基于學科能力培養的情境問題精準設置分析

卞志榮 顧建元

（1.江蘇省天一中學，江蘇 無錫 214101；2.蘇州工業園區教師發展中心，江蘇 蘇州 215021）

林崇德先生指出：學科能力是教師和學生通過教學活動使得學科知識概化的能力，是學科教育與智力發展的結晶.學科能力是學生通過物理學習內化的一種心理特質，此心理特質決定了學生面對物理問題時的行為表現.它是在長期的教學活動中累積而成.所以教學中精心設置新的情境問題有利于學生學科能力的提升.要充分發揮情境問題的學科能力培養功能，必須了解物理學科能力的具體等級指標，情境問題的設置才會有的放矢.北京師范大學郭玉英教授將物理學科能力表現的水平等級劃分如表1.

表1

續表

郭教授還指出：物理學科能力的7個表現水平，初步描述學生物理學科能力的進階脈絡.同時研究還發現，能達到較高水平（水平6、水平7）的學生較少，即建立概念、規律的關聯，形成整合的物理觀念、根據問題情境建構模型等能力要求在當下仍對物理教與學提出了挑戰.

1 利用原始情境問題培養學生理解推理能力

理解能力是指學生順利進行物理知識的輸入、存儲，加工、關聯，以及系統化等活動的能力.具體表現為能否完成回憶和提取、辨識和確認、概括和關聯、說明和論證等物理學習理解活動.要學好物理，重在理解.沒有理解能力，其它方面的能力如推理能力、分析綜合能力等也就失去了依據.

1.1 用原始物理問題創設情境，檢驗理解能力

原始問題是自然界及社會生活、生產中未被加工的典型現象.它具有客觀真實性、生態性、隱蔽性和遷移性、開放性的特點.用它創設情境問題能很好地甄別學生對概念、規律的理解能力.

原始問題：如圖1所示，演員正在進行雜技表演.由圖可估算出他將一只雞蛋拋出的過程中對雞蛋所做的功最接近于多少焦？

圖1

設置分析：本題選自2011年江蘇省高考第4題.要求學生能在熟悉情境中知道生活常識：一只雞蛋質量約為50g，成人的身高約為1.70m，這屬于學科能力水平等級1；能根據人的身高和圖片估算出拋出后雞蛋運動的最大高度，這對應學科能力水平等級2；能建立拋出雞蛋的運動是豎直上拋運動模型，且忽略最高點的水平速度進而估算出雞蛋被拋出的初速度，再用動能定理求出人對雞蛋所做的功，應該對應學科能力水平等級4.

1.2 精選跨學科情境問題，提升邏輯推理能力

知識是相互聯系的，現實問題往往涉及多學科融合.選準切入點，采用跨學科知識來設計問題場景，讓學生通過聯想、類比、分析等手段對問題展開研究，發現隱含其中的物理規律，促使學生更有效地構建認知，提升推理能力.

情境問題：假設在NaCl蒸氣中存在由鈉離子Na+和氯離子Cl-靠靜電相互作用構成的單個NaCl分子.若取Na+與Cl-相距無限遠時其電勢能為0，一個NaCl分子的電勢能為-6.1eV.已知使一個中性鈉原子Na最外層的電子脫離鈉原子而形成鈉離子Na+所需的能量（電離能）為5.1eV，使一個中性氯原子Cl結合一個電子形成氯離子Cl-所放出的能量（親和能）為3.8eV.由此可算出，在將一個NaCl分子分解成彼此遠離的中性鈉原子Na和中性氯原子Cl的過程中，外界供給的總能量等于多少電子伏？

設置分析：本題選自2000年全國高考物理第13題，創設了一個化學情境來考查電勢能和能量轉換與守恒定律.對考生的理解能力要求比較高，達到了學科能力的5-6級，特別是對這句話“若取Na+與Cl-相距無限遠時其電勢能為0，一個NaCl分子的電勢能為-6.1eV.”的理解至關重要.如果審題習慣和理解能力稍差的學生不僅費時，就連讀完題目還弄不清所表達的要點，導致隨意用題中幾個已知數拼湊，很難得到正確結論.該題需要學生閱讀后理解語意，做出以下推理過程：

過程1：Na→Na+-5.1eV

過程2：Cl→Cl-+3.8eV

過程3：Na++Cl-→NaCl+6.1eV

通過逆向思維得到

通過聚合思維將上述3式相加可得到

所以總的需要吸收4.8eV的能量.

2 利用生活化情境問題培養學生應用實踐能力

應用實踐能力是指學生應用物理學科核心知識和科學思維，分析和解釋物理現象、解決實際問題的能力.具體表現為學生能否完成分析和解釋與物理有關的實際情境問題、進行預測與推論、選擇并設計問題解決方案等應用實踐活動.

