突出理解應(yīng)用 考查學(xué)科核心素養(yǎng)
——對(duì)2020年蘇州市中考物理試卷第30題的賞析

張 亮

(阜陽(yáng)市第十八中學(xué)，安徽 阜陽(yáng) 236000)

1 原題呈現(xiàn)及試題背景

1.1 試題原題及解答

Phyphox是一款功能強(qiáng)大的物理實(shí)驗(yàn)手機(jī)軟件,其中的Acoustic Stopwatch功能能夠自動(dòng)記錄下所接收到的兩次響聲之間的時(shí)間間隔:當(dāng)手機(jī)接收到第一次響聲時(shí)便自動(dòng)計(jì)時(shí),當(dāng)再次接收到響聲時(shí)計(jì)時(shí)自動(dòng)停止(類似于使用秒表時(shí)的啟動(dòng)和停止),由于對(duì)聲音的響應(yīng)非常靈敏,計(jì)時(shí)可精確到0.001 s.

甲、乙兩人使用手機(jī)在空曠安靜的廣場(chǎng)上測(cè)量聲音的傳播速度.如圖1所示,他們分別站于間距測(cè)量值為s的A、B兩處,打開手機(jī)軟件做好計(jì)時(shí)準(zhǔn)備.甲先在手機(jī)邊擊掌一次,乙聽到擊掌聲之后,也在手機(jī)邊擊掌一次.查看甲、乙兩手機(jī)均有效記錄下了兩次掌聲的時(shí)間間隔,分別為t甲、t乙.

圖1

(1) 若已知空氣中的聲速為340 m/s,0.001 s內(nèi)聲音的傳播距離為________m;

(2) 本實(shí)驗(yàn)中兩手機(jī)所記錄的時(shí)間大小關(guān)系是t甲________t乙(>/=/<);

(3) 測(cè)得空氣中聲音的傳播速度v聲=________.(用s、t甲、t乙表示)

參考答案如下:

(1) 聲音的傳播距離為s=vt=340 m/s×0.001 s=0.34 m;

(2) 由記錄過(guò)程知,t甲比t乙多記錄聲音傳播的時(shí)間,故t甲>t乙;

(3) 從A到B處聲音的傳播時(shí)間為

測(cè)得空氣中聲音的傳播速度.

1.2 試題背景

2018年第7期的《物理教學(xué)探討》刊發(fā)《智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討——以Phyphox軟件為例》一文.文中的一個(gè)案例就是利用Phyphox軟件測(cè)量聲音在空氣中的傳播速度.試題中的方案與論文中的方案完全相同,論文中計(jì)算出了s=5 m時(shí)的測(cè)量結(jié)果及誤差分析.[1]

此外,網(wǎng)絡(luò)上有借助Phyphox軟件進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的視頻展示,實(shí)驗(yàn)過(guò)程截圖如圖2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖如圖3,其中t甲=0.824 s,t乙=0.797 s,根據(jù)公式可算出當(dāng)時(shí)環(huán)境下聲音的傳播速度為370.37 m/s.

圖2

圖3

2 試題賞析

本題是2020年蘇州中考物理試卷的壓軸題,難點(diǎn)在第3小問(wèn)題.試題主要考查速度的計(jì)算方法,解題的關(guān)鍵是正確表達(dá)聲音從A到B的傳播時(shí)間,要求考生能夠熟練應(yīng)用速度公式解題.在考試后的交流研討中,部分物理老師在接觸題目的短時(shí)間內(nèi)看不懂題意,對(duì)于最后一問(wèn)無(wú)從下手.下面從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的部分要素進(jìn)行試題分析.

2.1 物理觀念的滲透

試題以手機(jī)軟件應(yīng)用為背景,以擊掌聲為研究對(duì)象,以測(cè)量聲音的傳播速度為目的,考查學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)的理解情況.本題涉及“物理觀念”中“運(yùn)動(dòng)觀念”的幾個(gè)基本概念[2]:聲音傳播的快慢——速度;聲音的傳播距離——路程;人的反應(yīng)時(shí)間;聲音的傳播形式——聲波.其中比較隱蔽的概念是人的反應(yīng)時(shí)間.甲、乙兩人各擊掌一次,A、B處的手機(jī)各有兩次記錄,如何理解t甲和t乙是正確解答本題的關(guān)鍵.

