高中物理情境化試題命制的深度分析
——以“剎車問題”為例

王賢勇 張 亮

(貴州省畢節(jié)市第一中學,貴州 畢節(jié) 551700)

中國高考報告叢書對《中國高考評價體系》的解讀中指出:“核心價值金線”貫穿命題始終,創(chuàng)造性地將立德樹人的根本任務貫穿考試的過程,要體現(xiàn)時代性、突出方向性、具備價值性,要與高中課程改革深度契合,避免學生“死記硬背”“機械刷題”和“題海戰(zhàn)術”,引導、推動關鍵能力、核心素養(yǎng)在教學和考試中得到落實.“能力素養(yǎng)銀線”成為考查重點,這里的能力是指面對真實情境或?qū)W習探索情境中的問題時,能高質(zhì)量地認識問題、分析問題,以及快速地調(diào)動學科相關知識解決問題的關鍵能力,高考評價體系把它歸納為:知識獲取能力群、實踐操作能力群、思維認知能力群.[1]高考評價體系能力群與物理學科考查的關鍵能力對應關系如圖1所示.

圖1 高考評價體系關鍵能力與物理學科考查關鍵能力的對應關系

“情境載體串聯(lián)線”是指:情境是實現(xiàn)“價值引領、素養(yǎng)導向、能力為重、知識為基”的綜合考查載體,是“金線”和“銀線”串聯(lián)的關鍵,以此承載考查內(nèi)容,實現(xiàn)考查要求.情境分為生活實踐情境和學習探索情境,其與物理學科的問題情境對應關系如圖2.

圖2 高考評價體系情境與物理學科特點的問題情境對應關系

情境化試題是考查學生物理學科核心素養(yǎng)的重要載體,它強調(diào)注重理論聯(lián)系實際,將學科問題融入情境中,讓學生提取、理解和分析情境中的相關信息,綜合運用所學的知識和技能解決問題.比利時著名教育學家易克薩維耶·羅日葉(下文簡稱羅日葉)對情境化命題有過深入系統(tǒng)的研究,他認為,一個情境主要由兩個部分構(gòu)成:其一是支持工具,支持工具是一組呈現(xiàn)給考生的物質(zhì)因素.例如,書面文章、插圖、照片、視頻、音頻材料等,其特點是完整、清晰、準確、簡要、有效;其二是命令,命令是從既定的支持工具出發(fā),明確向考生提出的一組答題指示.[2]問題情境結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)如圖3所示.

圖3 問題情境結(jié)構(gòu)

圖3右端是問題情境的波普,該波普取決于兩個參數(shù),其一是行動決定,達成提出問題的方式;其二是解決問題之道,選擇解決問題的方法,力求方法多樣.[3]

羅日葉認為,有效的情境應具備以下4個特征:(1) 是一個真正的靶向情境,要求學生在一個復雜情境中對已學習過的若干知識和技能進行融合;(2) 是一個對學習有用的情境,要求目標適合、水平適合、描述清晰、具有核心價值;(3) 激發(fā)學生動機的情境,其特點是容易理解、具有意義、醍醐灌頂;(4) 可以實現(xiàn)的情境,特點是便于測評、符合學生實際.[2]好情境是高質(zhì)量情境化試題的基礎,也是試題具有效度、信度的保障.

基于好情境下的情境化試題具有一定的優(yōu)勢:其一是不僅利于知識的掌握和運用,更利于情感體驗和價值導向;其二是有利于學生知識的遷移和長遠的發(fā)展,讓學習變得有意義;其三是有利于培養(yǎng)高階思維,為核心素養(yǎng)落地提供成長的土壤.最后是好情境能觸發(fā)學生的神經(jīng)記憶網(wǎng)絡,引發(fā)其好奇心.但是不好的情境卻會給學生帶來很多困擾,例如學生無法提取有效信息、不知道試題蘊含的價值和意義等.本文以某市2023年模擬考試題之一剎車問題為例進行評析.

1 原題呈現(xiàn)

由于3大常規(guī)能源的短缺,新能源汽車成為當下各國研發(fā)的主方向.理論上汽車剎車車輪抱死的情況下,剎車距離與速度的平方成正比,與動摩擦因數(shù)成反比,當摩擦因數(shù)一定時,剎車距離取決于車速.現(xiàn)實生活中,車速一樣的情況下,往往車載重越重,剎車距離就越長.為探究這個問題,研究小組對某新能源汽車進行研究,該車質(zhì)量為m=2 t,額定功率為P0=60 kW,以額定功率在水平路面上啟動,保持額定功率不變,受到的阻力恒為F阻=2000 N.經(jīng)過的時間t=25 s時,速度達到最大,隨即剎車(防抱死制動裝置ABS啟動,不考慮反應時間),測得制動距離等于啟動到最大速度距離的1/3倍,查得抱死時動摩擦因數(shù)為μ=0.71.通過計算,發(fā)現(xiàn)防抱死時剎車系統(tǒng)的制動力F制小于車輪抱死時與地面的滑動摩擦力Ff.由此可知,這就是車載重越重剎車距離越長的原因.求:

(1) 該車從啟動到最大速度的過程中,汽車行駛的位移大小;

(2) 上述剎車過程中剎車系統(tǒng)的制動力F制.

