基于物理核心素養(yǎng)的試題情境研究

陸永華

(南京航空航天大學蘇州附屬中學 江蘇 蘇州 215000)

《普通高中物理課程標準(2017版)》強調(diào)物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向，彰顯物理學科特質(zhì)，倡導(dǎo)“教、學、評”一體化．其中，“情境”成為高頻關(guān)鍵詞，“教學與評價建議”中“建議教師在教學設(shè)計和教學實施過程中重視情境的創(chuàng)設(shè)，讓學生獲得在實際情境中解決物理問題的大量經(jīng)驗，形成把情境與知識相關(guān)聯(lián)的意識和能力”．“學業(yè)水平考試與命題建議”中提出“評價學生的物理核心素養(yǎng)，應(yīng)盡量創(chuàng)設(shè)類型多樣的、具有一定復(fù)雜程度的、開放性的真實情境作為試題的任務(wù)情境”[1]．

1 物理“去情境化問題”考查功能的弊端

由于物理原始問題常被命題者深度加工抽象簡化為模型，習題中常出現(xiàn)網(wǎng)傳“物理神器”——物塊、滑塊、小球等：“外形可忽略，體積可為零；飛天遁水，無往不利；堅如磐石，滑潔如絲；必要的時候它可以帶電，也可以突破引力，甚至可以光速行進……”，此類問題過多，就會影響學生物理建模和解決實際問題的能力，也會影響學生物理的興趣.比利時著名教育學家易克薩維耶·羅日葉認為，這種評估方式容易造成“功能性文盲”現(xiàn)象，即學生的學習太理論化并脫離生活實際，不能將他們所學的知識能力運用于日常生活情境中[2]，從側(cè)面反映出“物理去情境化問題”的缺陷，相較新課標中“基于學業(yè)質(zhì)量標準”而言，命題缺乏真實情境，缺少模型建構(gòu)過程，無法體現(xiàn)學生物理核心素養(yǎng)的考查．

2 基于物理核心素養(yǎng)的試題情境的闡述

2.1 試題“情境”和教學“情境”的聯(lián)系與區(qū)別

《普通高中物理課程標準(2017版)》指出“創(chuàng)設(shè)情境進行教學，對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用”．教學中的“情境化”旨在幫助學生形成感性認識，為知識的意義建構(gòu)提供感性經(jīng)驗，還原知識情境，幫助學生“形成把情境與知識相關(guān)聯(lián)的意識和能力”．試題中的情境與教學情境有聯(lián)系又有區(qū)別，試題情境可以選用與教學類似甚至相同的情境，但試題情境側(cè)重測評功能，要求學生在其中對已學過的若干知識和技能進行聯(lián)接整合，把問題中的實際情境轉(zhuǎn)化成解決問題的物理情境，建立相應(yīng)的物理模型，通過實際問題解決促進學生物理核心素養(yǎng)的達成，核心素養(yǎng)本位的試題情境是核心素養(yǎng)測評的重要途徑．

2.2 試題與情境的結(jié)合

依據(jù)物理學科核心素養(yǎng)的水平劃分，創(chuàng)設(shè)問題情境，圍繞測試主題，運用文字、數(shù)據(jù)、圖像等呈現(xiàn)背景信息，設(shè)置物理問題或任務(wù)，為考查學生的物理核心素養(yǎng)提供載體．情境化問題是核心素養(yǎng)測評的重要途徑，構(gòu)建如圖1所示的問題情境層次結(jié)構(gòu)，將物理情境化問題作為物理原始問題與物理去情境化問題的中間層級，填補兩者在情境化和抽象性間的空隙[3]，搭建物理原始問題與物理去情境化問題研究的中間橋梁，將物理知識“溶解”轉(zhuǎn)化為問題，將問題融合于情境，在解決核心素養(yǎng)本位的情境化問題過程中，逐步將學生解決問題所需掌握的物理觀念及更深層次的理解、科學思維、情境問題滲透的科學態(tài)度與責任等“結(jié)晶”，在實際情境化問題解決過程中培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)，情境化問題的命制有助于進一步厘清物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的命題基本思路，構(gòu)建新課改高考命題的基本范式，為提升命題質(zhì)量奠定堅實的基礎(chǔ)．

圖1 問題情境層次結(jié)構(gòu)

2.3 試題與情境的結(jié)合類型

《普通高中物理課程標準(2017版)》在“學業(yè)水平考試與命題建議”中提出“根據(jù)課程標準中的內(nèi)容要求和試題考核目標，圍繞常見的生產(chǎn)生活、科技事件等設(shè)置試題任務(wù)情境”，任務(wù)情境的設(shè)置、知識的運用、問題的提出與解決應(yīng)有利于實現(xiàn)對學生核心素養(yǎng)的測試．