生活類情境問題比較接近學生生活實際，有經歷過，或看到過，具有親切感，能夠引起他們探究解決問題的興趣，但真正靜心思考又似乎說不清，道不明其中蘊含的物理道理.教學中利用這樣的情境問題更有利于增強學生實踐意識，培養實踐能力.

2.1 設置情境問題訓練分析能力

生活中的情境問題往往比較復雜，通常含有多個約束條件，而且隱而不顯、含而不露.尤其是生疏的問題，需要通過剝絲抽繭找出它們之間的本質關系和發展規律，最后通過一定線索在思維中將客觀對象的各個組成部分重新結合為一個有機整體進行決策，找出恰當的解決問題的思路及方法，揭示事物的屬性和本質.

情境問題：如圖2所示，旋轉秋千裝置中的兩個座椅A、B質量相等，通過相同長度的纜繩懸掛在旋轉圓盤上.不考慮空氣阻力的影響，當旋轉圓盤繞豎直的中心軸勻速轉動時，下列說法正確的是

圖2

（A）A的速度比B的大.

（B）A與B的向心加速度大小相等.

（C）懸掛A、B的纜繩與豎直方向的夾角相等.

（D）懸掛A的纜繩所受的拉力比懸掛B的小.

設置分析：本題選自2013年江蘇高考物理第2題.試題把高中物理核心概念和規律如角速度、向心力、受力分析、勻速圓周運動的受力特點、牛頓第二定律等放到學生玩過的熟悉的游樂項目情境中進行考查，避免了學生死記硬背，有效考查學生用所學知識解決實際問題的能力.試題雖然不難，但從那年應試的學生了解到解決此問題不怎么順手，事實上后來高考試卷分析得到此題得分率并不高.說明學生在新的情境中的應用知識和分析問題的能力尚顯不足.絕大部分學生能直接從情境中提取信息：A、B均做勻速圓周運動，所以角速度相等，對應學科能力水平等級1；能聯系角速度和線速度、向心加速度關系正確判斷（A）、（B）選項錯誤，對應學科能力水平等級2；能正確進行受力分析，知道繩的拉力和重力的合力水平指向轉軸，判斷出（C）選項錯誤，（D）選項正確，對應學科能力水平等級3.

2.2 設置情境問題強化思維習慣和科學態度

思維習慣是衡量思維品質高低的指標，思維品質的優劣制約學科能力的提升.物理思維也遵循邏輯循序，體現有序性.學生對于物理問題進行分析的時候就伴隨著一個思維的過程，整個過程主要按照“物理情境、物理模型、數學推算、物理結論”的程序逐一進行.加強學生思維習慣養成培養對學生科學素養的形成具有關鍵性的意義.

情境問題：高空墜物極易對行人造成傷害.若一個50g的雞蛋從一居民樓的25層墜下，與地面的撞擊時間約為2ms，則該雞蛋對地面產生的沖擊力約為

設置分析：本題選自2018年全國高考物理Ⅱ卷第15題.命題背景是當年小區居民從樓上拋擲物品致他人人身或財產損害的現象時有發生，成為影響居民生活的一個不和諧因素，致使許多小區加裝了高空拋物攝像頭.這種以社會生活熱點設置情境問題，也是高考命題的趨勢之一.那么，“小小雞蛋的威力”到底有多大，要得到正確結論，還必須具備良好的思維習慣和過程.

首先要具備生活常識即每層樓的高度大約為3m，然后要能進行科學近似，忽略空氣阻力，建立自由落體模型.在此基礎上，明確研究過程1：雞蛋在空中下落，遵循機械能守恒定律，則，解得雞蛋剛落地時速度40（m/s）；研究過程2：雞蛋與地面的碰撞，要有良好的受力分析的習慣，否則極易丟掉雞蛋的重力而導致錯誤.由于雞蛋與地面的作用是變力作用，對這種碰撞類問題應該想到動量定理，并且使用動量定理解題時必須規定正方向，若設向上為正，則有（FN-mg）t=0-mv，解得FN≈103N.問題雖然不難，學科能力水平等級大約在2-3級，但卻很好地考查了學生的物理基本素養，同時又對學生進行了安全意識和社會責任感教育.

2.3 設置情境問題提高綜合應用能力

設置綜合性的情境問題，讓學生自主進行具體分析，弄清所給問題的物理情境、物理狀態和物理過程，把一個復雜問題分解為若干較簡單的問題，這是具有優秀分析能力的體現.再找出這若干問題之間的聯系，靈活應用物理知識和方法綜合解決真實情境問題這是綜合能力的體現.學以致用，拓展學生思維深度和廣度，對培養學生學科能力大有裨益.

