號、 4號楔形塊的質(zhì)量分別為m2、m3、m4,其中θ=22.5°.

圖6 拱券結(jié)構(gòu)

當(dāng)橋梁模型穩(wěn)定時,由共點力平衡知識得出

(4)

(5)

由式(4)與式(5)聯(lián)立解得3個楔形塊的質(zhì)量之比.

同理可以類推出,由更多偶數(shù)塊楔形塊組成的穩(wěn)定的拱券結(jié)構(gòu)橋梁模型對應(yīng)楔形塊的質(zhì)量之比.如果由奇數(shù)塊楔形塊組成的穩(wěn)定的拱券結(jié)構(gòu)橋梁模型,可以把楔形塊分成兩塊變成偶數(shù)塊處理即可.

2 智能手機測加速度隨時間變化試題

【例題2】某同學(xué)從5樓乘坐電梯下降到1樓,在此過程中他利用手機內(nèi)置的加速度傳感器測得電梯運行的加速度a隨時間t的變化關(guān)系如圖7所示,則( )

圖7 加速度隨時間的變化關(guān)系

A.t=1 s 時該同學(xué)處于失重狀態(tài)

B.t=10 s 時該同學(xué)處于失重狀態(tài)

C.此過程中電梯運行的最大速度約為0.56 m/s

D.此過程中電梯運行的最大速度約為1.8 m/s

試題以智能手機測電梯運行加速度隨時間變化為背景設(shè)置情境嵌入型命題立意.學(xué)生要在真實的物理情境圖像中提取信息,結(jié)合已有的物理知識進行信息加工.

試題通過現(xiàn)實情境與學(xué)生在分析解決問題中考查了學(xué)生的物理觀念及科學(xué)思維能力.考查學(xué)生必備知識:勻變速直線運動速度與時間的關(guān)系,a-t圖像中面積的物理意義,超重與失重的條件;考查關(guān)鍵能力:理解能力、模型建構(gòu)能力、推理論證能力.通過智能手機把實際的生活情景轉(zhuǎn)換為物理圖像,解決問題過程中建立運動與相互作用觀,提升科學(xué)思維能力.

2.1 試題解析

結(jié)合生活常識,電梯從5樓下降到1樓過程中,速度先增大、幾乎不變、后減小.結(jié)合圖像加速度先向下增大、幾乎不變、向下減小,中間段幾乎為零,加速度后向上增大、幾乎不變、向上減小.加速度方向向下某同學(xué)處于失重狀態(tài),加速度方向向上某同學(xué)處于超重狀態(tài),選項A正確;縱軸物理量為加速度,加速度最大值約為0.56 m/s2,選項C錯誤;由v=at知圖像的面積表示速度變化量,估算出電梯運行的最大速度約為 1.8 m/s,選項D正確.

2.2 試題拓展分析

試題的開放性很大,可設(shè)置的物理問題很多,比如圖像的呈現(xiàn)可以為速度-時間圖像;結(jié)合某同學(xué)的體重估算與電梯間的相互作用力的最大值與最小值;還可考查學(xué)生能量的觀念,如動能、重力勢能的知識點.

3 試題命制與教學(xué)啟示

3.1 試題命制情境化

情境化試題綜合基本的概念與規(guī)律、圖像考查要求為主導(dǎo),呈現(xiàn)出兼具“基礎(chǔ)性”“綜合性”“應(yīng)用性”“創(chuàng)新性”的考查發(fā)展趨勢,因此試題的設(shè)置要以真實的情境為背景立意命制,抓住情境的主要因素,科學(xué)建立模型,促使學(xué)生依據(jù)已有經(jīng)驗引發(fā)思考、聚焦問題,分析問題和解決問題.解決問題的過程是學(xué)生在不同的復(fù)雜場景中靈活遷移所學(xué)的知識,創(chuàng)造性地解決問題,也是學(xué)生科學(xué)思維與能力展現(xiàn)與提升的過程.這些較高創(chuàng)造性思維與能力要求在學(xué)業(yè)等級性考試中已經(jīng)體現(xiàn)了,并會不斷強化.這些思維與能力的培養(yǎng)只靠“刷題”是培養(yǎng)不出來的,因此教學(xué)中一定要回歸教育的本源,回歸物理學(xué)的本質(zhì)[4].

3.2 課堂教學(xué)基于情境設(shè)置問題

新課程理念下課堂由以傳授知識為單一目標(biāo),轉(zhuǎn)變?yōu)橐P(guān)注學(xué)生全面發(fā)展,落實立德樹人教育的根本任務(wù),所以在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施過程中重視情境的創(chuàng)設(shè).物理概念的建立和規(guī)律的探究形成結(jié)論均需要創(chuàng)設(shè)情境.結(jié)合新課程標(biāo)準(zhǔn),用好教材,結(jié)合教材中問題欄目科學(xué)施教,科學(xué)設(shè)置圍繞完成教學(xué)目標(biāo),緊密結(jié)合我們國家的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的成果、生產(chǎn)生活、體育運動、自然環(huán)境保護等具體實例為背景的問題,促進物理概念的建立、規(guī)律的形成,應(yīng)用概念、規(guī)律解決具體的實際情境問題,促進形成物理學(xué)科素養(yǎng).

3.3 復(fù)習(xí)課以解決情境問題為例展開教學(xué)

在復(fù)習(xí)課中要聯(lián)系問題情境,進行習(xí)題教學(xué),科學(xué)高效提升學(xué)生解決實際問題的能力.精心選擇好、用好高考試題,試題講解過程中深挖試題的命題立意,從必備知識、關(guān)鍵能力方面分析試題,結(jié)合學(xué)情對高試題進行針對性地改編與創(chuàng)新設(shè)計,基于試題相同的情境下,呈現(xiàn)出不同的設(shè)問方式及擴大知識的考查面,通過一題多解、多題一解的變式訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生的知識與能力的整合、遷移應(yīng)用的綜合能力等,以此提升學(xué)生對基本知識、基本概念和規(guī)律理解和掌握,助力學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的提升[5].

物理知識及方法的教學(xué)要基于真實的情境為引領(lǐng),緊貼課堂教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生已有的知識為鋪墊,以針對性地設(shè)置問題為驅(qū)動,開展科學(xué)的探究活動為載體進行學(xué)習(xí)活動.讓學(xué)生了解知識產(chǎn)生的過程及背景,設(shè)置與學(xué)生生活經(jīng)驗緊密聯(lián)系的問題并自主地解決問題,理解了所學(xué)的知識內(nèi)容及物理學(xué)科思想方法,才能真正培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力,實現(xiàn)知識向素養(yǎng)的轉(zhuǎn)變.