基于選考試題分析下開放式問題的策略研究

章慧雄 陸暉

摘 ? ?要：通過分析浙江選考試題的結(jié)構(gòu)特點，針對情境、條件、策略等各方面剖析，在情境設(shè)置、問題條件方面組織開放式問題，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，切入原始情境，整合常規(guī)模型，注重挖掘問題的初始條件、邊界條件、臨界條件等方面，提出物理開放式問題解決策略，并進行變式訓(xùn)練，提高學(xué)生問題解決能力，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：選考試題;問題類型;教學(xué)策略

新高考模式下，浙江物理試題既具有通過性評價功能又有選拔性功能，這要求物理問題取材于日常生活與科技前沿，并注重對學(xué)生思維考查。旨在要求學(xué)生在平時的學(xué)習(xí)中學(xué)會分析，不能只為做題而做題[1]，研究選考試題中開放性問題相對特定的結(jié)構(gòu)形式，從情境及條件的挖掘突破，探索問題教學(xué)策略.

一、選考試題中開放式問題的結(jié)構(gòu)形式

物理開放問題的具體表現(xiàn)形式多種多樣，根據(jù)形式思維組成的三個要素（假設(shè)、推理、判斷）[2]和物理問題的自身特點，按照物理問題構(gòu)成要素的發(fā)散傾向，可以粗略地把物理開放性問題分為以下四類.

（一）條件開放

條件開放性問題是同一知識點以不同問題呈現(xiàn)，要求學(xué)生針對問題辨析概念規(guī)律.

【2017年4月加試題】（1）為完成“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”的實驗，必須要選用的是__________（多選）.

A.有閉合鐵芯的原副線圈

B.無鐵芯的原副線圈

C.交流電源

D.直流電源

E.多用電表（交流電壓擋）

F.多用電表（交流電流擋）

用匝數(shù)na=60匝和nb=120匝的變壓器，實驗測量數(shù)據(jù)如表1.

根據(jù)測量數(shù)據(jù)可判斷連接電源的線圈是_______（填na或nb）.

【點評】理想狀態(tài)下，變壓器電壓比等于匝數(shù)比，而在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”學(xué)生實驗中，表格數(shù)據(jù)表明，電壓比不等于匝數(shù)比（實際操作中有鐵損、銅損、磁損），以此條件判斷正確答案。分析理想變壓器條件判斷類問題，有助學(xué)生脫離固定邏輯思維的束縛，理解規(guī)律概念的意義，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.

（二）策略開放

策略開放性問題是指解決問題方式的多樣化，針對同一個問題可以采取多種解題方式.

【點評】求解電磁感應(yīng)中電荷量問題的方法有：牛頓運動定律（F=ma=m）、動量定理（FΔt=mv-0），掌握多樣化的解決手段，以開闊學(xué)生思維，促進思維的升級，激起多種聯(lián)想，提高應(yīng)變能力，為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維奠定基礎(chǔ).

（三）情境開放

情境開放問題是背景豐富的、與生活科技緊密聯(lián)系原始物理問題，要求學(xué)生利用抽象建立模型解決問題.

【2017年11月選考題11題】如圖2所示，照片中的汽車在水平路面上做勻速圓周運動，已知圖中雙向四車道的總寬度約為15m，假設(shè)汽車受到的最大靜摩擦力等于車重的0.7倍，則運動的汽車（ ? ?）

A.所受的合力可能為零

B.只受重力和地面的支持力作用

C.最大速度不能超過25m/s

D.所需的向心力由重力和支持力的合力提供

【點評】本題源于生活實際，數(shù)據(jù)也是實際問題中真實數(shù)據(jù)，對這類問題的解決，學(xué)會排除次要因素，突出主要因素，依據(jù)生活經(jīng)驗，采用近似手段，提煉相關(guān)數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)彎半徑約90m左右），從學(xué)科角度（向心力公式）將其建模解決.

（四）綜合開放

綜合開放指其條件、解決策略與結(jié)果（至少有兩項）都要求學(xué)生在情境中自行設(shè)計或?qū)ふ?，或者問題本身要自己發(fā)現(xiàn)并提出.