情境問題：如圖3（a），在跳臺滑雪比賽中，運動員在空中滑翔時身體的姿態會影響其下落的速度和滑翔的距離.某運動員先后兩次從同一跳臺起跳，每次都從離開跳臺開始計時，用v表示他在豎直方向的速度，其vt圖像如圖3（b）所示，t1和t2是他落在傾斜雪道上的時刻.則

（A）第2次滑翔過程中在豎直方向上的位移比第1次的小.

（B）第2次滑翔過程中在水平方向上的位移比第1次的大.

（C）第2次滑翔過程中在豎直方向上的平均加速度比第1次的大.

（D）豎直方向速度大小為v1時，第2次滑翔在豎直方向上所受阻力比第1次的大.

圖3

設置分析：本題選自2019年全國Ⅱ卷第19題.圖3（a）成了一部分學生的干擾因素，誤把它當作常見題型：平拋運動與斜面結合的理想模型.事實上若能充分挖掘題中隱含條件和信息“運動員在空中滑翔時身體的姿態會影響其下落的速度和滑翔的距離”和圖3（b）vt圖像斜率變化，就能得知比賽中運動員受到空氣阻力，平拋運動規律不再適用，但仍可用“運動的合成與分解”的本質方法進行分析突破.此題綜合性較強，學科能力水平等級應該達到了4級要求.

近幾年來，各地高考以運動時受到空氣阻力不可忽略的真實情境立意命題非常常見，比如2014年的全國Ⅱ卷的極限運動員跳傘；2016年小球隨表面積的阻力變化引起的加速度比較；2018年北京卷從軌跡方程和記錄的兩組數據，推斷運動員起跳后空中飛行到最高點時的水平距離等.以存在空氣阻力的真實情境命題，增添了趣味性、新穎性和考查功能.

3 利用高科技情境問題培養學生遷移創新能力

遷移創新能力是學生更高層次的物理能力表現.它是指學生利用物理核心知識和科學方法解決陌生和不確定性問題以及探尋新知識和新方法的能力.其包含舊知識與新情境的鏈接能力、對新情境的感知、對新問題的認知和解決能力.知識遷移能力是創造性人才必須具備的基本能力，也是在物理學習中從學會走向會學的重要一環.高中物理與STSE聯系及其緊密，若能在教學時有意識利用科技問題創設情境，不僅能很好地考查學生的分析問題、解決問題能力，還能促進學生的社會責任和價值觀的形成，讓科技創新的火種播種在學生的心坎里.

情境問題：某緩沖裝置的理想模型如圖4所示，勁度系數足夠大的輕質彈簧與輕桿相連，輕桿可在固定的槽內移動，與槽間的滑動摩擦力恒為f.輕桿向右移動不超過l時，裝置可安全工作.一質量為m的小車若以速度v0撞擊彈簧，將導致輕桿向右移動輕桿與槽間的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，且不計小車與地面的摩擦.

圖4

（1）若彈簧的勁度系數為k，求輕桿開始移動時，彈簧的壓縮量x；

（2）求為使裝置安全工作，允許該小車撞擊的最大速度vm；

（3）討論在裝置安全工作時，該小車彈回速度v′和撞擊速度v的關系.

設置分析：本題選自2012年江蘇高考壓軸題.這類問題學生往往沒有感性認識，需要耐心讀懂題目，能根據題中提供的信息進行提取加工，理解其工作原理，弄清每個過程中蘊含的物理知識，挖掘隱含條件，建立合理建模，然后才能選擇正確方法和規律進行合理的推斷、論證求解.由于此類問題情境真實，開放性大，探究性強，能較好地考查、訓練學生的遷移創新能力.

此題對中學生來說屬于難題，學科能力水平達到了6-7級的高要求.它把中學階段及其重要而又困難的兩種模型：輕彈簧與輕桿結合在一起，加大了問題的情境難度，再加上平時教學中不大提及的表述“勁度系數足夠大”又成了審題的干擾因素，學生首次見到這樣的裝置就被嚇懵了.學生不僅需要具有良好的心理素質，還需要具備透過現象看本質的敏捷思維，抓住輕質模型“質量為零，所受合力必為0”的本質，找到臨界條件，才有可能繼續走下去，逐步分析得到解決.

4 結語

在高中物理教學中設置有效的情境問題，既是提高教學質量的有效手段，也是培養學生物理學科能力的必要條件.如何發揮情境問題在素養和能力培養上效益最大化，必須將情境問題有機地融合到教學各環節，根據不同的教學要素，設置個性化的物理問題，不斷提高情境問題的趣味性、多樣性和有效性，精準把握學生思維的低錨點和需要進階的高錨點，精心設置情境問題，高效利用情境問題，最好做到問題與學科能力點對點的精準教學，才能構建基于學科能力培養的高效課堂.