基于模型建構(gòu)能力發(fā)展的情境性問(wèn)題鏈作業(yè)設(shè)計(jì)

摘 要：模型建構(gòu)作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的要素之一，其建構(gòu)過(guò)程離不開(kāi)情境這一重要載體。情境在教學(xué)活動(dòng)和習(xí)題設(shè)計(jì)中扮演著至關(guān)重要的角色。本文基于對(duì)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中模型建構(gòu)五級(jí)水平的認(rèn)識(shí)，從學(xué)生建模的復(fù)雜程度和對(duì)情境的熟悉程度兩個(gè)維度來(lái)建構(gòu)物理情境性問(wèn)題鏈模型，并以“變阻器”為例進(jìn)行作業(yè)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu)；情境性問(wèn)題鏈；變阻器

模型建構(gòu)作為學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)中的一種重要能力，是科學(xué)教育研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)并獲得多國(guó)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的重視。［1］《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中指出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。［2］其中，模型建構(gòu)作為科學(xué)思維的關(guān)鍵要素，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合、抽象、概括等思維方法具有顯著作用。創(chuàng)設(shè)情境作為模型建構(gòu)能力發(fā)展的重要途徑，已受到研究者的關(guān)注。因此，如何有效應(yīng)用情境性問(wèn)題實(shí)現(xiàn)學(xué)生模型建構(gòu)的發(fā)展自然成為當(dāng)前需要解決的重要問(wèn)題。

1 模型建構(gòu)的五級(jí)水平

《課程標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)思維劃分為五個(gè)水平層級(jí)，本文將其中的模型建構(gòu)能力水平提取出來(lái)，得出五級(jí)水平（如表1所示）。［3］其中，水平1屬于模型的記憶和理解水平；水平2要求在學(xué)生在熟悉的問(wèn)題情境中應(yīng)用常見(jiàn)的物理模型；水平3要求學(xué)生在簡(jiǎn)單的問(wèn)題情境中，能夠結(jié)合有關(guān)物理規(guī)律選用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q物理問(wèn)題；水平4注重在實(shí)際問(wèn)題中，將“對(duì)象和過(guò)程”轉(zhuǎn)換成物理模型；水平5中的實(shí)際問(wèn)題情境比水平4復(fù)雜，需要學(xué)生將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換成物理問(wèn)題，并將物理模型與相關(guān)物理規(guī)律相結(jié)合解決實(shí)際問(wèn)題。

2 物理情境性問(wèn)題與模型建構(gòu)的五級(jí)水平

《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，“試題要注重圍繞生產(chǎn)生活或科技等設(shè)計(jì)問(wèn)題情境，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)解決簡(jiǎn)單實(shí)際問(wèn)題能力的考查”［4］?！吨袊?guó)高考評(píng)價(jià)體系》也將情境作為考查的載體。［5］情境作為教學(xué)活動(dòng)和習(xí)題設(shè)計(jì)的重要載體，不應(yīng)只在傳統(tǒng)教學(xué)中碎片化、無(wú)序化地進(jìn)行呈現(xiàn)。教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知邏輯并且有目的性、整體性的情境。針對(duì)這一問(wèn)題，有學(xué)者提出創(chuàng)設(shè)階梯式的情境，即圍繞真實(shí)問(wèn)題情境，創(chuàng)設(shè)能夠促進(jìn)模型建構(gòu)能力逐層進(jìn)階，且具有內(nèi)在聯(lián)系的情境性問(wèn)題鏈。［6］教師通過(guò)將某一單元的知識(shí)內(nèi)容貫穿其中，幫助學(xué)生形成連貫一致的思維習(xí)慣，養(yǎng)成建模的意識(shí)，建立知識(shí)體系和物理觀念。教師在選擇情境性問(wèn)題時(shí)應(yīng)基于模型建構(gòu)的五級(jí)水平［7］，從學(xué)生建模的復(fù)雜程度和對(duì)情境的熟悉程度兩個(gè)維度來(lái)設(shè)計(jì)逐層遞進(jìn)的階梯式情境（如表2所示）。

