高考計(jì)算題中物理開放性問題分類對(duì)比及教學(xué)啟示

艾 靜 熊建文

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的評(píng)價(jià)建議部分指出：“測驗(yàn)和考試的命題應(yīng)該注重理解和應(yīng)用，要研究并設(shè)計(jì)有助于學(xué)生思維發(fā)展、聯(lián)系生活和社會(huì)的開放性問題.”[1]因此，教學(xué)中教師必須研究如何在測試中有效運(yùn)用開放性問題對(duì)學(xué)生的知識(shí)和能力進(jìn)行提升，同時(shí)研究開放性問題如何與新課標(biāo)教學(xué)有效結(jié)合.

2 開放性問題的界定

開放性問題就是信息不完備、目標(biāo)不確定或解題策略不唯一的問題，也可以理解成答案不確定、不唯一的問題.開放性問題留給學(xué)生更多的思維方向和想象空間.

“開放”有幾層含義：(1)問題結(jié)構(gòu)開放，包括條件不足或多余的條件開放；沒有明確指出問題解決的目標(biāo)，需要解題者確定的目標(biāo)開放；存在多種解決問題方法的策略開放.(2)問題解決結(jié)果開放，即答案呈多樣性.(3)解決問題時(shí)的思路是開放的，沒有現(xiàn)成的解題模式可以套用，需要自己探索和發(fā)現(xiàn).(4)涉及的知識(shí)或方法對(duì)解題者是開放的，問題可能涉及學(xué)生所學(xué)知識(shí)以外的內(nèi)容或其他學(xué)科知識(shí)，或陌生的問題情境，或解決問題的方法未知，需要解題者從多角度、多層次、多種方式思考問題[1].

3 高考物理計(jì)算題中開放性問題的常見形式分類分析

開放性問題的分類方式很多，本文精選近幾年高考理綜物理試題，從命題立意的角度進(jìn)行分類.

3.1 討論型

物理計(jì)算題中條件不足或多余而導(dǎo)致問題的結(jié)果開放,在此界定為“討論型”開放問題.這類問題有確定的目標(biāo)，因此分析時(shí)只需運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)，結(jié)合嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评?，運(yùn)用適量的定量計(jì)算即可解決.這種問題主要考查學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性，能較全面地考核學(xué)生分析與綜合的能力.

(1)略.

(2)略.

(3)討論在裝置安全工作時(shí),該小車彈回速度v′和撞擊速度v0的關(guān)系.

圖1

分析：例1第3問有確定的目標(biāo)，即在裝置安全工作時(shí)求小車彈回速度v′和撞擊速度v0的關(guān)系.但由于該題中條件不足，即撞擊速度v0的大小不確定，而導(dǎo)致問題結(jié)果開放.解答時(shí)一定要討論撞擊速度v0的取值范圍，不同取值范圍對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)情況，從而導(dǎo)致不同的求解結(jié)果.

教學(xué)建議：指導(dǎo)學(xué)生掌握如何對(duì)問題涉及的可能狀態(tài)分類并確定相應(yīng)取值范圍的臨界點(diǎn).教學(xué)中要善于轉(zhuǎn)變提問策略，在靈活的情境下討論答案的多種可能性,在習(xí)題選擇上選用適當(dāng)?shù)哪苡糜谟懻摵头治龅牧?xí)題進(jìn)行模擬訓(xùn)練，提高學(xué)生分析問題時(shí)思維的嚴(yán)謹(jǐn)性.

3.2 推測型

這類開放題的特點(diǎn)是,已知條件情境的多樣性導(dǎo)致問題解決結(jié)果的開放，即答案呈多樣性.不同情境下應(yīng)用相似的物理規(guī)律能推導(dǎo)出不同的結(jié)果，主要考查學(xué)生不同情境下思維的應(yīng)變力，能加深其對(duì)物理知識(shí)的深層理解.

