素養(yǎng)導向下的物理命題策略

劉霽華

(常州市教育科學研究院,江蘇 常州 213016)

新高考要求從傳統(tǒng)的“知識立意”“能力立意”評價向“價值引領(lǐng)、素養(yǎng)導向、能力為重、知識為基”[1]的綜合評價轉(zhuǎn)變.這是新課標發(fā)展學生核心素養(yǎng)要求在高考評價中的體現(xiàn),而這種轉(zhuǎn)變不僅要落實在物理課堂中,也要落實在物理命題中.那么在物理命題中我們?nèi)绾巍八仞B(yǎng)導向”?如何在“知識為基”的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對學生學科思維品質(zhì)的評價?本文結(jié)合自主命題實踐中的案例,提出素養(yǎng)導向下物理命題的策略方法,供各位同行參考.

1 素養(yǎng)導向的試題特征

素養(yǎng)本質(zhì)上是人在新的不確定性復雜情境中解決問題的能力,涉及邏輯思維、分析綜合、推理演繹等高階思維能力.因此素養(yǎng)導向的試題應該表現(xiàn)為：能夠打破通過重復操練獲得的所謂“直覺經(jīng)驗”,構(gòu)建真實的思維加工過程,這種加工過程是建立在理解基礎(chǔ)上的、具有遷移性、創(chuàng)新性,而不是簡單的記憶性.另外素養(yǎng)導向的試題不是通過復雜推算或復雜過程去實現(xiàn)素養(yǎng)評價的,試題應該評價的是學習者思維的靈活性、批判性、創(chuàng)新性以及理解的深刻性,因此試題應該是簡潔的、創(chuàng)設(shè)的問題是變式的、基于的情境是新穎的、分析與解答的過程是方法性的,體現(xiàn)出非記憶性的“理性批判”的問題解決過程.[2]

2 素養(yǎng)導向的命題策略

2.1 情境變換

物理問題總是在一定的情境下呈現(xiàn)出來的,但是由于學習過程學生已經(jīng)接觸了大量的情境,一旦試題所包含的情境是常見的,則考試過程就不具備信息加工過程,所以命題必須構(gòu)建一個新的情境,而這種情境下所包含物理現(xiàn)象必須是學生所學知識可遷移可解決的.情境變換是物理命題的基本策略,也是統(tǒng)領(lǐng)性的策略.

圖1

案例1.2021年7月4日航天員劉伯明、湯洪波身著中國自主研制的新一代“飛天”艙外航天服,先后從天和核心艙節(jié)點艙成功出艙,在機械臂支持下,相互配合開展空間站艙外有關(guān)設(shè)備組裝等作業(yè)．如圖1所示,站在機械臂上的宇航員

(A) 對地速度為0.

(B) 對地加速度為0.

(C) 處于二力平衡狀態(tài).

(D) 處于完全失重狀態(tài).

在日常教學中常用宇航員在太空艙里的“漂浮”狀態(tài)來說明“失重”現(xiàn)象,對學生來說已經(jīng)很熟悉,學生在這一情景下的問題解決多半是依據(jù)熟記的“經(jīng)驗”.如果采用這一學生熟悉的情境,想象、建模、理解、推理等高階思維能力和品質(zhì)就難以發(fā)生,也就難以實現(xiàn)對學生的核心素養(yǎng)進行有效評價.本題利用宇航員“站在”機械臂上進行艙外作業(yè)這一我國航天事業(yè)的最新成果作為新情境,對學生原有的熟悉情境進行變換,學生需要重新思考與新情境相關(guān)的物理規(guī)律、物理原理,開展聯(lián)想、建模、分析、判斷等科學思維過程,才能實現(xiàn)問題的解決.考查的結(jié)果也是意想不到的,只有不到1/3的學生選擇正確答案(D),而有大約一半的人選擇(C)答案,顯然學生對“失重”和“平衡”的知識可能都是理解的,但是在新情境下他們卻對問題分析所基于的原理搞不清,反映了他們強于用通過“記憶”形成的慣性思維去解決問題,真實的推理判斷等理性思辨的品質(zhì)與能力不足.因此通過情境變換,鑒別了學生解決問題的過程是基于“直覺經(jīng)驗”還是“理性批判”,從而實現(xiàn)了素養(yǎng)評價的目的.