2.2 科學(xué)思維的體現(xiàn)

本試題中的“科學(xué)思維”體現(xiàn)在“模型建構(gòu)”和“科學(xué)推理”方面.[2]對(duì)初中學(xué)生而言,聲音的傳播不同于人、機(jī)械等可見物體的運(yùn)動(dòng),給人捉摸不定的感覺(jué),因此,解答本題時(shí),“模型建構(gòu)”十分重要.題目中“乙聽到擊掌聲之后,也在手機(jī)邊擊掌一次”暗示著由于人有反應(yīng)時(shí)間,B處人擊掌的時(shí)刻一定晚于乙手機(jī)開始計(jì)時(shí)的時(shí)刻.這兩個(gè)時(shí)刻之差即為t乙(忽略聲音從乙的手傳播到B處手機(jī)的時(shí)間). 在審題過(guò)程中,可以把聲波的傳播想象成一個(gè)小球的運(yùn)動(dòng), 小球從A處出發(fā)時(shí)甲開始計(jì)時(shí),小球到達(dá)B處時(shí)乙開始計(jì)時(shí);然后小球在B處停留片刻,再次從B處出發(fā)時(shí)乙停止計(jì)時(shí),小球回到A處時(shí),甲停止計(jì)時(shí).小球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖如圖4所示.

圖4

由以上示意圖可知,t甲包括小球在甲、乙之間的往返時(shí)間及在乙處的停留時(shí)間.因此,小球從甲處運(yùn)動(dòng)到乙處的單程時(shí)間為0.5(t甲-t乙).由此可知第(2)問(wèn)的答案為t甲>t乙.

2.3 科學(xué)探究的設(shè)計(jì)

因空氣中聲音的傳播速度較大,用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法很難準(zhǔn)確測(cè)量其數(shù)值.如何設(shè)計(jì)“利用智能手機(jī)軟件測(cè)量聲音傳播速度”的方案?題干中的“科學(xué)探究”已完成了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案,“空曠安靜的廣場(chǎng)”是環(huán)境條件;測(cè)量能夠“精確到0.001 s”時(shí)間間隔的手機(jī)軟件是技術(shù)保障;兩次擊掌、四次記錄,幾個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作即完成了實(shí)驗(yàn)過(guò)程.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案新穎,是一個(gè)典型的創(chuàng)新型科學(xué)探究活動(dòng).試題重在考查學(xué)生獲取和處理信息的能力.t甲和t乙分別表示哪一段時(shí)間?它們和聲音從A處傳播到B處的時(shí)間有什么關(guān)系?厘清了其中關(guān)系就找到了解題的關(guān)鍵.

3 試題啟示

本題深入考查了學(xué)生提取關(guān)鍵信息、建構(gòu)物理模型以及用簡(jiǎn)要的數(shù)學(xué)知識(shí)處理物理問(wèn)題的能力,[3]試題命題角度新穎,回避了復(fù)雜的運(yùn)算,側(cè)重于考查學(xué)生的核心素養(yǎng),對(duì)物理教學(xué)起到積極的導(dǎo)向作用.

