物理關鍵能力框架下的中考試題設計策略

摘 要：為科學評價初中學生的物理學業水平，需基于課程標準，基于關鍵能力框架進行試題設計.本文結合中考試題，說明設計的幾項策略：建構物理模型，評價學生對概念和規律的理解;依托真實的問題，評價學生的實驗技能和探究思維;關注科技實例，評價學生的認知結構和科學思維.

關鍵詞：概括理解;實驗探究;實踐應用

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0062-04

基金項目：江蘇省教育科學“十三五”規劃課題“指向物理核心素養的單元設計”（項目編號：R-c/2016/07）.

作者簡介：許幫正（1971-），男，安徽桐城人，碩士，中學正高級教師，江蘇省特級教師，研究方向：中學物理課堂教學、單元設計.

自2017年起，筆者作為江蘇省義務教育學生學業質量監測專家組成員，一直參與初中物理監測工具的研制.依據課程標準，基于大規模監測的實踐研究，專家組給出的初中物理關鍵能力框架結構，包括概括理解、實驗探究、實踐應用，這與高考評價體系所要求的三項關鍵能力群相一致，對應關系如圖1所示.

“概括理解”是學生在進行物理知識學習過程中表現出的能力，包括“觀察與建模”“概括與推理”“辨析與梳理”等能力;“實驗探究”是指學生在觀察、實驗和科學探究過程中表現出的能力，包括“問題與猜想”“設計與操作”“證據與論證”等能力;“實踐應用”是指學生在應用物理知識解釋自然現象和解決實際問題時表現出的能力，包括“分析與解釋”“思想與方法”“反思與評價”等能力.

物理中考，作為初中學生學業水平評價的重要組成部分，需要基于課程標準，基于關鍵能力框架結構進行試題設計，筆者結合中考試題進行分析交流.

1 概括理解：建構物理模型，評價學生對概念和規律的理解

教師首先需要明確物理究竟講什么？以此來確定學生該怎樣學習物理.愛因斯坦在他的著作《物理學的進化》中給出的觀點是：物理是在概念世界和現象世界之間建立關聯.人類自從有了思想，便一直試圖解開這世界的終極之謎，直到300年前，才開始找到解開這謎題所用的語言，這就是“物理概念”.我們可以這樣理解，物理的研究過程源自于理解自然的設計，基于觀察，提出問題，進行猜想，用實驗進行論證，建立物理模型，并用物理概念來描述物理模型.

所以，從學生學習的角度，對物理知識的獲取能力，首先體現在能夠閱讀和理解物理學科的文本、符號，理解物理概念.其次是能夠從具體情境中提取有效信息，用物理概念和規律或者原理去解釋現象，依托概念建立起對學科基本知識的結構化理解.從評價的角度講，我們就得采用“反芻”的方式，建構出物理模型，以評價學生對物理概念和規律的理解.如下題所示.

例題1 閱讀短文，回答文后問題.

地基沉降

建在地面的房屋往往會面臨地基沉降問題，意大利的比薩斜塔就是因為地基沉降不均勻而傾斜的.房屋下方的地層通常包括土層和巖石層.巖石風化、脫落形成的細小顆粒稱為土粒.土粒很堅硬，很難被壓縮，但土粒之間有很多孔隙.如圖2a所示，土由土粒和土粒間的孔隙構成.土中孔隙的總體積和土粒的總體積之比稱為土的孔隙比.與堅固的巖石層不同，外加壓力時，土粒會發生移動，重新排列、靠緊，土的體積就變小了.如圖2b所示，房屋對下方地層的壓力很大，土層被壓縮，就造成了房屋的地基沉降.因此在建造房屋之前要勘測地層，預估地基的沉降量.

（1）從土的構成看，土被壓縮的體積可以認為等于?? 減小的體積.

（2）在一次建造房屋前的地層勘測中，從土層中取一些土作為樣本，烘干后測得密度為1.8×103kg/m3.已知土粒的密度為2.7×103kg/m3，則土的孔隙比為?? .

（3）對上述樣本土進行壓縮試驗，得到孔隙比和所加壓強的數據見表1.請在坐標圖中畫出e-p關系圖像（如圖3所示）.

（4）若該房屋的重力為1×107N，地基面積為40m2，下方土層厚度為6m.請根據以上數據，預估地基的沉降量為?? m.

從課程標準的角度分析，試題考查的知識點為“壓強、密度”， 知識的水平層次為“理解”.從關鍵能力框架來看，試題考查的關鍵能力為“概括理解”能力.

試題素材選擇具有實際意義，給出一段關于“地基沉降”原因的短文，題干中“孔隙比”解釋清晰，學生需要從閱讀中找到地基沉降的原因是房屋對土層的壓強導致土中孔隙的減小，理解圖2，并能形成如圖4所示的土層模型.