情境變換實現(xiàn)素養(yǎng)評價的命題策略,要求的情境必須簡明清晰,對應的原理或過程準確.因此情境變換,不是通過使問題復雜化或增加難度來實現(xiàn)素養(yǎng)評價的.

圖2

案例2.某個興趣小組為了研究圓柱體鐵芯的渦流熱功率,構(gòu)建了如圖2所示的分析模型：電阻率為ρ的硅鋼薄片繞成一個內(nèi)徑為r、高度為h的圓柱面,其厚度d?r．平行于圓柱面軸線方向存在磁感應強度B(t)=Bmsinωt隨時間變化的磁場．求此硅鋼薄片中：

(1) 感應電動勢的有效值E;

(2) 發(fā)熱功率P.

本題就是將學生常見的圓環(huán)回路情境轉(zhuǎn)變?yōu)閳A筒回路情境,試題的解法過程其實兩者沒有任何變化,考查的是學生對學科本質(zhì)的理解,模型的建構(gòu).比如法拉第電磁感應定律是否適用、該圓筒的電路模型,回路的電阻等.所以情境轉(zhuǎn)變的目的不是使過程和運算復雜化.

2.2 設(shè)計應用

學生使用過的一些儀器包含了很多物理原理,要讓學生在考場上針對這些儀器的某一原理提出自己的設(shè)計方案,考查他們調(diào)動自己所學的原理、方法加以運用的能力,從而實現(xiàn)對他們在所學基礎(chǔ)知識的狀況及聯(lián)系想象等思維品質(zhì)的評價.通過原理設(shè)計應用,將所學原理轉(zhuǎn)化為真實“物品”的過程,是人腦的聯(lián)系與發(fā)展過程,是創(chuàng)新能力的重要表現(xiàn),無疑是人的素養(yǎng)的最有價值的方面.

圖3

案例3.磁傳感器是將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膬x器．如圖3所示,將探頭放在磁場中,可以很方便地測量磁場的強弱和方向．探頭內(nèi)可能是

(A) 感應線圈. (B) 熱敏電阻.

(C) 霍爾元件. (D) 干簧管.

本題的情境來自于課本中探測磁感應強度的傳感器,很多學生在學習中都使用過這類儀器,但這個儀器內(nèi)部將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栮P(guān)鍵部件是什么呢?課本沒有講,所以這個問題實質(zhì)上是評價學生能否調(diào)動自身已有的知識與技能,通過分析推理,設(shè)計一個可以探測磁場強弱和方向的儀器.這里考查的不僅僅是知識的遷移,更重要的是學生能否運用所學知識解決真實的實際問題.這類題目中由于問題和知識之間并沒有給定的關(guān)系,所以學生對所學知識的綜合運用素養(yǎng)就得到了評價.本題的考查結(jié)果是大部分學生錯選(A)選項,考后在講評這道題之前,筆者與學生進行的交流中,學生普遍都說沒有學過這種儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理,但再問學生這4個選項的物理元器件及其原理他們都說是學過的.所以導致他們沒有選擇正確答案(C)的原因應該是學生大多希望從記憶中尋找答案,頭腦中的知識大多是孤立的.

通過原理設(shè)計應用的命題策略,一定要重視原理在設(shè)計中的科學性、合理性,簡單性、有效性.這種試題所體現(xiàn)的設(shè)計的“物品”可能學生是見過但不知其原理,或者是沒有見過,但其原理都在學生所學范圍且可分析推理得到.

案例4.零刻度在表盤正中間的平臥電流計,非常靈敏,通入電流后,線圈所受安培力和螺旋彈簧的彈力作用達到平衡時,指針在示數(shù)附近的反復擺動很難停下,使讀數(shù)變得困難．在指針轉(zhuǎn)軸上裝上可與指針一起轉(zhuǎn)動的扇形鋁框或扇形鋁板,在合適區(qū)域加上固定的磁場,可以解決此困難．圖4中方案合理的是

本題來源于臥式精密電流表的電磁阻尼原理.學生要想正確回答,不僅要理解渦流產(chǎn)生的原理,而且還要有滿足題目提出的設(shè)計要求.從考查的結(jié)果看,盡管學生知道本題是電磁阻尼原理的運用,但有的對渦流產(chǎn)生的原理認識不清,例如錯誤地認為置于鋁板正中的磁場不可能產(chǎn)生渦流,導致沒有選擇正確答案(D).本題的教學中,還可以要求學生回答零刻度在表盤左側(cè),如何放置磁場,選項(B)中如果將磁場放置到鋁框下邊界處是否可以等問題.

