提升學(xué)生信息提取能力的若干策略

齊國(guó)元 方 獵

(浙江省杭州第四中學(xué) 浙江 杭州 310018)

信息提取能力是學(xué)生建立物理概念，學(xué)習(xí)物理規(guī)律，進(jìn)行科學(xué)探究的前提和基礎(chǔ).信息提取能力是學(xué)生利用所學(xué)的物理知識(shí)和方法解決具體問(wèn)題的重要前提.信息提取能力是通過(guò)高中物理學(xué)習(xí)之后所具備的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的外在表現(xiàn)之一.浙江省2021年和2022年高考(選考)物理試題凸顯對(duì)學(xué)生信息提取能力的考查，試題要求學(xué)生從真實(shí)情景中給出的文本、圖片、圖表中提取信息，進(jìn)行問(wèn)題的解決，甄別學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)習(xí)得程度，實(shí)現(xiàn)人才的選拔.

從學(xué)生的表現(xiàn)看，對(duì)這一類需要先進(jìn)行信息提取再利用所學(xué)的物理概念、物理規(guī)律、物理模型和方法解決問(wèn)題的試題處理起來(lái)比較困難，得分率較低.究其原因是學(xué)生缺少信息提取的策略，即不明晰從哪些角度去提取對(duì)問(wèn)題解決有用的信息.筆者從具體問(wèn)題解決的4個(gè)重要環(huán)節(jié)：條件獲取—模型建構(gòu)—知識(shí)選取—問(wèn)題解決，以及物理學(xué)科核心素養(yǎng)各個(gè)要素在具體問(wèn)題解決時(shí)的作用提出有關(guān)提升學(xué)生信息獲取能力的3點(diǎn)策略.

1 基于“物理觀念”提取具體問(wèn)題的關(guān)鍵信息

“物理觀念”是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)；是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)[1].因此，從物質(zhì)(結(jié)構(gòu))、運(yùn)動(dòng)、相互作用、能量等視角關(guān)注相關(guān)信息，能有效獲取問(wèn)題解決的關(guān)鍵信息(條件)，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決.

【例1】(浙江省2021年6月選考試題第1題)據(jù)《自然》雜志2021年5月17日?qǐng)?bào)道，中國(guó)科學(xué)家在稻城“拉索”基地(圖1)探測(cè)到迄今為止最高能量的γ射線，能量值為1.40×1015eV，即( )

圖1 例1題圖

A.1.40×1015V B.2.24×10-4C

C.2.24×10-4W D.2.24× 10-4J

學(xué)生求解思路：學(xué)生通過(guò)單位換算進(jìn)行求解，即1.40×1015eV=1.40×1015×1.6×10-19J=2.24×10-4J.

試題立意解讀：本題是考查學(xué)生的能量觀，即知道電子伏特(eV)是能量的單位，而能量的國(guó)際單位是焦耳(J)，根據(jù)單位即可得到答案D.

信息提取流程：本題考查學(xué)生的物理觀念，應(yīng)從能量觀視角獲取信息.該題的文本信息中“能量值為1.40×1015eV”，是描述能量的大小，而選項(xiàng)中4個(gè)值的單位分別是“V”“C”“W”“J”.基于能量觀視角看能量的單位為“J”，根據(jù)單位即可得到答案D.

關(guān)鍵能力描述：本題主要考查學(xué)生物理觀念中的能量觀，知道能量的單位，以及相關(guān)單位換算.

【例2】(浙江省2022年1月選考試題第14題)2021年12月15日秦山核電站迎來(lái)了安全發(fā)電30周年，核電站累計(jì)發(fā)電約6.9×1011kW·h，相當(dāng)于減排二氧化碳六億多噸.為了提高能源利用率，核電站還將利用冷卻水給周圍居民供熱(圖2)，下列說(shuō)法正確的是( )

圖2 例2題圖

A.秦山核電站利用的是核聚變釋放的能量

B.秦山核電站發(fā)電使原子核虧損的質(zhì)量約為27.6 kg

C.核電站反應(yīng)堆中需要用鎘棒控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度

學(xué)生求解思路：本題的難點(diǎn)是選項(xiàng)B，學(xué)生根據(jù)“核電站累計(jì)發(fā)電約6.9×1011kW·h”，然后利用ΔE=Δmc2，求得虧損質(zhì)量為27.6 kg.