【例2】(2012年高考江蘇卷第15題)如圖2所示,待測區(qū)域中存在勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場,根據(jù)帶電粒子射入時(shí)的受力情況可推測電場和磁場. 圖中裝置由加速器和平移器組成,平移器由兩對(duì)水平放置，相距為l的相同平行金屬板構(gòu)成,極板長度為l，間距為d,兩對(duì)極板間偏轉(zhuǎn)電壓大小相等，電場方向相反. 質(zhì)量為m，電荷量為+q的粒子經(jīng)加速電壓U0加速后,水平射入偏轉(zhuǎn)電壓為U1的平移器,最終從A點(diǎn)水平射入待測區(qū)域. 不考慮粒子受到的重力.

圖2

(1)略.

(2)略.

(3)已知粒子以不同速度水平向右射入待測區(qū)域,剛進(jìn)入時(shí)的受力大小均為F. 現(xiàn)取水平向右為x軸正方向,建立如圖2所示的直角坐標(biāo)系O-xyz. 保持加速電壓U0不變,移動(dòng)裝置使粒子沿不同的坐標(biāo)軸方向射入待測區(qū)域,粒子剛射入時(shí)的受力大小如表1所示.

請(qǐng)推測該區(qū)域中電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小及可能的方向.

表1 粒子沿不同方向射入受力情況

分析：例2設(shè)定一個(gè)復(fù)合場區(qū)域，要求根據(jù)帶電粒子射入時(shí)的受力情況推測其中電場和磁場的可能情況.粒子沿不同的坐標(biāo)軸方向射入待測區(qū)域?qū)е铝Ｗ觿偵淙霑r(shí)受力情況多樣性.由其呈現(xiàn)出的不同結(jié)果逆推導(dǎo)致這些結(jié)果的可能原因.

教學(xué)建議：此類題目解答的關(guān)鍵是具體分析各種結(jié)果，找出導(dǎo)致該結(jié)果的原因，運(yùn)用逆推的方法，將各種可能情況一一羅列.教學(xué)中可采用一題多解、一題多變、多題歸一等類型的題目進(jìn)行訓(xùn)練，在訓(xùn)練思維應(yīng)變性的同時(shí)，也能扎實(shí)基礎(chǔ)，加深對(duì)知識(shí)的理解和靈活應(yīng)用.

3.3 評(píng)價(jià)型

這類題型的特點(diǎn)是，針對(duì)某種情況提出改進(jìn)方案，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià).解決這類問題時(shí)的思路是開放的，沒有現(xiàn)成的解題模式可以套用，需要自己探索和發(fā)現(xiàn).這類題型可鍛煉思維的批判性，在評(píng)價(jià)他人設(shè)計(jì)方案的同時(shí)，其實(shí)也是對(duì)自身提出的各種方案的可行性進(jìn)行了評(píng)估.

圖3

(1)、(2)、(3)略.

(4)若選擇的是“1.5 V,0.3 A”的小燈泡，該“閃爍”裝置能否正常工作？有同學(xué)提出，通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B,后輪外圈半徑r2,角速度ω和張角θ等物理量的大小，優(yōu)化前同學(xué)的設(shè)計(jì)方案，請(qǐng)給出你的評(píng)價(jià).

分析：例3針對(duì)題設(shè)情況，提出各種優(yōu)化方案，要求給出評(píng)價(jià).本題關(guān)鍵是使燈泡發(fā)光，而通過計(jì)算可知，該裝置產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過低而導(dǎo)致其不能正常工作，改進(jìn)的關(guān)鍵是通過必要的措施提高感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì).解答這類題的關(guān)鍵在于抓住出現(xiàn)問題的根本原因，針對(duì)該原因評(píng)價(jià)提出的各種設(shè)計(jì)方案的可行性.

教學(xué)建議：課堂教學(xué)中不僅要培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，還要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)其他方案進(jìn)行評(píng)估的能力.對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)中，可采用多樣化的評(píng)價(jià)方式，除了教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)外，還可以開展自評(píng)或小組互評(píng)，在相互評(píng)價(jià)中，體悟別人的思維過程，取長補(bǔ)短.

