凸顯科學思維能力 落實學業(yè)質量標準 ①
——2019年全國Ⅲ卷電學實驗題分析

譚 程

(廣東省陽山縣陽山中學，廣東 清遠 513100)

1 引言

高中物理課程旨在進一步提升學生的物理學科核心素養(yǎng)，其中科學思維是核心素養(yǎng)的重要方面。科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證和質疑創(chuàng)新等要素。《普通高中物理課程標準(2017年版)》(以下簡稱課標)提出科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的核心，并研制了相應的學業(yè)質量標準。筆者從科學思維的視角，分析2019年全國Ⅲ卷的電學實驗題，提出了培養(yǎng)學生科學思維能力、落實學業(yè)質量標準的教學策略。

2 電學實驗題對科學思維能力考查的分析

2.1 原題呈現(xiàn)

某同學欲將內阻為98.5Ω、量程為100μA的電流表改裝成歐姆表并進行刻度和校準，要求改裝后歐姆表的15kΩ刻度正好對應電流表表盤的50μA刻度。可選用的器材還有：定值電阻R0(阻值14kΩ)，滑動變阻器R1(最大阻值1500Ω)，滑動變阻器R2(最大阻值500Ω)，電阻箱(0～99999.9Ω)，干電池(E=1.5V，r=1.5Ω)，紅、黑表筆和導線若干。

圖1

(1) 歐姆表設計：將圖1中的實物連線組成歐姆表。歐姆表改裝好后，滑動變阻器R接入電路的電阻應為Ω：滑動變阻器選(填“R1”或“R2”)。

(2) 刻度歐姆表表盤：通過計算，對整個表盤進行電阻刻度，如圖2所示。表盤上a、b處的電流刻度分別為25和75，則a、b處的電阻刻度分別為、。

圖2

圖3

(3) 校準：紅、黑表筆短接，調節(jié)滑動變阻器，使歐姆表指針指向kΩ處；將紅、黑表筆與電阻箱連接，記錄多組電阻箱接入電路的電阻值及歐姆表上對應的測量值，完成校準數(shù)據測量。若校準某刻度時，電阻箱旋鈕位置如圖3所示，則電阻箱接入的阻值為Ω。

2.2 試題分析

從科學思維能力考查的視角，筆者認為該題具有以下特點。

(1) 凸顯物理模型建構

郭玉英教授指出：“在科學領域中，模型被視為對真實世界的一種表征，建模是建構或修改模型的動態(tài)過程，即從復雜的現(xiàn)象中，抽取出能描繪該現(xiàn)象的元素或參數(shù)，并找出這些元素或參數(shù)之間的正確關系，建構足以正確描述、解釋該現(xiàn)象的模型的過程。”可見物理模型是溝通已知世界和未知世界的橋梁，是解決物理問題的重要手段。所以,培養(yǎng)學生的物理模型建構能力成了物理教學的重要目標，課標將物理模型建構能力的學業(yè)質量劃分為5級水平(圖4)。

圖4

2019年全國Ⅲ卷電學實驗題通過改裝歐姆表，考查了學生建構物理模型、解決實際問題的能力。本實驗與教材實驗相比，多了一個定值電阻R0。學生若理解了教材模型中的滑動變阻器在實驗中可能會滑到最下端(圖5)，自然會想到R0在電路中起保護作用，并建立如圖6所示的物理模型，本題考查的是物理模型建構的學業(yè)質量水平4：“能將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型”。

圖5

圖6

(2) 注重科學推理

物理學基于觀察與實驗，建構物理模型，應用數(shù)學等工具，通過科學推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系，可見科學推理是科學思維的核心，科學推理一般分為4個步驟：