試題立意解讀：本題是考查學(xué)生的能量觀，核能發(fā)電過(guò)程中其轉(zhuǎn)化效率并不是100%.

信息提取流程：本題考查能量的轉(zhuǎn)化(核能的應(yīng)用)，應(yīng)從能量轉(zhuǎn)化與守恒視角獲取信息.該題的文本信息中“為了提高能源利用率，核電站還將利用冷卻水給周圍居民供熱”，根據(jù)上述信息和能量觀可以獲取“發(fā)電過(guò)程中轉(zhuǎn)化率不是100%”這一重要信息.由于轉(zhuǎn)化率未知，故無(wú)法求解秦山核電站發(fā)電使原子核虧損的質(zhì)量，B錯(cuò)誤.

關(guān)鍵能力描述：本題主要考查學(xué)生物理觀念中的能量觀，知道能量轉(zhuǎn)化與守恒的內(nèi)涵.

2 基于“科學(xué)思維”獲取具體問(wèn)題的隱含信息

“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式；是基于經(jīng)驗(yàn)實(shí)施建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力和品格[1].從“模型建構(gòu)”“科學(xué)推理”“科學(xué)論證”等視角挖掘，能有效地提取文本中隱含信息.即從物理模型建構(gòu)所需要的相關(guān)條件挖掘隱含信息；從進(jìn)行科學(xué)推理所需要的原始條件及用于推理和論證的數(shù)據(jù)等方面挖掘隱含信息；從尋求科學(xué)論證需要的證據(jù)與觀點(diǎn)入手挖掘隱含信息.

【例3】(浙江省2022年1月選考試題第3題)如圖3所示，在火箭發(fā)射塔周圍有鋼鐵制成的4座高塔，高塔的功能最有可能的是( )

圖3 例3題圖

A.探測(cè)發(fā)射臺(tái)周圍風(fēng)力的大小

B.發(fā)射與航天器聯(lián)系的電磁波

C.預(yù)防雷電擊中待發(fā)射的火箭

D.測(cè)量火箭發(fā)射過(guò)程的速度和加速度

學(xué)生求解思路：學(xué)生認(rèn)為選項(xiàng)中的描述都是火箭發(fā)射過(guò)程中要關(guān)注的物理量(問(wèn)題)，因此對(duì)于本題沒(méi)有太明確的想法.

試題立意解讀：試題考查學(xué)生論證能力，題干中特別強(qiáng)調(diào)“鋼鐵”制成的“高”塔，即對(duì)高塔的材質(zhì)做了說(shuō)明，圖中也很容易看到塔的高度比發(fā)射塔高，引導(dǎo)學(xué)生向“避雷針”方向考慮.

信息提取流程：考查學(xué)生論證能力，應(yīng)從證據(jù)與觀點(diǎn)入手挖掘隱含信息.從文本中獲取“鋼鐵制成”“高塔”“圖片中高塔比發(fā)射塔高”等有效信息.基于已有的物理觀念結(jié)合獲取的信息進(jìn)行論證.

關(guān)鍵能力描述：本題考查學(xué)生的信息提取能力和科學(xué)論證能力.基于生活經(jīng)驗(yàn)得知測(cè)量風(fēng)力的儀器材質(zhì)未必是“鐵質(zhì)”和“高”，故A錯(cuò)誤.測(cè)量火箭的速度和加速度是利用電磁波，故B和D是一個(gè)問(wèn)題，更何況生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們發(fā)射和接收電磁波的裝置是“碗狀”的.根據(jù)上述信息鐵質(zhì)高塔最有可能的功能是預(yù)防雷電擊中待發(fā)射的火箭.

【例4】(浙江省2022年1月選考試題第10題)空間站在地球外層的稀薄大氣中繞行，因氣體阻力的影響，軌道高度會(huì)發(fā)生變化.空間站安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)，可對(duì)軌道進(jìn)行修正.圖4中給出了國(guó)際空間站2020.02-2020.08期間離地高度隨時(shí)間變化的曲線，則空間站( )

圖4 例4題圖

A. 繞地運(yùn)行速度約2.0 km/s

B. 繞地運(yùn)行速度約為8.0 km/s

C. 在4月份繞行的任意兩小時(shí)內(nèi)機(jī)械能可視為守恒

D. 在5月份繞行的任意兩小時(shí)內(nèi)機(jī)械能可視為守恒

學(xué)生求解思路：

學(xué)生甲：國(guó)際空間站在近地軌道，故其繞地運(yùn)行速度為7.9 km/s，故B正確.