2.3 構(gòu)建模型

理想化模型,是物理學的最重要思想方法,但是在物理命題中,如果我們都是按照理想狀況去命題,則最多考查的是對學生對基礎(chǔ)知識的掌握情況,很難考查學生的理性批判能力、構(gòu)建模型能力、遷移創(chuàng)新能力.要想實現(xiàn)對這些必備素養(yǎng)的考查,就要在命題中適度遠離一些標準的模型,這樣才能考查學生建模、推理、論證等科學思維能力.

案例5.一根柔軟質(zhì)地完全均勻的纜繩懸在向右水平勻速飛行的直升機下方,空氣對纜繩的阻力不可忽略．圖5中顯示纜繩形狀的示意圖正確的是

如果考一個小球用輕繩懸掛在直升飛機下,對于理想模型,學生很容易上手.但對于一根計質(zhì)量的繩,則要求學生必須進行模型建構(gòu)并結(jié)合微元思想,把長繩建模為一串“珠子”,才能得到正確答案(C).從考試的結(jié)果看,由于難以在記憶中尋找到合適的模型,猜測答案的人很多,所以錯選(B)(D)的人很多.建模能力是建立在對原理的理解力和對物理方法運用的創(chuàng)造力的基礎(chǔ)上的,上述案例2也是同樣的命題策略.

上述兩題的建模是對靜態(tài)對象的建模,有些問題是需要在過程中建模的,也就是說最終模型要從過程中來.

案例6.在光滑桌面上將長為πL的軟導線兩端固定,固定點的距離為2L,導線通有電流I,處于磁感應強度大小為B、方向豎直向下的勻強磁場中,導線中的張力為

(A)BIL.(B) 2BIL.

(C) πBIL.(D) 2πBIL.

本題只提到柔軟導線的長度和兩端點的距離,并沒有為學生規(guī)定好導線的最終形狀,所以學生必須經(jīng)過受力分析,對柔軟導線進行推理加工,建構(gòu)得到如圖6所示的情境模型,最終才能得到正確答案(A).這顯然比直接給出模型更加能展示學生學科素養(yǎng)的情況.

2.4 變式遷移

將所學知識能夠遷移到新的情境中并進行創(chuàng)新運用,是科學思維的重要表現(xiàn).這種遷移一般不是簡單的數(shù)據(jù)變化,而是要體現(xiàn)出解決問題的方法上的變化,比如從定量遷移到定性,從一維到多維.

圖7

案例7.如圖7所示,電量為Q正電荷均勻地分布在半徑為r的圓環(huán)上．M為圓環(huán)平面內(nèi)點,過圓心O點的x軸垂直于環(huán)面,N為x軸上一點,ON=h．則

(A)M、O兩點場強都為0.

(B)M、O、N3點O點電勢最高.

(D) 過M點以O(shè)點為圓心的圓是一條等勢線.

本題是將等量同種電荷電場的變形為圓環(huán)型電荷的電場.要解決此問題,不僅要掌握等量同種電荷電場的相關(guān)結(jié)論,而且還要通過疊加思想,將等量同種電荷電場轉(zhuǎn)變?yōu)閳A環(huán)型電場.這樣無法通過定量計算解決的問題,可以通過類比遷移定性解決圓環(huán)型電場的問題,有了疊加思想,很容易得到正確答案(D).變式遷移的命題策略,體現(xiàn)了物理學的聯(lián)系與發(fā)展理念,一起創(chuàng)新都是有前提的,聯(lián)系與發(fā)展是創(chuàng)新能力的內(nèi)核.

