根據(jù)線索隱蔽度等級(jí)設(shè)計(jì)物理真實(shí)情境習(xí)題的嘗試

□林輝慶

（杭州市余杭高級(jí)中學(xué)，浙江杭州 311100）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在“教學(xué)建議”中指出：“應(yīng)把物理課程中所形成的物理觀念和科學(xué)思維用于分析、解決生產(chǎn)生活中的問題，在解決問題中進(jìn)一步提高探究能力、增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成.”[1]生產(chǎn)生活中的問題情境是真實(shí)的未被加工的題材，如何將其加工成適應(yīng)不同學(xué)習(xí)階段或具有不同物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平的學(xué)生的習(xí)題，是一線教師需要研究的重要課題.

一、真實(shí)情境問題的主要特征

真實(shí)情境問題有三個(gè)主要特征，那就是綜合性、復(fù)雜性和開放性.

（一）綜合性

綜合性指真實(shí)問題情境中總是包含著很多緊密聯(lián)系和相互影響的部分和現(xiàn)象，涉及多方面的學(xué)科知識(shí)甚至多個(gè)學(xué)科知識(shí).要解決問題，就需要從眾多的情境因素中識(shí)別出一個(gè)恰當(dāng)?shù)挠扇舾梢蛩叵嗷ヂ?lián)系構(gòu)成的物理模式.如“搖繩發(fā)電”的情境：把長(zhǎng)度20～25 m的導(dǎo)線連接在一個(gè)靈敏電流表的兩個(gè)接線柱上，形成閉合回路.兩人如圖1 那樣搖動(dòng)導(dǎo)線，靈敏電流表的指針左右晃動(dòng).要求研究指針偏角最大時(shí)的讀數(shù)是否等于電路中實(shí)際的最大電流.

圖1 搖繩發(fā)電

這個(gè)問題情境除了文字描述和圖片給出的信息，還聯(lián)系著眾多隱含的相關(guān)因素.如實(shí)驗(yàn)所在地的地磁場(chǎng)、導(dǎo)線的導(dǎo)電性、靈敏電流表的結(jié)構(gòu)、兩個(gè)人之間的距離、被搖動(dòng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度、搖動(dòng)導(dǎo)線的快慢等因素.要研究本問題，必須在這些相互聯(lián)系的眾多現(xiàn)象和因素中識(shí)別出如下模式：人搖動(dòng)導(dǎo)線產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)，在閉合回路中產(chǎn)生交變電流；靈敏電流表的線圈受周期性的安培力、螺旋彈簧的彈力和阻力作用做受迫振動(dòng).

（二）復(fù)雜性

復(fù)雜性是指真實(shí)發(fā)生的事物除受到能識(shí)別、可量度的因素影響外，還會(huì)受到一些能識(shí)別但無法準(zhǔn)確描述的因素和許多不能識(shí)別的因素影響，導(dǎo)致現(xiàn)象和過程具有一定的模糊性、不規(guī)則性.在搖繩發(fā)電的情境中，由于手運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性和空氣流動(dòng)等因素的影響，導(dǎo)線的轉(zhuǎn)動(dòng)不可能勻速，被轉(zhuǎn)動(dòng)部分導(dǎo)線的形狀也會(huì)發(fā)生不規(guī)則的變化；手與靈敏電流表之間的導(dǎo)線不規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)影響電路中的電流；兩人站立的方位與地磁場(chǎng)方向間的關(guān)系無法準(zhǔn)確測(cè)定，會(huì)影響最大電流的計(jì)算等.面對(duì)復(fù)雜的事物，科學(xué)的處理方法是忽略次要因素，保留主要因素，建立理想化模型.忽略被搖動(dòng)部分導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)的不穩(wěn)定性和形狀的不規(guī)則變化，忽略手與靈敏電流表之間導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，認(rèn)為兩人的連線與地磁場(chǎng)垂直，這樣，被搖動(dòng)的導(dǎo)線就是一個(gè)理想的交流發(fā)電機(jī).用這個(gè)模型就能在一定的誤差范圍內(nèi)計(jì)算出閉合回路中電流的最大值.