學(xué)生乙：近地軌道衛(wèi)星，繞地運(yùn)行速度為7.9 km/s，而國(guó)際空間站有一定的高度，故繞地運(yùn)行速度小于7.9 km/s，故A正確.

學(xué)生丙：由圖4可知在4月份，國(guó)際空間站軌道高度減小，故其機(jī)械能不守恒，故C錯(cuò)誤.

學(xué)生丁：由圖4可知在5月份，國(guó)際空間站軌道高度減小，故其機(jī)械能不守恒，故D錯(cuò)誤.

試題立意解讀：試題考查學(xué)生從圖表中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀分析的能力，理解“長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械能不守恒與2小時(shí)的近視守恒”是“對(duì)立統(tǒng)一”的辯證思維.

信息提取流程：本題考查學(xué)生的推理能力，應(yīng)從用于推理和論證的數(shù)據(jù)等方面挖掘隱含信息.從圖表中獲取以下信息：

(1)國(guó)際空間站軌道高度為418～421 km，進(jìn)而得到其軌道半徑為6 818～6 821 km.

(2)第4個(gè)月內(nèi)的某一時(shí)刻，軌道高度發(fā)生了瞬間的變化(突變).

(3)第5個(gè)月內(nèi)，盡管高度也在變化，但是變化的比較緩慢，且高度變化不大，進(jìn)而推理在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)軌道高度幾乎沒(méi)有變化.

具有估算意識(shí)和能力，即國(guó)際空間站的軌道半徑盡管比地球半徑大，但是兩者差異不大，故A和B錯(cuò)誤.

關(guān)鍵能力描述：本題考查學(xué)生的科學(xué)思維，關(guān)注學(xué)生的信息提取能力和估算能力，以及能用恰當(dāng)?shù)淖C據(jù)證明物理結(jié)論.第4個(gè)月內(nèi)的某一時(shí)刻，軌道高度發(fā)生了瞬間的變化(突變)說(shuō)明有外力做功，機(jī)械能不守恒，故C錯(cuò)誤.第5個(gè)月內(nèi)，盡管高度也在變化，但是變化的比較緩慢，且高度變化不大，進(jìn)而推理在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)軌道高度幾乎沒(méi)有變化，體會(huì)“長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械能不守恒與2小時(shí)的近視守恒”是“對(duì)立統(tǒng)一”的辯證思維，機(jī)械能守恒，故D正確.

3 基于“科學(xué)探究”挖取具體問(wèn)題的佐證信息

“科學(xué)探究”是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力[1].對(duì)結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思需要基于一定知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此我們需要從實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程、數(shù)據(jù)的獲取、結(jié)論的得出等角度挖掘所需相關(guān)信息和證據(jù).質(zhì)疑和評(píng)估是在學(xué)生已有知識(shí)(認(rèn)知)和實(shí)驗(yàn)(事實(shí))發(fā)生沖突時(shí)進(jìn)行的，因此審題時(shí)要從思維沖突點(diǎn)上挖掘佐證信息.

【例5】(浙江省2022年1月選考試題第23題第②小題)表1是某次“探究碰撞中的不變量”實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù).

表1 某次“探究碰撞中的不變量”實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)

由表中數(shù)據(jù)可知，碰撞后小車A、B所構(gòu)成系統(tǒng)的總動(dòng)量大小是kg·m/s.(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)

學(xué)生求解思路：本實(shí)驗(yàn)是“探究碰撞中的不變量”，實(shí)驗(yàn)應(yīng)遵循動(dòng)量守恒定律，A的初始動(dòng)量為0.202 kg·m/s，故碰撞后小車A、B所構(gòu)成系統(tǒng)的總動(dòng)量大小0.202 kg·m/s.

試題立意解讀：試題考查學(xué)生從表格中獲取相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行質(zhì)疑、模型建構(gòu)、科學(xué)推理和論證的能力.