案例8.如圖8所示,用強磁場將百萬度高溫的等離子體(等量的正離子和電子)約束在特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)受控核聚變的裝置叫托克馬克．我國托克馬克裝置在世界上首次實現(xiàn)了穩(wěn)定運行100 s的成績．多個磁場才能實現(xiàn)磁約束,其中之一叫縱向場,圖9為其橫截面的示意圖,越靠管的右側(cè)磁場越強．盡管等離子體在該截面上運動的曲率半徑遠小于管的截面半徑,但如果只有縱向場,帶電粒子還會逐步向管壁“漂移”,導致約束失敗．不計粒子重力．下列說法正確的是

圖8

圖9

(A) 正離子在縱向場中沿逆時針方向運動.

(B) 發(fā)生漂移是因為帶電粒子的速度過大.

(C) 正離子向左側(cè)漂移,電子向右側(cè)漂移.

(D) 正離子向下側(cè)漂移,電子向上側(cè)漂移.

托卡馬克裝置對其中等離子體約束的解法也遠遠超出了中學范圍,但其中一些設(shè)計的物理原理可以和中學物理中帶電粒子在勻強磁場中的運動進行類比.本題可以從左右分布的大小不等兩個勻強磁場中帶電粒子的運動規(guī)律進行遷移.這樣可以將原來可以定量研究的問題轉(zhuǎn)變定性分析,得到正確答案(D).

變式遷移問題,能較好地評價學科對基礎(chǔ)性問題的真實理解情況,以及基于理解所形成的批判性思維和創(chuàng)造性思維的能力.

2.5 展示真實

素養(yǎng)導向的命題不僅要建立在真實的情景基礎(chǔ)上,更要回歸到現(xiàn)實問題的真實的過程和狀態(tài)中.在日常學習中,為了便于學生解答,我們忽略了很多真實的狀態(tài)、真實的過程,但是如果真實的物理效應總被忽視,所謂真實的情境也就失去了思維的價值.把這些真實的物理效應融入物理命題中,構(gòu)建真實的物理過程、物理狀態(tài),則可以使學生對常見問題的習慣化、理想化、簡單化思維被打破,評價學生解決真實問題的素養(yǎng)情況.

圖10

圖11

本題依據(jù)飛機飛行過程的真實場景開展命題,打破了學生對于飛機勻速飛行的二力平衡的常態(tài)化思維.體現(xiàn)了物理試題聯(lián)系生活,解決現(xiàn)實問題的應有價值.解答如下.

很多科學儀器中包含很多非理想的真實過程性問題,也是命題的很好素材.

圖12

(2) 以v=v0±Δv的速度從O點射入的離子,其在速度選擇器中所做的運動為一個速度為v0的勻速直線運動和另一個速度為Δv的勻速圓周運動的合運動,感光板上出現(xiàn)3個有一定寬度的感光區(qū)域,試求該速度選擇器極板的最小長度L;

(3) 為能區(qū)分3種離子,試求該速度選擇器的極板間最大間距d．

本題第(1)問是常規(guī)問題,第(2)問則提出了速度選擇器選擇的速度并不唯一,第(3)問則通過解答說明真實的速度選擇器兩板間的距離必須極小的原因.解答如下.

(1)

(2) 3種離子在磁場中做圓周運動周期分別為

(2)

氕在分離器中的最大直徑為

得

(3)

同理,氘的最小直徑為

得

(4)

同理,氘的最大直徑為

(5)

氚最小直徑為

(6)

本題的結(jié)果說明非特定速度的帶電粒子,也有可能通過度選擇器,為了盡可能減小這種速度的波動范圍,速度選擇器的極板間距必須非常小.這種在常見的模型基礎(chǔ)上,把真實的離散情況命入試題中,在考查學生基礎(chǔ)掌握情況的同時,考查他們的思維應變能力和新過程、新問題的分析與解決能力,這種命題方式,是當前核心素養(yǎng)評價命題的重要方向.

3 結(jié)語

上述情境變換、設(shè)計應用、構(gòu)建模型、變式遷移、展示真實等素養(yǎng)導向的命題策略,在真實的命題中其實都是相互滲透、相互聯(lián)系的.這些案例展示了素養(yǎng)導向的命題,不是通過加大試題的難度或者過程的復雜程度來實現(xiàn)的,而是要依托基礎(chǔ),在不變中求變化;聯(lián)系實際,在常態(tài)中顯真實,實現(xiàn)了對學生學科核心素養(yǎng)的評價.[3]