對照模型，第（1）問的答案為“孔隙”;第（2）問利用密度公式，可以設質量為m的土，寫出土的體積和土粒體積的表達式，計算出孔隙比為0.5（如圖4a所示），這里有一個易錯之處，如果信息提取不到位，學生會誤將土的體積和土粒體積混淆.第（3）問，利用數據畫出孔隙比和壓強的圖像，如圖5所示;第（4）問計算出壓強后，借助圖像計算出孔隙比約為0.41（如圖4b所示），因為土層厚度原為6m，土粒厚度不變，為4m，圖4a中孔隙厚度為2m，圖4b中孔隙厚度為1.64m，所以地基的沉降量約為0.26m.解答此題，學生經歷了“提取信息—明確概念—建立模型—選用公式”的過程，評價學生“觀察與建模”“概括與推理”和“辨析與梳理”等能力.

2 實驗探究：依托真實的問題，評價學生的實驗技能和探究思維

實驗探究能力應是學生在面對學習探索問題情境時，進行認知操作和行動操作過程中表現出的穩定的個性心理特征，是理論聯系實際所必須具備的能力基礎.包括實驗設計、動手操作、數據處理和信息轉化能力.試題設計應根據真實的問題情境，評價學生的實驗技能和形式邏輯思維.

真實的學習才能解決真實的問題，在實驗探究中，我們切忌讓學生“按方抓藥”，應讓學生切實經歷探究過程，才能產生真實的問題.筆者曾聽多位教師執教“測量定值電阻的阻值”，教師提供給學生的主要器材有：兩節新干電池，阻值為5Ω或者10Ω的待測電阻，電壓表、電流表，滑動變阻器.一般流程是：給出歐姆定律—按照原理連接電路—多次測量取平均值.接下來，提出假設，如果電流表（或電壓表）損壞，如何測量？在這種教學方式下，學生看似經歷了探究過程，但是實質是重復實驗操作，并非真實的學習.

準確測量出定值電阻的阻值是實驗目的，這里包括小電阻和較大電阻的測量.教師在教學中，如果做以下兩種情形的改進，則可以反映學生真實的實驗技能和探究思維.第一種改進：如果給學生2Ω的電阻.實際測量時，學生碰到的第一個問題是電流表到底是選擇哪個量程？同時也必須要考慮，電流會超過1A，屬于大電流，在此情形下，如何減小測量誤差？第二種改進：選取家用電器中實際使用的色環電阻（200Ω左右），讓學生測量，必然出現電流表示數小于最小分度值0.02A，此時就只能考慮選用其他測量方案，也就排除了電表損壞的假設.必然需要重新設計電路，例如可以采用如圖6所示的方式，利用電阻箱和待測電阻串聯，改變電阻箱的阻值，讀出電壓表示數，利用數學關系，準確測量出電阻的阻值.基于上述電阻測量中需要解決的實際問題，筆者設計了如下的中考試題.

例題2 小明和小華在進行“測量定值電阻的阻值”實驗，器材有：干電池兩節，開關、電壓表、電流表、滑動變阻器（20Ω 1.5A）、電阻箱（0～9999Ω 5A）各一個，待測電阻R1、R2，導線若干.

（1）連接電路前，小明發現電流表指針如圖7甲所示，于是他將電流表指針調至?? .

（2）①圖7乙是他們連接的測量R1阻值的部分電路.請用筆畫線代替導線，將電路連接完整.

②閉合開關前，應將滑動變阻器的滑片P置于最?? （選填“左、右”）端.

③在正確完成上述操作后，閉合開關，移動滑片P，當電流表示數為0.2A時，電壓表示數如圖7丙所示，則電阻兩端的電壓為? ?V.多次實驗所測量的結果見表2，則R1的阻值為?? Ω.

④測量R1阻值過程中，老師提醒他們要盡量縮短通電時間，并用較小的電流來測量，這樣做的理由是：?? .

（3）為測量電阻R2的阻值，他們在已連接好的圖7乙的電路中，用R2替換R1接入電路.

測量過程中，發現電流表示數始終小于分度值.于是，他們按照如圖8甲所示的電路圖，重新連接了電路，閉合開關后，改變電阻箱接入的阻值進行多次測量.記錄下電阻箱的阻值R及對應的電壓表示數U，并根據記錄的數據繪制出1U-1R圖像，如圖8乙所示，則所測電阻R2的阻值為?? Ω.

試題圍繞“準確測量定值電阻的阻值”這一主要問題而設計，第（2）④小問，為準確測量小電阻的阻值，需要避免在測量中，由于電流過大和通電時間過長，導致電阻發熱阻值發生較大變化.第（3）小問在測量大電阻時，電流表示數由于太小，所以需要考慮實驗的重新設計.依據設計的電路圖（如圖8甲所示），我們可以推導出電壓表示數與待測電阻R2的關系：1U=1U0+R2U0·1R，其中，U0為電源電壓.解讀坐標圖像（如圖8乙所示）中的數值，可以得出1U0=0.36，R2=160Ω.解決此題還可以直接從圖像入手，因為1U0=0.36，所以U0=259V，當R=40Ω時，電壓表示數U=11.8V=59V，利用串聯電路的規律可以得出答案R2=160Ω，這兩種解決問題的方法是合理利用物理思維和數學工具.