（三）開放性

開放性是指真實(shí)情境問題中，有些相關(guān)因素的數(shù)值并未明確已知，在一定范圍內(nèi)都是合理的；情境所提供的信息對(duì)解決問題不一定是剛好的，可能有多余，需要選擇，也可能不夠，需要學(xué)生自己尋找；待求解的問題可能不是很明確，而只有一些基本要求或只有一些方向性的說明，甚至需要學(xué)生自己提出問題.如上各點(diǎn)又決定了問題可能沒有事先確定的標(biāo)準(zhǔn)的解決方案和答案，只要證據(jù)可靠、推理正確且符合問題要求都是可以接受的.例如，搖繩發(fā)電問題中，一些必要的物理量需要學(xué)生自己查找或測(cè)量，尤其是，與導(dǎo)線彎曲形狀有關(guān)的“交流發(fā)電機(jī)線圈”的面積S，需要設(shè)計(jì)巧妙的方法測(cè)量.當(dāng)發(fā)現(xiàn)電流表的最大讀數(shù)與實(shí)際的最大電流不一致后，學(xué)生還必然會(huì)提出“為什么？”的問題，也可能會(huì)提出“不一致的程度與哪些因素有關(guān)？”的問題.開放性就是不確定性，開放性問題的解決，需要學(xué)生運(yùn)用發(fā)散思維與創(chuàng)新思維搜尋、選擇證據(jù)，構(gòu)建、篩選解決方案，評(píng)估問題解決過程和結(jié)果.

二、真實(shí)情境習(xí)題的線索隱蔽度及其等級(jí)劃分

（一）真實(shí)情境習(xí)題的線索隱蔽度

教學(xué)中以自然界和生產(chǎn)生活中真實(shí)存在的現(xiàn)象為題材的習(xí)題，叫真實(shí)情境習(xí)題.真實(shí)情境習(xí)題是命題者對(duì)真實(shí)現(xiàn)象的信息經(jīng)過篩選、簡(jiǎn)化、組織等方式加工后用文字、圖形、圖像或數(shù)據(jù)表格等形式呈現(xiàn)的.由于命題者的加工活動(dòng)，以及文字、圖形等表達(dá)方式本身的局限，習(xí)題情境相對(duì)于真實(shí)情境必定喪失了很多的在場(chǎng)因素、復(fù)雜性與不確定性.另外，真實(shí)情境習(xí)題作為學(xué)生核心素養(yǎng)形成的載體，必須適應(yīng)學(xué)習(xí)需要.因此，將一個(gè)真實(shí)現(xiàn)象設(shè)計(jì)為習(xí)題，應(yīng)該對(duì)真實(shí)的現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的抽象與簡(jiǎn)化，為問題的解決提供恰當(dāng)?shù)囊阎獥l件或提示.基于上述兩個(gè)方面的原因，真實(shí)情境習(xí)題存在著情境真實(shí)程度高低的問題.當(dāng)我們面對(duì)真實(shí)現(xiàn)象產(chǎn)生問題時(shí)，解決問題的線索是隱藏于眾多的情境因素中的，需要自己去挖掘、尋找；而用于學(xué)習(xí)的真實(shí)情境習(xí)題，其解決問題的線索則是不同程度地以清晰、直接的形式給出的.因此，我們可以定義線索隱蔽度來衡量真實(shí)情境習(xí)題的情境真實(shí)程度高低.習(xí)題中明顯、確切的線索越少，線索的內(nèi)容與需要解決的問題關(guān)系越間接，習(xí)題的線索隱蔽度就越大.線索隱蔽度越大的習(xí)題，習(xí)題情境的真實(shí)度就越高.

（二）真實(shí)情境習(xí)題的線索隱蔽度等級(jí)劃分

解決真實(shí)情境習(xí)題，要運(yùn)用已有的物理觀念從情境中識(shí)別出與問題有關(guān)的由相互聯(lián)系的現(xiàn)象構(gòu)成的物理模式；要區(qū)分主要因素與次要因素建立理想化模型；要尋找、選擇信息，構(gòu)建可行、優(yōu)化的解決方案.所有這些，都需要從習(xí)題的設(shè)問中尋找線索作為推斷的證據(jù).真實(shí)情境習(xí)題的線索隱蔽度越大，學(xué)生要從中尋找線索解決問題就越困難，解決該習(xí)題需要的核心素養(yǎng)水平就越高.

我們將真實(shí)情境習(xí)題的線索隱蔽度劃分為5 個(gè)等級(jí)，如表1.大體上說，解決這些問題需要同等級(jí)的核心素養(yǎng)水平.每個(gè)等級(jí)的線索描述都包含情境的綜合性（現(xiàn)象關(guān)聯(lián)）、復(fù)雜性（模型）和開放性（不確定性）三個(gè)方面.

表1 線索隱蔽度等級(jí)劃分

三、將一個(gè)真實(shí)情境設(shè)計(jì)成線索隱蔽度不同的習(xí)題

線索隱蔽度等級(jí)，既是一種參照，也是一種工具，它使教學(xué)中習(xí)題的選擇和設(shè)計(jì)具有了一定的可操作性.對(duì)于一個(gè)真實(shí)問題情境，我們可以從綜合性、復(fù)雜性和開放性三個(gè)維度改變?cè)O(shè)問方式，參照線索隱蔽度等級(jí)劃分，將其設(shè)計(jì)成具有不同線索隱蔽度的習(xí)題，以滿足不同的學(xué)習(xí)需要.下面給出一個(gè)示例.

