例談如何原創(chuàng)設(shè)計(jì)物理作業(yè)
——新高考背景下作業(yè)設(shè)計(jì)變革

王家祥 王 巍

(上海市市西中學(xué)，上海 200040)

教育部部長(zhǎng)陳寶生在《人民日?qǐng)?bào)》撰文中提出: 深化基礎(chǔ)教育人才培養(yǎng)模式改革,掀起“課堂革命”，努力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力．筆者認(rèn)為,物理教學(xué)的“課堂革命”應(yīng)該緊緊圍繞物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng),而且物理課堂教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力方面,具有其他學(xué)科不可替代的作用．

上海和浙江率先實(shí)行“3+3”高考改革,所有學(xué)生先參加合格考,學(xué)生根據(jù)自己興趣和未來(lái)職業(yè)取向選擇物理學(xué)科作為等級(jí)考．以上海為例,無(wú)論是合格考,還是等級(jí)考,都加強(qiáng)了基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)能力考查要求,均增加了分析說(shuō)理題型,降低了試題的難度,不再以解題技巧和難度為考查方向．其中,要求學(xué)生根據(jù)掌握的基本知識(shí)原理,定性分析物理過(guò)程,得出結(jié)論將作為等級(jí)考的重要考查方面．物理高考改革的措施很好地推動(dòng)了物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．這就要求,在平時(shí)教學(xué)過(guò)程中,注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力,在活動(dòng)中探究體驗(yàn)應(yīng)用物理知識(shí)原理解決實(shí)際問(wèn)題的樂(lè)趣,學(xué)會(huì)應(yīng)用物理知識(shí)原理分析闡明各種現(xiàn)象的原因．在物理等級(jí)考背景下,教師應(yīng)該學(xué)會(huì)原創(chuàng)設(shè)計(jì)這類(lèi)物理作業(yè)．下面筆者介紹原創(chuàng)設(shè)計(jì)作業(yè)的教學(xué)實(shí)踐,以供大家參考．

1 原創(chuàng)設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)

學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力,只有在探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過(guò)程中潛移默化地培養(yǎng)．物理核心素養(yǎng)之一:提出物理問(wèn)題,形成猜想和假設(shè),獲取和處理信息,基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋,以及對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力．例如,在講授氣體實(shí)驗(yàn)定律時(shí),筆者設(shè)計(jì)了這樣一道實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)題．

例1.已知地面附近高度每升高12m,大氣壓降低1mmHg．請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量校內(nèi)一幢8層教學(xué)樓的高度．

筆者將學(xué)生4人一組,分成若干個(gè)小組,首先,分別獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)室教師的協(xié)助下,他們都完成了實(shí)驗(yàn)器材的組裝;接著,就分別測(cè)量數(shù)據(jù),根據(jù)各自的設(shè)計(jì)原理,計(jì)算出各自的結(jié)論,跟事先直接測(cè)出的樓高進(jìn)行比較;最后,教師跟學(xué)生們一起交流、討論,評(píng)選哪種設(shè)計(jì)方案最佳．

有一組直接用壓強(qiáng)傳感器分別測(cè)出樓底和樓頂?shù)拇髿鈮?測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)樓底和樓頂?shù)拇髿鈮簬缀鯖](méi)有差異,學(xué)生很是疑惑,筆者跟他們講了儀器的測(cè)量精度方面的知識(shí)．

有一組用細(xì)玻璃管中間灌一些水銀,再將一端封閉,把玻璃管豎直放置,先用托里拆利壓強(qiáng)計(jì)測(cè)出地面處大氣壓強(qiáng)p0,測(cè)出水銀柱的高度h,測(cè)出地面和樓頂處空氣柱長(zhǎng)度,最后算出樓頂處大氣壓,從而算出樓的高度．發(fā)現(xiàn)誤差很大,為了減小誤差,學(xué)生將玻璃管水平放置,重新測(cè)量,誤差仍然很大,筆者也和學(xué)生共同分析讀數(shù)誤差理論．

圖1

有一組學(xué)生直接用托里拆利氣壓計(jì),分別測(cè)出樓底和樓頂處的大氣壓,算出樓的高度,發(fā)現(xiàn)誤差很大,筆者也和學(xué)生共同分析讀數(shù)誤差理論．