從課程標準的角度分析，試題考查的知識點為“歐姆定律”，知識的水平層次為“理解”.從關鍵能力框架來看，試題考查的關鍵能力為“實驗探究”能力，突出問題解決路徑，考查“設計與操作”和“證據與論證”等能力.

3 實踐應用：關注科技實例，評價學生的知識結構和科學思維

從物理走向社會，是課程標準的基本理念，是體現物理學科價值的路徑.實踐應用能力應是學生在面對生活實際問題情境時，進行知識應用的過程，進行學科知識加工的過程.為評價學生的實踐應用能力，我們需要基于學生的實際生活，選擇合適的生活實例.

例如，在疫情期間，學生外出機會減少，乘坐公共交通的機會也減少，為體現物理學科的實踐應用價值，貼近學生生活，筆者選用“家用小汽車”作為命題情境.作為交通工具，首先要考慮汽車行駛的安全性，為了保障行駛安全，汽車的后風窗都裝有如圖9所示的加熱除霜電路，該電路的工作原理圖如圖10所示.那么這個加熱除霜電路如何工作？加熱功率為多大？如何合理設計和改進？這些都是實際問題，通過對這些問題的考查，就可以很好地引導學生將知識遷移到新的情境，分析模型，作出解釋，運用物理的思想與方法解決新問題.于是，筆者在走訪專業人員后，對汽車后風窗玻璃質量、電路中原件的規格做了進一步的了解，設計如下試題.

例題3 冬季，汽車后風窗玻璃上常會形成一層薄霜，導致駕駛員無法準確觀察后方情況.為保障行車安全，后風窗玻璃裝有加熱除霜電路.如圖11甲所示，是某同學設計的模擬汽車后風窗玻璃加熱電路，它由控制電路和受控電路組成.控制電路中S接“手動”時，電磁鐵A通電吸引銜鐵，使觸點D、E接觸，受控電路中電熱絲R2工作，對玻璃均勻加熱.S接“自動”時，加熱過程中，玻璃溫度升高至45℃時，觸點D、E恰好脫開，此時控制電路中通過的電流為0.02A.電路中U1=6V，U2=12V，R0=150Ω，R2=0.8Ω，R1為固定在玻璃內的熱敏電阻，其溫度始終與玻璃溫度相同，阻值隨溫度升高而增大.若電熱絲R2所產生的熱量完全被玻璃吸收，玻璃質量為9kg，玻璃比熱容為0.8×103J/（kg·℃）.電磁鐵A線圈的電阻忽略不計.

（1）開關S接“手動”：

①電磁鐵A通電時具有磁性，此現象稱為電流的?? 效應，A的上端是?? 極.

②將玻璃從-5℃加熱至45℃，所需的時間是多少？

（2）開關S接“自動”.玻璃的溫度為15℃和45℃時，控制電路的功率相差了0.03W，則15℃時熱敏電阻R1的阻值為?? Ω.

（3）汽車后風窗玻璃上的電熱絲R2是通過絲網印刷的方式將專用的導電銀漿印刷到玻璃的表面燒結制成，如圖11乙所示.在電壓U2不變的情況下，為增大電熱絲R2的加熱功率，請從銀漿線的厚度、條數、粗細等方面，提出一種改進措施 ??.

從課程標準的角度分析，試題考查的知識點包括：電流的磁效應、影響電阻大小的因素、 熱量、焦耳定律、歐姆定律、電功率.知識的水平層次包括：了解、認識、理解.試題考查的關鍵能力為“實踐應用”.

試題選擇家用汽車后風窗加熱電路并進行合理建模.解答第（1）問要能看懂電路結構，明確控制電路的動態控制過程，評價學生的“分析與解釋”能力;試題的第（2）小問則是對動態電路和電功率的考查.解答時，先應明晰基本電路，如圖12所示.依據題意，當玻璃溫度為45℃時，此時控制電路的電流為0.02A，電功率為0.12W，當玻璃溫度為15℃，R1的阻值減小，所以電路的電功率增大，為0.15W，依據R=U21P=（36V）20.15W=240Ω.

因此R1的阻值為90Ω，是對物理“思想和方法”的評價.第（3）小問則評價學生的反思與改進能力.

綜上所述，關鍵能力是指學習者在面對生活實踐或學習探索問題情境時，能夠在正確的思想價值觀念指導下，高質量地認識問題、分析問題、解決問題的能力.在大規模的紙筆測試中，評價需要遵循課程標準的要求，為了科學評價學生的物理關鍵能力，需要注重試題的情境素材指向物理學科的核心素養，具有實際價值;需要注重知識點的選擇，應指向物理學科的必備知識;需要設計好問題，以凸顯相關能力在解決問題中的水平層次.

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（收稿日期：2021-03-07）