根據(jù)試題中任務(wù)情境和題干解題信息的融合程度可分為情境分離型試題、情境嵌入型試題和情境結(jié)合型試題[4]．近10年來全國省市高考涉及情境試題中，情境分離型試題所占比重在總體下降，主要以情境嵌入型試題和情境結(jié)合型試題為主，且占比呈上升趨勢．

(1)情境分離型

【例1】[2016年高考江蘇卷12C(1)]貝克勒爾在120年前首先發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象，如今原子核的放射性在眾多領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用．下列屬于放射性衰變的是( )

本題雖然設(shè)置了貝克勒爾在120年前首先發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象的試題情境，但是選擇判斷放射性衰變，與情境材料無因果關(guān)聯(lián)性，情境材料與解題所需信息分離．

(2)情境嵌入型

圖2 例2題圖

依據(jù)《普通高中物理課程標準(2017年版)》，模型建構(gòu)是“科學思維”中關(guān)鍵要素之一，學生要從情境中識別、提取、建構(gòu)物理模型，模型建構(gòu)能力達到水平4．本題考查豎直上拋運動相關(guān)知識，通過圖示“籃球架下的運動員原地垂直起跳扣籃”運動情境構(gòu)建并處理豎直上拋運動模型，通過情境嵌入增加試題的可讀性，提升學生運用物理知識解決實際問題的能力．

(3)情境結(jié)合型

【例3】[2018年高考北京卷第24(2)題]觀測宇宙中輻射電磁波的天體，距離越遠單位面積接收的電磁波功率越小，觀測越困難．為了收集足夠強的來自天體的電磁波，增大望遠鏡口徑是提高天文觀測能力的一條重要途徑．2016年9月25日，世界上最大的單口徑球面射電望遠鏡FAST在我國貴州落成啟用，被譽為“中國天眼”．FAST直徑為500 m，有效提高了人類觀測宇宙的精度和范圍．

(a)設(shè)直徑為100 m的望遠鏡能夠接收到的來自某天體的電磁波功率為P1，計算FAST能夠接收到的來自該天體的電磁波功率P2；

(b)在宇宙大尺度上，天體的空間分布是均勻的，僅以輻射功率為P的同類天體為觀測對象，設(shè)直徑為100 m望遠鏡能夠觀測到的此類天體數(shù)目是N0，計算FAST能夠觀測到的此類天體數(shù)目N．

《普通高中物理課程標準(2017年版)》要求“試題的任務(wù)情境要與生產(chǎn)生活、科技發(fā)展等緊密聯(lián)系，要關(guān)注物理學前沿與成果應(yīng)用；要探索設(shè)計與現(xiàn)實相關(guān)的問題情境，加強對學生應(yīng)用物理學知識綜合解決實際問題能力的考查”．情境結(jié)合型試題的題干信息不僅包括問題情境的性質(zhì)、呈現(xiàn)方式等外部因素，也涉及解決物理問題所需要的能力要求等內(nèi)部因素，試題通過呈現(xiàn)新的任務(wù)情境和新的信息，考查學生信息獲取、加工和利用關(guān)鍵信息分析、解決問題的能力．

另外，從物理核心素養(yǎng)測評導(dǎo)向的命題題型角度看，學者普遍認為不良結(jié)構(gòu)問題比良好結(jié)構(gòu)問題更有利于測評學生的物理核心素養(yǎng)水平，根據(jù)任務(wù)情境的結(jié)構(gòu)化程度和學生完成任務(wù)的自由度，測評題型逐漸變化的連續(xù)體如圖3所示，增加命制試題的自由度，降低命題情境及問題的結(jié)構(gòu)化程度，更有利于物理核心素養(yǎng)的測評．

圖3 測試題型

3 基于物理核心素養(yǎng)的高考試題與情境的探討

《普通高中物理課程標準(2017版)》指出“應(yīng)把物理課程中所形成的物理觀念和科學思維用于分析、解決生產(chǎn)生活中的問題，在問題解決中進一步提高探究能力、增強實踐意識、養(yǎng)成科學態(tài)度，促進物理學科核心素養(yǎng)的形成”．核心素養(yǎng)立意的情境試題考查學生在真實情境中的問題解決能力，問題解決能力是發(fā)展學生物理核心素養(yǎng)的重要關(guān)鍵能力．