3 基于模型建構(gòu)能力發(fā)展的物理情境性問(wèn)題鏈作業(yè)設(shè)計(jì)案例——以“變阻器”為例

本文以人教版物理九年級(jí)全一冊(cè)第十六章第4節(jié)“變阻器”為例，基于模型建構(gòu)能力發(fā)展的物理情境性問(wèn)題鏈來(lái)開(kāi)展作業(yè)設(shè)計(jì)（如表3所示）。教材在該節(jié)中的“動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理”習(xí)題中設(shè)置了一個(gè)“測(cè)定油箱內(nèi)油量的裝置”的情境。［8］此時(shí)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了串、并聯(lián)相關(guān)概念和規(guī)律，后續(xù)還要學(xué)習(xí)電流、電壓和電阻三者的關(guān)系，以及電功率的概念。

針對(duì)這一情況，筆者尋找了“自助餐廳設(shè)置的稱重電子臺(tái)秤”“坐位體前屈項(xiàng)目測(cè)試儀”“醫(yī)院中輸液呼叫電路”“風(fēng)力測(cè)定儀”“水流速度測(cè)定儀”等多種學(xué)生熟悉或相對(duì)陌生的情境，形成情境鏈，以“變阻器”為載體，將情境融入力學(xué)相關(guān)知識(shí)和串、并聯(lián)知識(shí)。其中，水平1要求學(xué)生能夠記住和理解串聯(lián)電路模型以及滑動(dòng)變阻器的原理；水平2要求學(xué)生在熟悉情境中應(yīng)用串聯(lián)電路模型來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓；水平3要求學(xué)生根據(jù)實(shí)現(xiàn)不同輸液病人按呼叫器后所在座位號(hào)在護(hù)士站會(huì)亮起的需要，選擇使用串聯(lián)電路還是并聯(lián)電路；水平4和水平5均是基于實(shí)際問(wèn)題建構(gòu)物理模型，兩者的差異主要在對(duì)情境的熟悉程度和建構(gòu)模型的復(fù)雜程度上，其中水平5更加開(kāi)放和具有創(chuàng)新性。

問(wèn)題1 如圖所示為某自助餐廳設(shè)置的稱重電子臺(tái)秤的電路圖，R1為定值電阻，R2為滑動(dòng)變阻器，電源電壓恒定。秤盤(pán)中不放重物時(shí)，滑片P位于最上端；秤盤(pán)中放重物時(shí)，秤盤(pán)向下移動(dòng)并帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片P向下滑動(dòng)。閉合開(kāi)關(guān)后，電流表示數(shù)如何變化？自助餐廳的稱重電子臺(tái)秤水平1：?jiǎn)栴}1已明確給出具體模型，且為熟悉情境，考查接入電阻增加或減少對(duì)電路的影響，整體簡(jiǎn)單。學(xué)生只需將所學(xué)知識(shí)簡(jiǎn)單應(yīng)用即可

問(wèn)題2 在綜合實(shí)踐活動(dòng)中，小林自制了一個(gè)坐位體前屈項(xiàng)目測(cè)試儀，原理如圖所示，電源電壓恒為6 V，R1＝30 Ω，電阻絲R2粗細(xì)均勻，總長(zhǎng)度為30 cm。閉合開(kāi)關(guān)，擋板P在B端時(shí)，坐位體前屈成績(jī)?yōu)?，電流表示數(shù)為0.05A；擋板P在A端時(shí)，坐位體前屈成績(jī)?yōu)?0 cm。擋板P由B端向A端滑動(dòng)時(shí)，電流表和電壓表示數(shù)如何變化？坐位體前屈項(xiàng)目測(cè)試儀水平2：?jiǎn)栴}2已明確給出具體模型，且為較熟悉情境。學(xué)生只需將模型簡(jiǎn)單應(yīng)用到問(wèn)題2中解決具體問(wèn)題即可

問(wèn)題3 "①為確保病人的安全，方便病人呼叫醫(yī)護(hù)人員拔針或換藥等，可以將呼叫器安裝在""" （填“某一個(gè)”或“每一個(gè)”）輸液座位旁。②當(dāng)病人按下呼叫鍵時(shí)，他所在的座位號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字燈""" （填“亮起”或“熄滅”）。③進(jìn)一步思考，如果要設(shè)計(jì)滿足以上需求的電路，電路應(yīng)是""" （填“串聯(lián)”或“并聯(lián)”）的。醫(yī)院中輸液呼叫電路水平3：?jiǎn)栴}3未明確給出具體模型，但為較熟悉情境，且在分析模型前已降低難度（問(wèn)題①②）。學(xué)生需判斷使用串聯(lián)模型還是并聯(lián)模型