又有一組學(xué)生,用了如圖1所示的裝置,用一個(gè)比較大的瓶子裝一半左右的水,再用一根細(xì)的塑料管,通過(guò)橡皮塞封閉部分氣體在瓶?jī)?nèi),分別測(cè)出樓底和樓頂處的管中水柱的高度．學(xué)生們認(rèn)為瓶?jī)?nèi)的氣體體積和溫度不變,則瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)不會(huì)變,水柱高度差產(chǎn)生的壓強(qiáng)就是大氣壓的減小值,這樣算出的樓的高度誤差很?。@方法還巧妙地避免了樓底大氣壓的測(cè)量,樓底的大氣壓無(wú)論用什么方法測(cè)量均存在誤差,相對(duì)微小大氣壓變化來(lái)說(shuō)都是不能忽略的．我們師生從誤差原理出發(fā),指出做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于,瓶?jī)?nèi)氣體體積應(yīng)該大些,管子應(yīng)該細(xì)些,用水而不能用水銀．

通過(guò)這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng),很好地培養(yǎng)了學(xué)生的物理核心素養(yǎng):對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力．

2 原創(chuàng)設(shè)計(jì)研究性學(xué)習(xí)課題

中學(xué)生所做的科學(xué)方面的研究性課題,完全沒(méi)有必要是開(kāi)創(chuàng)性的,也不可能是前人沒(méi)有做過(guò)的課題,關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力．通常,我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生大多做一些社科、人文方面的研究性課題,或者做一些科技發(fā)明創(chuàng)造方面的研究性課題,很少看到有純理科方面的研究性學(xué)習(xí)課題．筆者從一個(gè)中學(xué)物理教師角度認(rèn)為,中學(xué)生完全可以根據(jù)學(xué)生所學(xué)的知識(shí)原理,設(shè)計(jì)一些研究性學(xué)習(xí)課題,引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究,自學(xué)完全超出學(xué)生學(xué)習(xí)范圍的物理知識(shí)原理,在探究和質(zhì)疑的過(guò)程中,培養(yǎng)學(xué)生探究意識(shí)和實(shí)踐能力．

例2.我們學(xué)習(xí)有關(guān)重力的概念,重力是由于地球的吸引而產(chǎn)生的力,G=mg,物體的質(zhì)量m是不變的,重力加速度g是隨緯度和高度變化的．請(qǐng)學(xué)生們給自己制定一個(gè)研究性學(xué)習(xí)方案,“嘗試研究重力加速度g的變化規(guī)律”,并作為將來(lái)文化游學(xué)的課題展開(kāi)研究．通過(guò)上網(wǎng)查閱資料,對(duì)自己的研究性學(xué)習(xí)方案做個(gè)評(píng)估．

這是筆者根據(jù)2017年高一泰山文化游學(xué)的一個(gè)學(xué)生課題原創(chuàng)的,學(xué)生設(shè)計(jì)各種方案測(cè)量重力加速度的變化,盡管由于測(cè)量?jī)x器精度的局限,并沒(méi)有測(cè)出重力加速的變化,但是學(xué)生從方案設(shè)計(jì)到實(shí)際實(shí)驗(yàn)研究,讓他們體驗(yàn)了科學(xué)家從事實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程,并對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差分析有了深刻理解和感悟,筆者覺(jué)得該研究性學(xué)習(xí)的目的已經(jīng)達(dá)到．

學(xué)生設(shè)計(jì)以下幾種測(cè)量方案: ① 位移傳感器測(cè)重力加速度； ② 用滴水法測(cè)重力加速度； ③ 用力傳感器測(cè)重力加速度； ④ 用單擺測(cè)重力加速度．在實(shí)際操作過(guò)程中,他們對(duì)位移傳感器的測(cè)量原理和測(cè)量精度,有了較為深入的了解，知道了應(yīng)用滴水法測(cè)重力加速度,是為了減小誤差,但是在測(cè)量如此微小變化的重力加速度,即使是用滴水法也是無(wú)能為力的．用力傳感器來(lái)測(cè)量,同樣因?yàn)閭鞲衅鞯臏y(cè)量精度問(wèn)題,也失敗了．最后用單擺測(cè)重力加速度,勉強(qiáng)測(cè)出微小變化的重力加速度,但是隨著他們對(duì)誤差理論的深入理解,也對(duì)測(cè)量結(jié)果提出了質(zhì)疑,認(rèn)為從誤差理論角度來(lái)說(shuō),這個(gè)測(cè)量結(jié)果也是不可信的．他們得出結(jié)論,在中學(xué)階段,用現(xiàn)有的器材是很難測(cè)出上海和泰山以及山腳和山頂?shù)奈⑿≈亓铀俣鹊淖兓跍y(cè)量過(guò)程中,他們還發(fā)現(xiàn)泰山山腳的重力加速度反而比山頂?shù)闹亓铀俣冗€要小,違背了教材中的重力加速度隨高度變小的結(jié)論,他們研究后得出結(jié)論是由于泰山的地質(zhì)構(gòu)造密度大的原因,通過(guò)上網(wǎng)查閱資料后,他們知道,這正是微重力探礦的原理基礎(chǔ)．