2 試題分析

2.1 價值導向

《中國高考評價體系》指出,教學的核心價值是立德樹人,高考的核心功能是立德樹人、服務選才、引導教學,兩者是統(tǒng)一的.從這個角度來看,這道試題的價值導向非常之好,有利于引導學生關心STSE,即科學、技術、社會和環(huán)境.其一,從汽車的發(fā)展可看出,科學技術促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展.煤、石油等能源的大量開采和利用,給社會帶來紅利的同時,也給生態(tài)環(huán)境帶來了一定的污染.例如溫室效應會導致全球變暖,氣溫上升致使熱浪來襲、冰川融化、蟲害增加、氣候反常、沙漠擴增,對人類的生存環(huán)境造成極大的破壞,從而影響人類的生存和發(fā)展,所以保護環(huán)境,人人有責.其二,從汽車發(fā)展來看,交通工具的發(fā)展給人類帶來了便利,但酒駕、醉駕、超載或超速引發(fā)了大量的交通事故,造成人員傷亡,財產(chǎn)損失.由此可見,用此類情境給學生進行道路交通安全的普法教育,意義重大.

2.2 情境分析

從SOLO分類目標來看,此題考查的思維層次介于單點和多點結(jié)構(gòu)之間.[4]如圖4所示,此題是汽車在平直路面上運動的單一情境問題,屬于“生產(chǎn)實踐情境”.考查學生運用所學的知識解釋生活中的現(xiàn)象、解決生產(chǎn)中的問題的能力.[5]從情境和“四層”“四翼”來看,此題的考查要求介于基礎性和綜合性之間.考查的物理觀念有能的觀念、運動和相互作用觀;考查的關鍵能力為模型建構(gòu)能力;考查的內(nèi)容為功和功率的關系、動能定理、牛頓運動定律、勻變速直線運動的規(guī)律.

圖4 情境呈現(xiàn)

2.3 科學性分析

首先,此題一開篇說的是能源短缺的問題,但接下來題目并沒有緊扣這一主題展開描述,而是轉(zhuǎn)向了汽車的剎車問題,前后銜接不順暢,缺乏邏輯性,沒有最大限度地挖掘育人功能,達到立德樹人的目標.

其次,題目中有這樣一段表述:通過計算,發(fā)現(xiàn)防抱死時剎車系統(tǒng)的制動力F制小于車輪抱死時與地面的滑動摩擦力Ff.由此可知,這就是車載重越重剎車距離越長的原因.這個點缺乏科學性.因為汽車安裝防抱死系統(tǒng)的目的之一是提高車輛剎車的穩(wěn)定性,有效減少剎車距離.通過計算,此題中汽車啟動防抱死系統(tǒng)的剎車距離是100 m,防抱死系統(tǒng)沒有啟動,車輪抱死,按題所給的動摩擦因數(shù)μ=0.71計算,剎車距離為63.38 m,兩者相差36.62 m.如此大的差距,說明啟動防抱死系統(tǒng)帶來的安全隱患更大,那汽車安裝防抱死系統(tǒng)還有什么價值呢!這個導向顯然是錯誤的.還有,題中還因此給出這是車載重越重剎車距離越長的原因.其實細細研讀推敲,看不出防抱死系統(tǒng)啟動與汽車載重越重剎車距離越長之間有什么邏輯關系.

最后,此題中提到剎車系統(tǒng)的制動力F制.筆者認為剎車系統(tǒng)內(nèi)的制動力是制動片與制動盤或制動鼓的摩擦力,屬于內(nèi)力.但從命題者提供的答案上看制動力F制是路面給汽車的摩擦阻力.筆者查閱了人教社2019年版高中物理必修1汽車剎車的問題,在“阻力”名詞前沒有“剎車系統(tǒng)”4個字,表明教材對內(nèi)外力的區(qū)別是清晰明確的.

故此題情境看似真實,其實犯了科學性、邏輯性錯誤,這是命題的大忌.作為命題人,要讓問題產(chǎn)生于真實、科學的情境之中,引導學生嚴謹認真、實事求是的科學態(tài)度;培養(yǎng)學生用所學知識解決真實問題的能力以及保護環(huán)境并推動可持續(xù)發(fā)展的責任感.