① 從情景中提取信息(情景信息化)；

② 建構物理模型(信息直觀化)；

③ 將所提取的信息與相關物理定律建立聯(lián)系(信息內涵化)；

④ 結合問題甄選信息，在不同信息之間建立關聯(lián)并進行推理(信息整合化)。課標將科學推理的學業(yè)質量劃分為5級水平(圖7)。

圖7

2019年全國Ⅲ卷電學實驗題對科學推理的考查體現(xiàn)如下：

① 提取信息：歐姆表改裝與校準、表盤刻度確定、滑動變阻器選取和電阻箱讀數(shù)；

② 信息直觀化：建立如圖6所示的模型；

該題要求考生從真實情境中，能對常見的物理現(xiàn)象進行分析和推理，獲得結論并作出解釋，體現(xiàn)了科學推理學業(yè)質量水平4的要求。

(3) 彰顯科學論證

世界各國教育都將培養(yǎng)學生的科學論證能力置于前所未有的高度，我國于2017年首次將科學論證寫入課標，并劃分了科學論證的學業(yè)質量5級水平(圖8)。2019年全國Ⅲ卷電學實驗題對科學論證的考查體現(xiàn)了課標的要求，具有以下特點。

圖8

① 突出“基于證據、得出結論”的基本素養(yǎng)

以上論證體現(xiàn)了“基于證據、得出結論”的基本素養(yǎng)，落實了“能恰當使用證據證明物理結論”的要求，體現(xiàn)了科學論證的學業(yè)質量水平4的要求。

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② 彰顯“循序漸進、深入推理”的特征

“滑動變阻器選取”的論證回歸教材，指針讀數(shù)實際是回路中的電流，需由已知電流值求出對應刻度的電阻值，體現(xiàn)了科學論證的學業(yè)質量水平5的要求，彰顯了“循序漸進、深入推理”的特征。

(4) 引導質疑創(chuàng)新

學貴有疑，疑之所以貴，因為疑要經過思考，是思維的新產物，很多科學家都具有可貴的質疑精神。課標明確指出：“使學生具有一定的質疑能力是新課程的重要目標”，將質疑創(chuàng)新的學業(yè)質量劃分為5級水平(圖9)。

圖9

2019年全國Ⅲ卷電學實驗題對質疑創(chuàng)新能力的考查體現(xiàn)在歐姆表的校準上，提出質疑：歐姆表改裝達標嗎？解疑途徑：用改裝后的歐姆表去測量多組電阻箱接入電路的電阻值，完成校準工作。體現(xiàn)了水平4的要求。

3 培養(yǎng)學生科學思維能力的教學策略

(1) 以物理模型建構為抓手，培養(yǎng)學生的科學思維能力

建構物理模型要從分析的物理問題中抽象出“事和物”的關鍵特征，再將需分析的“事和物”概括成可解讀的物理信息。該過程運用了比較、分析、抽象和概括等思維方法，同時伴隨猜想、推理、論證等探究環(huán)節(jié)。為培養(yǎng)學生的科學思維能力，應以物理模型建構為抓手，引領學生的科學思維向縱深發(fā)展，使他們的問題解決能力不斷提升。

(2) 以科學探究為導向，強化科學思維能力的培養(yǎng)

科學探究是學生主動獲取知識的實踐活動，目的是讓學生親歷與科學家探究時的相似過程，體驗探究樂趣。在物理教學中要落實課標的要求：“在探究教學過程中要注重培養(yǎng)學生的思維能力，將學生的思維發(fā)展與科學探究緊密聯(lián)系起來”。學生在體驗科學探究的過程中，運用科學思維方法解決問題，從而不斷地促進科學思維能力的發(fā)展。

(3) 倡導高質量的質疑，促進發(fā)散思維能力的提升

傳統(tǒng)教學中提問是教師的事，學生只管回答，無需提問，學生的“思”和“疑”由教師替代了，這種“包辦式”教學難以培養(yǎng)學生的質疑能力。“問渠那得清如許，為有源頭活水來”，要使質疑能真正促使學生的思維發(fā)散，應倡導“高質量質疑”。若學生發(fā)現(xiàn)的問題與自己已有認知發(fā)生沖突，而對現(xiàn)有認知提出質疑，這是高質量質疑，這種質疑能發(fā)散學生的思維。