3.4 建議型

該類題的特點(diǎn)是，涉及的知識(shí)或方法對(duì)解題者是開放的.問題可能涉及學(xué)生所學(xué)知識(shí)以外的內(nèi)容或其他學(xué)科的知識(shí),或陌生的問題情境，或解決問題的方法未知，需要解題者從多角度、多層次、多種方式來思考問題.該類題型在考查學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，可鍛煉學(xué)生思維的靈活性，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí).

【例4】(2009年高考北京理綜卷第23題)單位時(shí)間內(nèi)流過管道橫截面的液體體積叫做液體的體積流量(以下簡稱流量).有一種利用電磁原理測量非磁性導(dǎo)電液體(如自來水、啤酒等)流量的裝置，稱為電磁流量計(jì).它主要由將流量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的傳感器和顯示儀表兩部分組成.

傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，圓筒形測量管內(nèi)壁絕緣，其上裝有一對(duì)電極a和c，a和c間的距離等于測量管內(nèi)徑D，測量管的軸線與a和c的連線方向以及通電線圈產(chǎn)生的磁場方向三者相互垂直.當(dāng)導(dǎo)電液體流過測量管時(shí)，在電極a，c間出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，并通過與電極連接的儀表顯示出液體的流量Q.設(shè)磁場均勻恒定，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.

圖4

(1)略.

(2)一新建供水站安裝了電磁流量計(jì)，在向外供水時(shí)流量本應(yīng)顯示為正值，但實(shí)際顯示卻為負(fù)值.經(jīng)檢查，原因是誤將測量管接反了，即液體由測量管出水口流入，從入水口流出.因水已加壓充滿管道，不便再將測量管拆下重裝，請(qǐng)你提出使顯示儀表的流量指示變?yōu)檎档暮啽惴椒?

分析：例4在出現(xiàn)問題后要求給出改進(jìn)建議.考慮的角度不同，運(yùn)用的知識(shí)和方法就不同.這類題沒有唯一確定的答案，解題時(shí)可多角度、多層次、多種方式來思考問題，只要能達(dá)到題中預(yù)設(shè)的要求即可.解答這類題的關(guān)鍵在于找到適合自己的切實(shí)可行的方案，與運(yùn)用哪方面的知識(shí)無關(guān).

教學(xué)建議：這種類型的問題給學(xué)生較大的思維空間和回旋余地，不同的學(xué)生根據(jù)認(rèn)知水平和能力可得出不同的答案.教學(xué)時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)探究的方法和體悟科學(xué)探究的精髓，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力.

3.5 創(chuàng)新型

該類題的特點(diǎn)是創(chuàng)設(shè)一個(gè)新穎的問題情境，給予一定的提示，要求提出創(chuàng)新性的設(shè)想.這類問題實(shí)際上就是質(zhì)同形異，其本質(zhì)(原理)不變.自己尋找解決方案，不同的方案得出的答案也不同.

(1)、(2)略.

(3)圖5(b)是霍爾測速儀的示意圖，將非磁性圓盤固定在轉(zhuǎn)軸上，圓盤的周邊等距離地嵌裝著m個(gè)永磁體，相鄰永磁體的極性相反.霍爾元件置于被測圓盤的邊緣附近.當(dāng)圓盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件輸出的電壓脈沖信號(hào)圖像如圖5(c)所示.

圖5

a.略.

b.利用霍爾測速儀可以測量汽車行駛的里程.除此之外，請(qǐng)你展開“智慧的翅膀”，提出另一個(gè)實(shí)例或設(shè)想.

分析：例5通過前面的問題情境創(chuàng)設(shè)，根據(jù)題設(shè)提示，一步步引導(dǎo)學(xué)生分析，進(jìn)而了解霍爾測速儀的工作原理.解答這類問題，關(guān)鍵是充分利用題中已有的提示，運(yùn)用類比遷移的方法，通過分析比較，展開想象，全方位、多角度思考.