學(xué)生在完成這個(gè)研究性學(xué)習(xí)課題后,很好地培養(yǎng)了他們的物理科學(xué)素養(yǎng):在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì),理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境(STSE)的關(guān)系基礎(chǔ)上逐漸形成的對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任感．

3 原創(chuàng)設(shè)計(jì)分析論述題

在物理等級(jí)考的背景下,增加了分析說(shuō)理論述題型,這是為了改變?cè)瓉?lái)物理高考中注重考題的難度和解題技巧傾向．理科學(xué)生的邏輯思維能力很強(qiáng),但表達(dá)能力差,這是普遍現(xiàn)象,對(duì)學(xué)生將來(lái)的發(fā)展會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面影響,他們要用很長(zhǎng)時(shí)間才能彌補(bǔ)這個(gè)短板．

廣大物理教師要學(xué)會(huì)原創(chuàng)分析論述題,這種題型一般是定性討論和闡述,不需要具體的數(shù)值計(jì)算,但要能夠考察出學(xué)生的邏輯推理能力,運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)和原理,有層次展開(kāi)分析闡述,最后得出正確結(jié)論,培養(yǎng)學(xué)生能夠用科學(xué)的語(yǔ)言邏輯地、清楚地表述物理思維過(guò)程的能力．

圖2

例3.如圖2所示,物體置于水平面上,F的大小為10N,與水平方向夾角為30°,物體向右做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),現(xiàn)去掉F力,則其他力的合力大小為多大?

(1) 下面是某學(xué)生對(duì)該題的一種解法.

解析:因物體受到重力G,彈力N、滑動(dòng)摩擦力f及F的作用,且物體處于平衡狀態(tài),故此4力的合力為零．當(dāng)去掉F后,其他力的合力必與F大小相等、方向相反,所以其他力的合力大小為10N,方向與F相反．你認(rèn)為這個(gè)結(jié)論正確嗎?請(qǐng)對(duì)該結(jié)論作出評(píng)價(jià)并說(shuō)明理由．

(2) 若將圖2中的F改為水平,物體仍向右做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),如圖3所示,當(dāng)去掉F后(物體仍向右運(yùn)動(dòng),尚未停下),分析結(jié)果與(1)相同,即其他力的合力大小為10N,方向與F相反．你認(rèn)為這個(gè)結(jié)果正確嗎?請(qǐng)說(shuō)明理由．

參考答案: (1) 這個(gè)結(jié)論是不正確的．因物體受到重力G,彈力N、滑動(dòng)摩擦力f及F的作用,且物體處于平衡狀態(tài),故此4力的合力為0,根據(jù)共點(diǎn)力的平衡條件可知,此時(shí)的摩擦力等于10N．但是,當(dāng)去掉F后,由于這個(gè)外力斜向上的,物體對(duì)地面的正壓力變小了,相應(yīng)的滑動(dòng)摩擦力也變小了,重力是不變的,豎直方向的合力等于0,合力就是滑動(dòng)摩擦力,所以合力不等于10N,而是小于10N．

(2) 這個(gè)結(jié)論是正確的．因物體受到重力G,彈力N、滑動(dòng)摩擦力f及F的作用,且物體處于平衡狀態(tài),故此4力的合力為0,根據(jù)共點(diǎn)力的平衡條件可知,此時(shí)的摩擦力等于10N．當(dāng)去掉F后,重力和彈力都不變,相應(yīng)的滑動(dòng)摩擦力也不變,豎直方向的合力為0,此時(shí)的滑動(dòng)摩擦力就是物體所受的合力,所以合力為10N．

學(xué)生做完這道分析辨析題后,培養(yǎng)了學(xué)生的物理科學(xué)素養(yǎng):基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀(guān)點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品質(zhì)．

以上是筆者在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中的點(diǎn)滴認(rèn)識(shí),還望讀者不吝賜教．