問(wèn)題4 如圖所示是某同學(xué)設(shè)計(jì)的風(fēng)力測(cè)定儀，O是轉(zhuǎn)軸，OC是金屬桿，下連受風(fēng)板，AB是一段圓弧形電阻，P點(diǎn)是金屬桿與圓弧形電阻的接觸點(diǎn)，R0是定值電阻。無(wú)風(fēng)時(shí)，OC豎直，風(fēng)越大，OC桿偏轉(zhuǎn)角度越大。金屬桿OC與弧形電阻AB的組合，相當(dāng)于是""" ，風(fēng)力越大，電流表示數(shù)越""" ，定值電阻R0的作用是""" "。風(fēng)力測(cè)定儀水平4：?jiǎn)栴}4只給出了基本模型，但仍需學(xué)生具體分析風(fēng)力對(duì)滑動(dòng)變阻器的影響。由于情境較為復(fù)雜，學(xué)生需充分理解模型后解決綜合性實(shí)際問(wèn)題

問(wèn)題5 在2018年的全國(guó)中學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽上，某團(tuán)體想設(shè)計(jì)一個(gè)水流速度測(cè)定儀。某同學(xué)結(jié)合課本中所學(xué)串、并聯(lián)知識(shí)，預(yù)想將如圖所示電路改編成水流速度測(cè)定儀。實(shí)驗(yàn)室有電壓為12V的電源，阻值為8 Ω的定值電阻R0，量程為0～0.6 A的電流表，最大阻值為32 Ω、總長(zhǎng)度為8 cm的均勻電阻絲。請(qǐng)用以上材料設(shè)計(jì)水流速度測(cè)定儀電路圖，并用電流表來(lái)顯示水流速度的大?。娐方佑|良好且不考慮摩擦），提示：可以使用擋水板來(lái)衡量水流速度。水流速度測(cè)定儀水平5：?jiǎn)栴}5未明確給出具體模型，需要學(xué)生自行建構(gòu)模型，情境復(fù)雜。學(xué)生需將生活情境與所學(xué)知識(shí)相結(jié)合，解決綜合性實(shí)際問(wèn)題

問(wèn)題鏈不僅可以從模型建構(gòu)的五級(jí)水平進(jìn)行縱向設(shè)計(jì)，還可以針對(duì)同一個(gè)情境，通過(guò)增加問(wèn)題或改變問(wèn)題情境來(lái)建構(gòu)橫向問(wèn)題鏈。例如，問(wèn)題1中，除了設(shè)置考查學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)的電流表示數(shù)變化的問(wèn)題外，還可以設(shè)置考查電阻R1和電阻R2的電壓和電功率變化情況的問(wèn)題；問(wèn)題4中，可以將“風(fēng)力測(cè)定儀”和教材中的“測(cè)定油箱內(nèi)油量的裝置”進(jìn)行聯(lián)系，并增加“電子拉力計(jì)”等新的情境，以幫助學(xué)生發(fā)展自己的學(xué)習(xí)遷移能力。

4 反思

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。模型建構(gòu)作為科學(xué)思維的重要元素，其培養(yǎng)需要借助情境中實(shí)際問(wèn)題的解決過(guò)程；而作業(yè)中的習(xí)題正是為學(xué)生創(chuàng)設(shè)豐富且正式情境的“腳手架”。在設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)生建模能力發(fā)展的習(xí)題時(shí)，教師應(yīng)將習(xí)題內(nèi)容情境化，并根據(jù)學(xué)生建模的復(fù)雜程度和對(duì)情境的熟悉程度建構(gòu)科學(xué)建模的五級(jí)水平。這樣，教師能夠基于五級(jí)水平有針對(duì)性地設(shè)計(jì)橫縱結(jié)合的問(wèn)題鏈，讓學(xué)生經(jīng)歷認(rèn)識(shí)模型、選擇模型、應(yīng)用模型、建構(gòu)模型的過(guò)程，從而幫助學(xué)生建立物理觀念、形成科學(xué)思維。

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