教學(xué)建議：教學(xué)中要轉(zhuǎn)變教學(xué)思路，要善于挖掘一些能與生活實(shí)際相聯(lián)系的問題情境，培養(yǎng)學(xué)生在新的物理情境中應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.將STS(Science Techology and Society)教育滲透到日常教學(xué)中，同時(shí)在課堂教學(xué)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行“頭腦風(fēng)暴”訓(xùn)練，能較好地考查學(xué)生的遷移創(chuàng)新能力.

4 設(shè)立開放性題型對(duì)物理教學(xué)的啟示

高考試題中不斷出現(xiàn)立意深刻、背景新穎、聯(lián)系實(shí)際的開放性試題，物理命題的“開放性”為新課標(biāo)下物理教學(xué)提供了一些新的思路和啟示.

4.1 用好教材中的開放性問題素材

教學(xué)中要用好教科書.教科書中很多好的資源被一些教師忽視，而這些資源都對(duì)鼓勵(lì)學(xué)生形成自主、合作、交流的學(xué)習(xí)方式起到重要的作用.開放性問題在教材中很好地體現(xiàn)了新課標(biāo)下教學(xué)的特色.人教版中設(shè)計(jì)了“思考與討論”“說一說”“做一做”等欄目，其中不少問題就是以開放性的方式呈現(xiàn).例如，“做一做”中，設(shè)計(jì)方法分別測量自行車在不同情況下行駛(如長距離和短距離)時(shí)的速度，測量蚊香燃燒的速度，對(duì)測量結(jié)果的可靠性做出評(píng)估[2].“說一說”中質(zhì)子帶正電，但質(zhì)子(與中子一起)卻能聚在一起構(gòu)成原子核，根據(jù)你的推測，原因可能是什么[2]？粵教版中也設(shè)計(jì)了“討論與交流”“觀察與思考”“實(shí)踐與拓展”等欄目，力求為學(xué)生營造一個(gè)生動(dòng)、活潑的情境，激發(fā)學(xué)生的想象能力和邏輯思維能力.其他版本的教材中也有很多開放性問題素材，教師應(yīng)思考如何真正用好教材.

4.2 對(duì)教學(xué)的其他啟示

(1)新課標(biāo)教學(xué)要求教師大膽打破傳統(tǒng)教學(xué)的枷鎖.單一的解題套路訓(xùn)練出來的是一個(gè)個(gè)解題機(jī)器，極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，與新課標(biāo)理念不符.在教學(xué)中，適當(dāng)創(chuàng)設(shè)開放性問題情境，要變單向思維為多向思維，拓寬思路，培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性、流暢性和廣闊性.

(2)重視過程情感體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng).要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中體會(huì)樂趣、領(lǐng)悟知識(shí)、激發(fā)求知欲和創(chuàng)新意識(shí)，不僅學(xué)會(huì)知識(shí)，更重要的是學(xué)會(huì)學(xué)習(xí).

(3)建立多種評(píng)價(jià)方式，激勵(lì)學(xué)生自主、合作、交流.建立促進(jìn)學(xué)生發(fā)展，教師不斷提高，課程不斷發(fā)展的評(píng)價(jià)體系，是我國新的課程改革面臨的一個(gè)重大課題[3].

(4)將教學(xué)落到實(shí)處.開放性問題的解決離不開扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和技能，能很好地培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力.教學(xué)中要重視對(duì)學(xué)生進(jìn)行STS教育，使學(xué)生將所學(xué)取之于生活用之于生活.

參考文獻(xiàn)

1 王力邦.中學(xué)物理教師的學(xué)習(xí)與思考.北京:科學(xué)出版社,2009.103～107

2 張大昌,等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》必修1.北京：人民教育出版社,2004.18,56

3 李新鄉(xiāng)，張軍朋,等.物理教學(xué)論.北京：科學(xué)出版社,2005.254