3.1 對(duì)課堂教學(xué)的啟示

部分學(xué)生沒(méi)有學(xué)好科學(xué)課程的一個(gè)最大的原因是他們對(duì)所學(xué)知識(shí)并沒(méi)有理解.[4]學(xué)生的理解并不是“聽懂”,也不體現(xiàn)在記住與復(fù)述相關(guān)的概念、公式與定律等知識(shí),而是看自己能否在一個(gè)具體的問(wèn)題情境中進(jìn)行正確的解釋與表達(dá).[5]因此,試題與問(wèn)題是檢驗(yàn)學(xué)生是否真正理解的有效手段.理科學(xué)習(xí)中,知識(shí)點(diǎn)是相對(duì)固定的,而問(wèn)題是靈活多變的,不能解決活的問(wèn)題,就不能說(shuō)是真正的理解. 多數(shù)學(xué)生知道人的“反應(yīng)時(shí)間”是指從感官接收到信息到人采取動(dòng)作的時(shí)間,但是落實(shí)具體問(wèn)題中,就不一定能準(zhǔn)確表達(dá)出來(lái).比如本題中,如果學(xué)生沒(méi)有理解乙手機(jī)第一次接收聲波與人接收聲波有時(shí)間差,即沒(méi)有找出“人的反應(yīng)時(shí)間”這個(gè)隱含的物理量,第(3)問(wèn)將無(wú)從解答,主要原因是對(duì)聲波的傳播過(guò)程不理解.課堂教學(xué)中,知識(shí)的建構(gòu)應(yīng)有具體的問(wèn)題情境,同時(shí)要借助豐富的事例從不同側(cè)面進(jìn)行解讀,即由

問(wèn)題和事例到知識(shí).比如在學(xué)習(xí)“平均速度”概念時(shí),學(xué)生通過(guò)具體的變速運(yùn)動(dòng)的事例建立了平均速度的概念,老師在檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)概念的理解時(shí),可以出示以下例題:物體在A、B之間做變速直線運(yùn)動(dòng),C點(diǎn)為AB的中點(diǎn),已知AC之間的平均速度是6 m/s,BC之間的平均速度是10 m/s,求AB之間的平均速度.凡是答案為8 m/s的學(xué)生,都沒(méi)有真正理解平均速度的概念,而是受測(cè)量長(zhǎng)度求平均值的影響,潛意識(shí)地默認(rèn)為“平均”就是加起來(lái)取平均值.只有結(jié)果為7.5 m/s的學(xué)生才真正理解了平均速度的概念. 老師在檢查學(xué)生是否真正理解了某知識(shí)點(diǎn)時(shí),盡可能避免以背誦、默寫等簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行,而應(yīng)精選問(wèn)題,讓學(xué)生把題意與解題思路說(shuō)出來(lái).老師從學(xué)生的解說(shuō)中便可判斷學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度,從而有針對(duì)性地調(diào)整思路.

3.2 對(duì)探究活動(dòng)的啟示

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材的智能化程度較低,并且較為單一,一定程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)造力.隨著智能手機(jī)的普及和各種軟件的開發(fā),手機(jī)逐漸走進(jìn)了常規(guī)的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng).智能手機(jī)程序可將實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)字化、精確化、形象化,同時(shí)帶來(lái)了實(shí)驗(yàn)的開放性,打破實(shí)驗(yàn)的空間限制,解決了部分實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)量的問(wèn)題,成為實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的有力助手,這既改變了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式和教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式,又為學(xué)生課外實(shí)踐活動(dòng)創(chuàng)造了條件,同時(shí)可激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能.[2]以Phyphox軟件為例,目前可實(shí)現(xiàn) 29 種內(nèi)置功能,其中包括初中物理實(shí)驗(yàn)中常用的測(cè)量工具,如力傳感器、噪聲監(jiān)測(cè)儀、音頻發(fā)生器、秒表(聲學(xué)秒表、 運(yùn)動(dòng)秒表、光學(xué)秒表)、氣壓計(jì)等. 以學(xué)習(xí)“聲現(xiàn)象”為例,每個(gè)學(xué)生都可以利用Phyphox軟件測(cè)試自己在不同情況下發(fā)聲的頻率、響度、音色,還可測(cè)試自己的聽覺(jué)范圍,直觀形象的結(jié)果有助于激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步開展探究式學(xué)習(xí)的熱情.

綜上所述,本題立足于實(shí)踐應(yīng)用,對(duì)學(xué)生的模型建構(gòu)能力、理解與應(yīng)用能力提出較高的要求,較全面地考查了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),同時(shí)為智能工具在實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課外實(shí)踐活動(dòng)中的應(yīng)用做出了示范.