【情境描述】電視連續(xù)劇《特警力量》第52集有如下情節(jié).身高約1.8 m 的特警隊(duì)員何苗在一次執(zhí)行任務(wù)時(shí)，不小心踩到一個(gè)精制的“松發(fā)引信”與其他引信聯(lián)動(dòng)的地雷.這種地雷被踩到后，只要作用在其上的力相對(duì)于人靜止時(shí)受到的壓力變化10-2N（臺(tái)詞表達(dá)為1 g）就會(huì)爆炸.何苗站在原地等待排雷專家救援期間，曾將原來捧在胸前的頭盔戴回頭上.

本情境從綜合性角度講，是動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)的綜合，且頭盔、手和手臂的運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起人對(duì)地雷壓力的變化；從復(fù)雜性角度講，頭盔、手和手臂的形狀和運(yùn)動(dòng)均是不規(guī)則的；從開放性角度講，頭盔、手和手臂的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)距離在問題中均沒有明確告知，但它們的數(shù)值范圍是可以估計(jì)或從有關(guān)資料中獲取的.

利用這個(gè)情境，通過增加某些已知條件和改變?cè)O(shè)問，可以設(shè)計(jì)出不同等級(jí)線索隱蔽度的習(xí)題.下面是一組示例.

（一）1級(jí)線索隱蔽度習(xí)題示例

【設(shè)問方式】何苗將頭盔戴回頭上的過程中，頭盔的初、末速度等于多少？速度有無變化？有無加速度？手對(duì)頭盔的作用力是否變化？頭盔對(duì)手的作用力和何苗對(duì)地雷的壓力是否變化？（習(xí)題的設(shè)問包括前面的情境描述，為了節(jié)約篇幅而不重復(fù)，下同）

【線索分析】題目明確指示了用到的概念、規(guī)律和推理過程，學(xué)生不需要通過自己的思考對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行綜合.

【任務(wù)與素養(yǎng)】回憶速度、加速度概念和牛頓第二、第三定律（運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念—1，數(shù)字表示等級(jí)，下同），按照題目指示進(jìn)行推理得到結(jié)論（科學(xué)推理—1）.

（二）2級(jí)線索隱蔽度習(xí)題示例

【設(shè)問方式】假如何苗用t=20 s 的時(shí)間把質(zhì)量m=1 kg的頭盔從胸前抬高h(yuǎn)=60 cm后，再慢慢戴到頭上，頭盔向上運(yùn)動(dòng)的過程中先做勻加速運(yùn)動(dòng)，后做加速度大小相同的勻減速運(yùn)動(dòng).由于頭盔的運(yùn)動(dòng)引起人對(duì)地雷壓力的變化ΔF是否大于10-2N？

【線索分析】題目明確指示了這是一個(gè)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的問題，并給出了頭盔的運(yùn)動(dòng)模型，已知的t、m、h值是求解ΔF所必要的，何苗身高1.8 m是一個(gè)無關(guān)已知量.

【任務(wù)與素養(yǎng)】明確頭盔的初、末速度等于0（證據(jù)意識(shí)—2），綜合運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓第二、三定律，求出頭盔做勻變速運(yùn)動(dòng)階段ΔF=6×10-3N（運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念—2，科學(xué)推理—2）.

（三）3級(jí)線索隱蔽度習(xí)題示例

【設(shè)問方式】假如何苗用t=20 s 的時(shí)間把質(zhì)量m=1 kg的頭盔從胸前抬高60 cm后，再慢慢戴到頭上，他能做到使頭盔與手之間的作用力的變化ΔF小于10-2N嗎？可以先研究頭盔如何運(yùn)動(dòng)ΔF 最小.與同學(xué)交流自己的解題方法.

【線索分析】題目的設(shè)問提示了這是一個(gè)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的問題，給出了構(gòu)建頭盔運(yùn)動(dòng)模型的線索：頭盔如何運(yùn)動(dòng)ΔF最小.

【任務(wù)與素養(yǎng)】根據(jù)題目提示構(gòu)建頭盔及其運(yùn)動(dòng)的模型：將頭盔看作質(zhì)點(diǎn)，它先做初速度為0的勻加速運(yùn)動(dòng)，后做加速度大小相同的勻減速運(yùn)動(dòng)直到靜止（證據(jù)意識(shí)—2，模型建構(gòu)—3）.然后綜合運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓第二定律求出ΔF=6×10-3N（運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念—2，科學(xué)推理—2）.接著與同學(xué)交流解題方法，討論解題方法的合理性（合作、尊重—3）.