2.4 汽車制動的深度分析

以四輪汽車為例,汽車制動防抱死系統(tǒng)(ABS)是汽車在常見路面上(雪地和泥地除外)進行緊急制動時,防止車輪抱死的系統(tǒng).該系統(tǒng)不僅能夠提高汽車制動效能,減少了制動距離,還能在制動時保障汽車方向的穩(wěn)定性,預防車輛側(cè)翻或甩尾.如圖5所示,若汽車轉(zhuǎn)彎剎車時前輪抱死,汽車失去方向,嚴重時幾乎沿直線沖出路面,十分危險;圖6為汽車剎車時后輪抱死,汽車后尾往外甩,嚴重時導致汽車旋轉(zhuǎn),有側(cè)翻的危險;圖7為汽車前后輪抱死,汽車整體往外側(cè)滑,有從公路外側(cè)翻滾而出的危險;圖8為汽車轉(zhuǎn)彎剎車啟動ABS系統(tǒng),保障汽車平穩(wěn)運行,安全.

圖5 前輪抱死

圖6 后輪抱死

圖7 前后輪抱死

圖8 ABS系統(tǒng)啟動

接下來以汽車在平直路面上行駛緊急制動為例,分析汽車的制動情況.

建構(gòu)模型1:把汽車視為質(zhì)點,不考慮空氣阻力,假設輪胎與路面的動摩擦因數(shù)μ不變.汽車制動時的初速度為v0,不考慮制動反應時間.根據(jù)牛頓第二定律和運動學公式不難得出汽車制動的距離x=v02/2μg,x與汽車的質(zhì)量沒有關系.此模型是教科書常用的經(jīng)典模型之一,其最大的優(yōu)點是把復雜問題簡單化,易于理解.用此模型可以幫助學生建構(gòu)運動與相互作用的觀念以及能量的觀念、動量的觀念.但是缺點是無法用它解釋同一汽車載重越重,剎車距離越長的問題.該模型與實情不符,不利于對學生進行安全教育.為此,需要重新建構(gòu)模型.

建構(gòu)模型2:經(jīng)過模型1的分析,結(jié)合汽車剎車的實際情況,把汽車視為一個質(zhì)點是有失偏頗的.汽車制動過程中其形變較小、振動小,可以忽略不計,把汽車視為剛體、質(zhì)點系.汽車在制動時,不計空氣阻力、車輪的質(zhì)量、滾動阻力矩、轉(zhuǎn)動慣量.

若汽車制動時車輪完全抱死,汽車的動能被車輪所受的滑動摩擦力消耗,不難得出汽車制動的距離為x=v02/2μg,該式表明汽車制動距離x與超載好像也沒有關系.但實際情況是,汽車輪胎與地面的動摩擦因數(shù)μ與輪胎的溫度和壓強都有關系,溫度和壓強越大,動摩擦因數(shù)μ越小.由此可知,汽車超載行駛時汽車輪胎的溫度和壓強比正常載荷時大,導致行駛過程中μ減小,剎車距離變大,這是與實際情況相吻合的.

圖9 制動器部分結(jié)構(gòu)

圖10 汽車制動受力圖

圖11 Fμ、Fb、Fφ的關系

從圖11可以看出,在0～Fp0區(qū)間,Fb=Fμ,當踏板力達到Fp0時,地面制動力達最大值Fφ,再增大踏板力Fp,車輪抱死,Fbm=Fφ不變,Fμ隨Fp的增大繼續(xù)增大.

裝有ABS系統(tǒng)的汽車緊急剎車時,一旦檢測車輪被抱死,ABS系統(tǒng)就會自動介入,適當釋放剎車,然后又迅速收緊,反復自動調(diào)節(jié),使車輪在地面上邊滾邊滑,最終汽車的動能被滑動階段車輪與地面的最大制動力Fμ和滾動階段剎車片與剎車盤的雙重摩擦力所消耗.故結(jié)合前面的分析可知,汽車剎車的距離與沒有安裝ABS時相比將變小,所以ABS系統(tǒng)能有效改善汽車的制動效能,同時提高行車的穩(wěn)定性.

當然,上述的分析只是提供了一種解決問題的模型、思路和方法,并非就是完美.例如汽車剎車的初速度較大、風阻較大,剎車時前后輪的載荷會發(fā)生改變.附著系數(shù)φ會隨路面情況、溫度的變化而變化,這些因素筆者都沒有考慮.

3 結(jié)語

《中國高考評價體系》《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》是指導一線教師命題、教學的綱領性文件.作為一線教師必須認真研讀,熟知“一核”“四層”“四翼”;[7]熟知情境要有一定科學性、問題性、真實性、探究性或開放性,還要與學科核心素養(yǎng)知識水平要求相一致.命制試題是教師教學的重要工作,命題素養(yǎng)是一線教師應該具備的基本素養(yǎng)之一.一線教師要能吃透課改的精神,明確考試的目標和價值;具備一定的命題理論水平和文字功底,表述規(guī)范、自洽科學、利于閱讀;熟練掌握學科大概念、必備知識、必備能力,評價標準以及學業(yè)水平要求;命制的試題要指向核心素養(yǎng),體現(xiàn)立德樹人,難易比例恰當,檢測出學生具備的素養(yǎng)水平,符合效度和信度理論,并能用之于指導教學,促進“招-考-教-學-評”的無縫對接,良性發(fā)展.