例談如何原創設計物理作業
——新高考背景下作業設計變革

王家祥 王 巍

(上海市市西中學，上海 200040)

教育部部長陳寶生在《人民日報》撰文中提出: 深化基礎教育人才培養模式改革,掀起“課堂革命”，努力培養學生的創新精神和實踐能力．筆者認為,物理教學的“課堂革命”應該緊緊圍繞物理核心素養的培養,而且物理課堂教學在培養學生創新精神和實踐能力方面,具有其他學科不可替代的作用．

上海和浙江率先實行“3+3”高考改革,所有學生先參加合格考,學生根據自己興趣和未來職業取向選擇物理學科作為等級考．以上海為例,無論是合格考,還是等級考,都加強了基礎知識和基礎能力考查要求,均增加了分析說理題型,降低了試題的難度,不再以解題技巧和難度為考查方向．其中,要求學生根據掌握的基本知識原理,定性分析物理過程,得出結論將作為等級考的重要考查方面．物理高考改革的措施很好地推動了物理核心素養的培養．這就要求,在平時教學過程中,注重培養學生的創新意識和實踐能力,在活動中探究體驗應用物理知識原理解決實際問題的樂趣,學會應用物理知識原理分析闡明各種現象的原因．在物理等級考背景下,教師應該學會原創設計這類物理作業．下面筆者介紹原創設計作業的教學實踐,以供大家參考．

1 原創設計探究性實驗活動

學生創新意識和實踐能力,只有在探究性實驗活動過程中潛移默化地培養．物理核心素養之一:提出物理問題,形成猜想和假設,獲取和處理信息,基于證據得出結論并做出解釋,以及對實驗探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．例如,在講授氣體實驗定律時,筆者設計了這樣一道實驗探究活動題．

例1.已知地面附近高度每升高12m,大氣壓降低1mmHg．請學生設計一個實驗測量校內一幢8層教學樓的高度．

筆者將學生4人一組,分成若干個小組,首先,分別獨立設計實驗,在實驗室教師的協助下,他們都完成了實驗器材的組裝;接著,就分別測量數據,根據各自的設計原理,計算出各自的結論,跟事先直接測出的樓高進行比較;最后,教師跟學生們一起交流、討論,評選哪種設計方案最佳．

有一組直接用壓強傳感器分別測出樓底和樓頂的大氣壓,測量時發現樓底和樓頂的大氣壓幾乎沒有差異,學生很是疑惑,筆者跟他們講了儀器的測量精度方面的知識．

有一組用細玻璃管中間灌一些水銀,再將一端封閉,把玻璃管豎直放置,先用托里拆利壓強計測出地面處大氣壓強p0,測出水銀柱的高度h,測出地面和樓頂處空氣柱長度,最后算出樓頂處大氣壓,從而算出樓的高度．發現誤差很大,為了減小誤差,學生將玻璃管水平放置,重新測量,誤差仍然很大,筆者也和學生共同分析讀數誤差理論．

圖1

有一組學生直接用托里拆利氣壓計,分別測出樓底和樓頂處的大氣壓,算出樓的高度,發現誤差很大,筆者也和學生共同分析讀數誤差理論．

又有一組學生,用了如圖1所示的裝置,用一個比較大的瓶子裝一半左右的水,再用一根細的塑料管,通過橡皮塞封閉部分氣體在瓶內,分別測出樓底和樓頂處的管中水柱的高度．學生們認為瓶內的氣體體積和溫度不變,則瓶內氣體壓強不會變,水柱高度差產生的壓強就是大氣壓的減小值,這樣算出的樓的高度誤差很小．這方法還巧妙地避免了樓底大氣壓的測量,樓底的大氣壓無論用什么方法測量均存在誤差,相對微小大氣壓變化來說都是不能忽略的．我們師生從誤差原理出發,指出做這個實驗的關鍵在于,瓶內氣體體積應該大些,管子應該細些,用水而不能用水銀．

通過這個探究實驗活動,很好地培養了學生的物理核心素養:對實驗探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．

2 原創設計研究性學習課題

中學生所做的科學方面的研究性課題,完全沒有必要是開創性的,也不可能是前人沒有做過的課題,關鍵在于培養學生的創新精神和實踐能力．通常,我們發現學生大多做一些社科、人文方面的研究性課題,或者做一些科技發明創造方面的研究性課題,很少看到有純理科方面的研究性學習課題．筆者從一個中學物理教師角度認為,中學生完全可以根據學生所學的知識原理,設計一些研究性學習課題,引導學生通過實驗探究,自學完全超出學生學習范圍的物理知識原理,在探究和質疑的過程中,培養學生探究意識和實踐能力．