（四）4級(jí)線索隱蔽度習(xí)題示例

【設(shè)問方式】假如何苗用t=20 s 的時(shí)間把質(zhì)量m=1 kg的頭盔從胸前抬高60 cm后，再慢慢戴到頭上，他能做到使頭盔與手之間的作用力的變化ΔF小于10-2N嗎？除頭盔運(yùn)動(dòng)外，還有什么因素會(huì)引起人對(duì)地雷壓力的變化？請(qǐng)尋找有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)此做一估算，并據(jù)此說明這一因素能否被忽略.可以與同學(xué)合作解決這個(gè)問題.

【線索分析】與上一示例相比，設(shè)問中關(guān)于頭盔運(yùn)動(dòng)模型的提示更加隱蔽了，并擴(kuò)大了需要綜合考慮的范圍，即人上肢的運(yùn)動(dòng).人上肢運(yùn)動(dòng)的各個(gè)因素都是復(fù)雜的，并且沒有已知上肢的運(yùn)動(dòng)情況、質(zhì)量等.這時(shí)，人的身高是估算上肢運(yùn)動(dòng)距離和質(zhì)量的重要依據(jù).

【任務(wù)與素養(yǎng)】建立頭盔運(yùn)動(dòng)模型，利用已知數(shù)據(jù)計(jì)算出人能做到使ΔF小于10-2N（模型建構(gòu)、科學(xué)推理—3）.識(shí)別出上肢的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響人對(duì)地雷壓力的大小（運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念—4）.對(duì)人上肢的運(yùn)動(dòng)建立模型，尋找數(shù)據(jù)，通過推理得到上肢的運(yùn)動(dòng)對(duì)人與地雷壓力的影響大于頭盔的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響（模型建構(gòu)、科學(xué)推理—4）.在這個(gè)過程中，學(xué)生需要不斷地提出問題、尋找數(shù)據(jù)、做出解釋、交流討論（科學(xué)探究—4）；需要戰(zhàn)勝不確定性帶來的心理焦慮直至問題獲解（科學(xué)態(tài)度—4）；要不斷地與同學(xué)探討以尋找思路、完善解法（合作、尊重—4）.

（五）5級(jí)線索隱蔽度習(xí)題示例

【設(shè)問方式】請(qǐng)通過有依據(jù)的分析和計(jì)算，為何苗應(yīng)該如何戴頭盔才可能避免地雷爆炸提出建議.與同學(xué)合作解決這個(gè)問題.

【線索分析】首先，“何苗應(yīng)該如何戴頭盔才可能避免地雷爆炸”不是一個(gè)直接而明確的物理問題，需要學(xué)生運(yùn)用運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念識(shí)別出“如何戴頭盔”，指的是手和頭盔如何運(yùn)動(dòng).其次，情境提供的線索少，除了人對(duì)地雷壓力的變化超過10-2N 地雷就會(huì)爆炸和何苗的身高為1.8 m，沒有其他明顯的對(duì)解決問題有用的線索.

【任務(wù)與素養(yǎng)】在明確頭盔、人的上肢運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起人對(duì)地雷壓力變化的基礎(chǔ)上，提出戴頭盔的動(dòng)作要滿足什么條件才不引爆地雷的問題.對(duì)頭盔、人的上肢及其運(yùn)動(dòng)建立模型，到有關(guān)資料中查找頭盔的質(zhì)量，估算身高1.8 m的人上肢的質(zhì)量、頭盔向上移動(dòng)的距離等數(shù)據(jù)，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓運(yùn)動(dòng)定律估算出人對(duì)地雷壓力的變化要小于10-2N，向上移動(dòng)頭盔的時(shí)間至少要大于某個(gè)值t0.在此基礎(chǔ)上為何苗在戴頭盔動(dòng)作要求方面提出建議.

整個(gè)過程需要學(xué)生自己明確問題、做出假設(shè)、尋找數(shù)據(jù)、進(jìn)行推理、得出結(jié)論；需要同學(xué)間相互合作、集思廣益；另外，有無人文關(guān)懷精神也將影響學(xué)生解決問題的動(dòng)力和投入程度（物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任—5）.

最后有必要說明，將同一個(gè)真實(shí)問題情境設(shè)計(jì)成線索隱蔽度不同的習(xí)題，對(duì)教師來說，能提高有價(jià)值的真實(shí)情境的利用率；對(duì)學(xué)生來說，有利于形成對(duì)同一事物不斷地質(zhì)疑原有觀點(diǎn)、不斷地從不同角度提出問題進(jìn)行深入探究的思維品質(zhì)與能力，有利于形成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、持之以恒的科學(xué)態(tài)度.□◢