【2018年11月加試題】小明受回旋加速器的啟發(fā)，設(shè)計了如圖3（a）所示的“回旋變速裝置”.相距為d的平行金屬柵極板M、N，板M位于x軸上，板N在它的正下方.兩板間加上圖3（b）所示的幅值為U0的交變電壓，周期T0=[2πmqB].板M上方和板N下方有磁感應(yīng)強度大小均為B、方向相反的勻強磁場.粒子探測器位于y軸處，僅能探測到垂直射入的帶電粒子.有一沿x軸可移動、粒子出射初動能可調(diào)節(jié)的粒子發(fā)射源，沿y軸正方向射出質(zhì)量為m、電荷量為q（q>0）的粒子.t=0時刻，發(fā)射源在（x，0）位置發(fā)射一帶電粒子.忽略粒子的重力和其他阻力，粒子在電場中運動的時間不計.（1）略;（2）若粒子兩次進出電場區(qū)域后被探測到，求粒子發(fā)射源的位置x與被探測到的位置y之間的關(guān)系.

【點評】

[條件一 條件二 條件三 兩次射入電場均能減速穿過 第二次進電場速度減為零 第一次進電場速度即減為零 ]

①第一次進電場速度即減為零;②第二次進電場速度減為零;③兩次射入電場均能減速穿過;基于此條件下確定解決策略，畫軌跡（圖4），運用動能定理及運動學(xué)公式，求解幾何關(guān)系，體現(xiàn)多角度、多層面考查學(xué)生的分析能力和解題能力.

【總結(jié)】從選考真題的結(jié)構(gòu)形式分析，在新高考背景下，開展開放式問題教學(xué)，能提升學(xué)生問題解決能力，培養(yǎng)核心素養(yǎng)，教師在設(shè)計開放性物理問題時，要綜合考慮學(xué)生情況和教學(xué)內(nèi)容，與封閉性問題相結(jié)合，相互彌補、相互促進，努力提升學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識、基礎(chǔ)技能以及實際操作能力、思維能力等，提升學(xué)習(xí)質(zhì)量與效率.

二、物理問題開放式教學(xué)的策略研究

在備課過程中轉(zhuǎn)化和收集信息，界定問題，設(shè)置開放問題的情境，預(yù)設(shè)各種解答的途徑實現(xiàn)認知結(jié)構(gòu)的重建.

（一）挖掘問題條件，實現(xiàn)結(jié)論多樣化

例1 ? 一個物體，受三個力的作用，處于平衡（區(qū)別靜止）狀態(tài)，如圖5所示.現(xiàn)撤去一個力（比如F3），物體將怎樣運動？

【意圖】分析運動形式與初速度有關(guān)，設(shè)計本題意圖是引導(dǎo)學(xué)生從問題的條件出發(fā)，辯證分析初速度與合力方向的關(guān)系，得出結(jié)論，同時可以設(shè)計追問學(xué)生合成問題、動態(tài)平衡問題、做功問題，速度問題，能量問題等.設(shè)計條件類開放問題時，有以下策略.

策略一：挖掘初始條件，實現(xiàn)解題多樣化，如例1.

策略二：改變邊界條件，明晰解題范圍的邊緣.比如物理規(guī)律適用條件（比如經(jīng)典力學(xué)規(guī)律只適用于宏觀低速物體、F=k[Qqr2]只適用于真空中的點電荷）、物理量的取值邊界（如剎車類問題時間的有限性問題）、物理過程的邊界（如從一個過程轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€過程的轉(zhuǎn)折點）、幾何約束邊界（如軌道的長度）、場邊界（如電場、磁場、重力場的邊界）以及其他一些時空邊界等.

策略三：創(chuàng)設(shè)臨界條件，界定解題的方向，當(dāng)物體由一種物理狀態(tài)變?yōu)榱硪环N物理狀態(tài)時，可能存在一個過渡的轉(zhuǎn)折點，這時物體所處的狀態(tài)通常稱為臨界狀態(tài)，設(shè)置常用“恰好”、“最大”、“至少”、“不相撞”、“不脫離”等詞語對開放問題明確的暗示，發(fā)掘其內(nèi)含規(guī)律，找出臨界條件.

（二）挖掘問題情境，實現(xiàn)策略多樣化

（5）伏安法測電源電動勢和內(nèi)電阻的實驗中，電路有兩種不同接法，如圖8所示，由于電表內(nèi)阻的影響會造成一定的系統(tǒng)誤差，則下列有關(guān)誤差的分析正確的是 ? （ ? ? ?）