下面以2019年北京理綜第24題為例進行具體分析．

【例4】雨滴落到地面的速度通常僅為幾米每秒，這與雨滴下落過程中受到空氣阻力有關(guān)．雨滴間無相互作用且雨滴質(zhì)量不變，重力加速度為g．

(1)質(zhì)量為m的雨滴由靜止開始，下落高度h時速度為u，求這一過程中克服空氣阻力所做的功W．

(2)將雨滴看作半徑為r的球體，設(shè)其豎直落向地面的過程中所受空氣阻力f=kr2v2，其中v是雨滴的速度，k是比例系數(shù)．

a．設(shè)雨滴的密度為ρ，推導(dǎo)雨滴下落趨近的最大速度vm與半徑r的關(guān)系式；

b．示意圖中畫出了半徑為r1和r2(r1>r2)的雨滴在空氣中無初速下落的v-t圖線(圖4)，其中________對應(yīng)半徑為r1的雨滴(選填①、②)；若不計空氣阻力，請在圖中畫出雨滴無初速下落的v-t圖線．

圖4 v-t圖像

(3)由于大量氣體分子在各方向運動的幾率相等，其對靜止雨滴的作用力為零．將雨滴簡化為垂直于運動方向面積為S的圓盤，證明：圓盤以速度v下落時受到的空氣阻力f∝v2(提示：設(shè)單位體積內(nèi)空氣分子數(shù)為n，空氣分子質(zhì)量為m0)．

分析1：依據(jù)物理核心素養(yǎng)水平劃分和學業(yè)質(zhì)量標準的要求，通過創(chuàng)設(shè)真實情境，提出不同復(fù)雜程度和結(jié)構(gòu)差異的實際問題，形成不同難度的測試任務(wù)．對本題進行系統(tǒng)梳理考查維度和具體內(nèi)容，如表1所示．

表1 考查維度和具體內(nèi)容分析

分析2：《普通高中物理課程標準(2017版)》“學業(yè)水平考試與命題建議”中提出“可根據(jù)物理學科核心素養(yǎng)的水平層次、試題情境的復(fù)雜性或新穎性、知識要求的深度或廣度等多方面來設(shè)計試題的難度”．“高中物理學業(yè)質(zhì)量根據(jù)問題情境的復(fù)雜程度、知識和技能的結(jié)構(gòu)化程度、思維方式或價值觀念的綜合程度等劃分為不同水平．每一級水平皆包含物理學科核心素養(yǎng)的4個方面，主要表現(xiàn)為學生在不同復(fù)雜程度情境中運用重要概念、思維、方法和觀念等解決問題的關(guān)鍵特征．”根據(jù)問題情境復(fù)雜程度的不同，對應(yīng)素養(yǎng)水平的水平一到水平四分為常見的去情境或抽象的情境、新穎的簡單抽象的情境、常見的復(fù)雜但有指向性的情境、新穎的復(fù)雜結(jié)構(gòu)良好情境或簡單結(jié)構(gòu)不良的情境．

由此，根據(jù)學業(yè)水平質(zhì)量表達影響高考測試任務(wù)問題復(fù)雜性程度的維度，結(jié)構(gòu)如圖5所示，幾種影響因素包括“問題情境的復(fù)雜性程度x”“內(nèi)容的抽象性程度y”和“應(yīng)用的綜合性程度z”，3個維度交點P對應(yīng)長方體體積越大，說明問題的復(fù)雜性程度越高，問題的難度越大．本題的問題復(fù)雜性程度的維度分析如表2所示．

圖5 問題復(fù)雜性程度維度

表2 問題復(fù)雜性程度的維度分析

問題的情境設(shè)計是素養(yǎng)輸入和輸出的中樞，情境設(shè)計的內(nèi)涵和外延要體現(xiàn)寬度、廣度和深度，“試題情境的復(fù)雜性或新穎性”是試題難度設(shè)置合理梯度的關(guān)鍵因素之一，其中“問題情境的復(fù)雜性程度”包括問題的情境因子、情境因子之間的交叉融合程度，以及學生對情境的熟悉程度等．如果試題所涉及的情境因子越多，各因子之間的交叉融合程度越高，學生對情境的熟悉程度越低，說明情境的復(fù)雜性程度越高，試題的難度也越大．

《普通高中物理課程標準(2017版)》“學業(yè)水平考試與命題建議”要求構(gòu)建以“素養(yǎng)”“情境”“問題”和“知識”4個要素為命題框架，如圖6所示.

圖6 學業(yè)水平考試命題框架

核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的命題是新課改成敗的關(guān)鍵之一，以真實情境為測試載體，將知識的運用、問題的提出與解決等融入到有意義的測試情境之中，有利于實現(xiàn)對學生核心素養(yǎng)的測試，以評促改，促進物理核心素養(yǎng)培育的真正落地．