信息提取流程：本題考查學(xué)生的質(zhì)疑和評(píng)價(jià)能力，應(yīng)從思維沖突點(diǎn)上挖掘佐證信息.解讀上述表格中的信息:

(1)速度是矢量，題目怎么只有速度大??？(質(zhì)疑)，方向應(yīng)該怎樣？通過(guò)碰撞實(shí)驗(yàn)、生活經(jīng)驗(yàn)建立小質(zhì)量碰撞后反彈模型(建模)，確定速度值為負(fù)；

(2)計(jì)算得到0.280，與動(dòng)量比較，怎么會(huì)差這么多？(質(zhì)疑)，根據(jù)所給器材不可能是實(shí)驗(yàn)誤差(論斷)，聯(lián)系實(shí)驗(yàn)與生活經(jīng)驗(yàn)想到小質(zhì)量物體要反彈(建模)，確定速度值為負(fù).

關(guān)鍵能力描述：本題考查學(xué)生的科學(xué)思維，考查學(xué)生能用恰當(dāng)?shù)淖C據(jù)證明物理結(jié)論.根據(jù)上述信息，如果兩車碰后速度同向，則碰撞后系統(tǒng)的總動(dòng)量為0.280 kg·m/s，通過(guò)論證發(fā)現(xiàn)誤差太大.再根據(jù)信息“速度大小”，反思是否可能碰后兩者速度反向，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行推理，得到碰撞后小車A、B所構(gòu)成系統(tǒng)的總動(dòng)量為0.200 kg·m/s，誤差很小，符合實(shí)驗(yàn)規(guī)律.故答案為0.200 kg·m/s.

【例6】(浙江省2021年6月選考試題第18題第②小題)先將單刀雙擲開關(guān)擲到左邊，記錄電流表讀數(shù)，再將單刀雙擲開關(guān)挪到右邊，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值，使電流表的讀數(shù)與前一次盡量相同，電阻箱的示數(shù)如圖5所示.則待測(cè)電阻RxΩ.此方法(填“有”或“無(wú)”)明顯的實(shí)驗(yàn)誤差，其理由是___________________________________.

圖5 例6題圖

學(xué)生求解思路：從實(shí)驗(yàn)原理上看本實(shí)驗(yàn)采用等效替換的思想，即用電阻箱來(lái)替代待測(cè)電阻，電路沒(méi)有變化故沒(méi)有明顯的實(shí)驗(yàn)誤差.

試題立意解讀：本題給出具體的實(shí)驗(yàn)操作方案，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并進(jìn)行誤差分析.引導(dǎo)學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中關(guān)注實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)獲取、誤差分析等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié).

信息提取流程：本題是實(shí)驗(yàn)題，信息提取應(yīng)從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)獲取、結(jié)論獲得等環(huán)節(jié)中進(jìn)行提取.

(1)由于實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中看“調(diào)節(jié)電阻箱的阻值，使電流表的讀數(shù)與前一次盡量相同”，而電流表的讀數(shù)會(huì)有誤差，故本實(shí)驗(yàn)存在誤差，其原因是電流表讀數(shù)誤差引起的.

(2)從實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)看,由于實(shí)驗(yàn)使用的電阻箱精度為“1 Ω”，而待測(cè)電阻又比較小(5 Ω左右)，故會(huì)有電阻測(cè)量的誤差.

關(guān)鍵能力描述：本題考查學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng).尤其是打破了以往只考查教材中常規(guī)實(shí)驗(yàn)的慣例.給出具體的實(shí)驗(yàn)操作方案，讓學(xué)生自主分析.這很好地引導(dǎo)了教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中關(guān)注實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)探究素養(yǎng)，尤其是利用證據(jù)來(lái)描述、解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論的意識(shí)與能力.

通過(guò)上述試題的分析與解讀，我們不難發(fā)現(xiàn)，在素養(yǎng)指向下的高考(選考)試題已經(jīng)發(fā)生了較大的改變，凸顯對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的考查[2].信息提取作為問(wèn)題解決的第一步，是問(wèn)題能否成功解決的關(guān)鍵.信息提取的優(yōu)劣直接關(guān)系到物理模型建構(gòu)的合理與否；科學(xué)推理和論證的正確與否；質(zhì)疑與評(píng)價(jià)是否有理有據(jù).引導(dǎo)學(xué)生從“物理觀念”提取具體問(wèn)題的關(guān)鍵信息；從“科學(xué)思維”獲取具體問(wèn)題的隱含信息；從“科學(xué)探究”挖掘具體問(wèn)題的佐證信息，能較好地培養(yǎng)其信息提取的意識(shí)和能力.信息提取的意識(shí)和能力的提升能有效地提高學(xué)生利用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)也是學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要外在表現(xiàn).