A.甲電路的誤差是由安培表內(nèi)阻造成的，所測電動勢小于真實值，所測內(nèi)電阻小于真實值

B.甲電路的誤差是由伏特表內(nèi)阻造成的，所測電動勢小于真實值，所測內(nèi)電阻小于真實值

C.乙電路的誤差是由伏特表內(nèi)阻造成的，所測電動勢小于真實值，所測內(nèi)電阻大于真實值

D.乙電路的誤差是由安培表內(nèi)阻造成的，所測電動勢小于真實值，所測內(nèi)電阻大于真實值

（6）若電壓表V被損壞了，除了原器材外，現(xiàn)實驗室還有：

H.電流表G1（量程100μA，內(nèi)阻100Ω）

I.電流表G2（量程1mA，內(nèi)阻約100Ω）

J.電阻箱R1（0～99.99Ω）

K.電阻箱R2（0～99999.9Ω）

如何設(shè)計電路？損壞的不是電壓表V而是電流表A呢？

（7）若電流表被損壞了，除了原器材外，現(xiàn)實驗室還有：

L.電壓表V1（理想電表，量程2 V）

M.電壓表V2（理想電表，量程3 V）

N.定值電阻R0（阻值10 Ω）

O.滑動變阻器R（0～100Ω）

如何設(shè)計電路？由該設(shè)計電路得出數(shù)據(jù)繪制如圖9，請依據(jù)圖線求得該電源的電動勢E=____V，內(nèi)阻r=____Ω（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）.

（8）電源內(nèi)阻只有約0.1Ω，在原有器材不變情況下，再提供定值電阻R0=2Ω和R2=20Ω，請選擇合適儀器設(shè)計電路圖測E、r.

【意圖】設(shè)計本題意圖旨在考查學(xué)生是否熟練掌握測電動勢及內(nèi)阻的方法，通過整合同一實驗不同方法（伏安法、伏阻法、伏伏法、安安法、安阻法等）來判斷不同類型，通過不同的問題情境設(shè)計來呈現(xiàn)開放問題，比如儀器選擇、圖表分析、誤差分析、實驗方法設(shè)計等，設(shè)計情境與方法開放問題時，有以下策略.

策略一：以原始情境切入，呈現(xiàn)各種開放層次，從學(xué)生的直接經(jīng)驗中尋找情境、挖掘新聞報道、科普書籍、視頻資料中富含物理知識的問題，將日常生產(chǎn)生活用具中的物理知識提取，從物理實驗中選取，向?qū)W生呈現(xiàn)出科學(xué)現(xiàn)象真實與鮮活的一面，使學(xué)生大腦充分開放，有助于對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，如2017年11月選考題11題.

策略二：以常規(guī)模型變新意，涵蓋各種建模方法。模型疊加、整合思維，實現(xiàn)情境的升華，利用數(shù)、形、關(guān)鍵詞、對象、過程的描述呈現(xiàn)復(fù)雜過程，如2016年浙江選考卷的“電動機轉(zhuǎn)動角速度ω與彈簧伸長量x之間的函數(shù)關(guān)系問題”，較好地體現(xiàn)了轉(zhuǎn)動切割模型、物體平衡及等效電路原理的整合應(yīng)用，學(xué)生逐步思考、圖示表達、運用數(shù)學(xué)知識突破物理難點;傳承經(jīng)典、創(chuàng)新模型，實現(xiàn)情境的變化，利用隱蔽化、模糊化的情境，如2018年浙江選考卷的“猴子在滑行過程中重力勢能最小值問題”，較好地把晾衣竿模型嫁接到猴子運動問題，從靜到動，學(xué)生借助信息屬性上的相似性進行類比遷移，建立平衡模型，突破難點.

策略三：以變式訓(xùn)練為載體，滲透各種形式規(guī)律。借助情境的多變化，從多途徑呈現(xiàn)知識規(guī)律，考察思維全面性，比如一題多變，從多方面呈現(xiàn)模型差異，實現(xiàn)情境思維多向性;比如一題多解，從多角度尋求問題解決，實現(xiàn)情境思維發(fā)散性.

從問題呈現(xiàn)方式、信息挖掘方面中研究浙江選考物理試題，把握題型特點，抓住問題解決的重點。通過對開放式問題的教學(xué)的實踐，根據(jù)不同情境，挖掘不同條件，利用不同策略，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識的形成過程，提高學(xué)生問題解決能力，發(fā)展核心素養(yǎng).

物理開放問題在學(xué)生發(fā)展和教師成長上的巨大教育價值，同時物理開放問題教學(xué)也存在問題，諸如物理開放問題教學(xué)如何促進教師專業(yè)成長、需要教師有更為開闊、更為精深的知識面，在觀念上注重民主、開放，提高學(xué)生的參與度，如何正確處理開放問題與課程的關(guān)系等，這些都有待后續(xù)做進一步研究.

參考文獻：

[1]蔡千斌.七選三背景下浙江高考物理試題的特點分析與教學(xué)對策[J].物理通報，2016（10）：2-6.

[2]鄧敏.基礎(chǔ)物理教學(xué)中開放問題的理論分析[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2008（11）：2-5.