例2.我們學習有關重力的概念,重力是由于地球的吸引而產生的力,G=mg,物體的質量m是不變的,重力加速度g是隨緯度和高度變化的．請學生們給自己制定一個研究性學習方案,“嘗試研究重力加速度g的變化規律”,并作為將來文化游學的課題展開研究．通過上網查閱資料,對自己的研究性學習方案做個評估．

這是筆者根據2017年高一泰山文化游學的一個學生課題原創的,學生設計各種方案測量重力加速度的變化,盡管由于測量儀器精度的局限,并沒有測出重力加速的變化,但是學生從方案設計到實際實驗研究,讓他們體驗了科學家從事實驗研究過程,并對實驗誤差分析有了深刻理解和感悟,筆者覺得該研究性學習的目的已經達到．

學生設計以下幾種測量方案: ① 位移傳感器測重力加速度； ② 用滴水法測重力加速度； ③ 用力傳感器測重力加速度； ④ 用單擺測重力加速度．在實際操作過程中,他們對位移傳感器的測量原理和測量精度,有了較為深入的了解，知道了應用滴水法測重力加速度,是為了減小誤差,但是在測量如此微小變化的重力加速度,即使是用滴水法也是無能為力的．用力傳感器來測量,同樣因為傳感器的測量精度問題,也失敗了．最后用單擺測重力加速度,勉強測出微小變化的重力加速度,但是隨著他們對誤差理論的深入理解,也對測量結果提出了質疑,認為從誤差理論角度來說,這個測量結果也是不可信的．他們得出結論,在中學階段,用現有的器材是很難測出上海和泰山以及山腳和山頂的微小重力加速度的變化．在測量過程中,他們還發現泰山山腳的重力加速度反而比山頂的重力加速度還要小,違背了教材中的重力加速度隨高度變小的結論,他們研究后得出結論是由于泰山的地質構造密度大的原因,通過上網查閱資料后,他們知道,這正是微重力探礦的原理基礎．

學生在完成這個研究性學習課題后,很好地培養了他們的物理科學素養:在認識科學本質,理解科學·技術·社會·環境(STSE)的關系基礎上逐漸形成的對科學和技術應有的正確態度以及責任感．

3 原創設計分析論述題

在物理等級考的背景下,增加了分析說理論述題型,這是為了改變原來物理高考中注重考題的難度和解題技巧傾向．理科學生的邏輯思維能力很強,但表達能力差,這是普遍現象,對學生將來的發展會產生一些負面影響,他們要用很長時間才能彌補這個短板．

廣大物理教師要學會原創分析論述題,這種題型一般是定性討論和闡述,不需要具體的數值計算,但要能夠考察出學生的邏輯推理能力,運用所學物理知識和原理,有層次展開分析闡述,最后得出正確結論,培養學生能夠用科學的語言邏輯地、清楚地表述物理思維過程的能力．

圖2

例3.如圖2所示,物體置于水平面上,F的大小為10N,與水平方向夾角為30°,物體向右做勻速直線運動,現去掉F力,則其他力的合力大小為多大?

(1) 下面是某學生對該題的一種解法.

解析:因物體受到重力G,彈力N、滑動摩擦力f及F的作用,且物體處于平衡狀態,故此4力的合力為零．當去掉F后,其他力的合力必與F大小相等、方向相反,所以其他力的合力大小為10N,方向與F相反．你認為這個結論正確嗎?請對該結論作出評價并說明理由．

(2) 若將圖2中的F改為水平,物體仍向右做勻速直線運動,如圖3所示,當去掉F后(物體仍向右運動,尚未停下),分析結果與(1)相同,即其他力的合力大小為10N,方向與F相反．你認為這個結果正確嗎?請說明理由．

參考答案: (1) 這個結論是不正確的．因物體受到重力G,彈力N、滑動摩擦力f及F的作用,且物體處于平衡狀態,故此4力的合力為0,根據共點力的平衡條件可知,此時的摩擦力等于10N．但是,當去掉F后,由于這個外力斜向上的,物體對地面的正壓力變小了,相應的滑動摩擦力也變小了,重力是不變的,豎直方向的合力等于0,合力就是滑動摩擦力,所以合力不等于10N,而是小于10N．

(2) 這個結論是正確的．因物體受到重力G,彈力N、滑動摩擦力f及F的作用,且物體處于平衡狀態,故此4力的合力為0,根據共點力的平衡條件可知,此時的摩擦力等于10N．當去掉F后,重力和彈力都不變,相應的滑動摩擦力也不變,豎直方向的合力為0,此時的滑動摩擦力就是物體所受的合力,所以合力為10N．

學生做完這道分析辨析題后,培養了學生的物理科學素養:基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判,進而提出創造性見解的能力與品質．

以上是筆者在教學實踐過程中的點滴認識,還望讀者不吝賜教．