巧設(shè)設(shè)問(wèn)視角 彰顯學(xué)科素養(yǎng)
——以初中物理實(shí)驗(yàn)作業(yè)設(shè)計(jì)為例

許 志 李秋霞

（1.南京市教學(xué)研究室，江蘇 南京 210001；2.南京市棲霞區(qū)教師發(fā)展中心，江蘇 南京 210028）

作業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是依據(jù)一定的情境對(duì)問(wèn)題的設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科的靈魂，教師在備課設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)作業(yè)時(shí)，要精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)問(wèn)視角，努力彰顯學(xué)科素養(yǎng).只有不斷探求新的設(shè)問(wèn)視角，才能真正考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和方法的理解程度.以下圍繞初中物理實(shí)驗(yàn)作業(yè)的設(shè)計(jì)談?wù)勎覀兊囊恍┧伎?

1 實(shí)際“操作”，養(yǎng)成“物理觀念”

1.1 作業(yè)案例

用量角器、直尺、45°三角尺、60°三角尺，可以做以下實(shí)驗(yàn).

（1）透過(guò)尺子能看到清晰的刻度線，說(shuō)明尺子的材料有很好的________性.

（2）將兩把三角尺疊放在水平桌面上，用直尺緊貼桌面快速擊打下方的尺子，觀察到________的現(xiàn)象，說(shuō)明上方的尺子具有慣性.與頭發(fā)摩擦后的直尺能吸引碎紙屑，這是因?yàn)開(kāi)_______.

（3）圖1（甲）中，量角器底邊長(zhǎng)度為_(kāi)___cm.

圖1

（4）用量角器的底邊將直尺支撐起來(lái)，當(dāng)直尺在水平位置平衡時(shí)，量角器的底邊正好在直尺的中間位置（刻度線“7”和“8”的中間）.

① 圖1（乙）中，用吸管在直尺a端上方用力水平吹氣，能觀察到直尺a端________（選填“靠近”或“遠(yuǎn)離”）吸管.

② 圖1（丙）中，將三角尺A、B分別豎直掛在直尺刻度線“1”和“13”位置后，直尺還能在水平位置平衡，則A、B的質(zhì)量之比為_(kāi)_______.

1.2 設(shè)問(wèn)視角和學(xué)科素養(yǎng)

本題以一組“尺子”為背景設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）物質(zhì)的物理屬性；（2）慣性；（3）靜電現(xiàn)象；（4）長(zhǎng)度的測(cè)量；（5）氣體壓強(qiáng)和流速的關(guān)系；（6）杠桿平衡條件.值得一提的是題中第（4）問(wèn)的設(shè)計(jì)很有新意，其一是對(duì)“量角器的底邊正好在直尺的中間位置”用刻度線“7”和“8”的中間來(lái)加以解釋，這樣設(shè)計(jì)是為了防止對(duì)前面第三問(wèn)的答案有提示（不便提“7.5”或“7.50”），便于學(xué)生算出兩把三角尺對(duì)直尺壓力（等于它們的重力）所對(duì)應(yīng)的力臂分別是“6.5 cm”和“5.5 cm”，同時(shí)也是為學(xué)生利用杠桿平衡條件進(jìn)行計(jì)算做好鋪墊.通過(guò)以上相關(guān)問(wèn)題的設(shè)問(wèn)，本題希望達(dá)成學(xué)生以下學(xué)科素養(yǎng)：一是能否利用學(xué)過(guò)的物理知識(shí)解釋生活中的一些簡(jiǎn)單現(xiàn)象；二是能否運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)解決生活中碰到的實(shí)際問(wèn)題；三是能否根據(jù)丙圖在頭腦中構(gòu)建出杠桿模型，從圖中分析出力臂大小并能利用杠桿平衡條件正確求解.

1.3 學(xué)生答題和教學(xué)建議

本題選取學(xué)生常用的文具為問(wèn)題情景，通過(guò)使用文具完成一系列小實(shí)驗(yàn).考查學(xué)生基礎(chǔ)物理知識(shí)的同時(shí)，隱形考查學(xué)生運(yùn)用這些物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力.學(xué)生答題主要問(wèn)題有：第（1）問(wèn)答成延展性、反光性、耐磨性、穿透性、透塑性和慣性.說(shuō)明學(xué)生一是對(duì)物質(zhì)的一些物理屬性概念掌握不精準(zhǔn)，只知道大概的意思；二是不能用物理語(yǔ)言描述自然現(xiàn)象，而習(xí)慣于用生活語(yǔ)言模糊地表達(dá).第（2）問(wèn)學(xué)生答“振動(dòng)”較多，對(duì)物體慣性的概念淡薄，沒(méi)有將題設(shè)情境和慣性聯(lián)系起來(lái)；而且知識(shí)固化，不會(huì)遷移.學(xué)生往往只記憶自己熟悉的情境，不能將新情境與物理問(wèn)題和已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)聯(lián)系起來(lái).第（3）問(wèn)學(xué)生在回答中存在以下兩個(gè)問(wèn)題：（a）測(cè)量的起始刻度看錯(cuò)；（b）無(wú)估讀數(shù)值.第（4）問(wèn)學(xué)生在回答中存在以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）對(duì)流速與壓強(qiáng)關(guān)系的相關(guān)知識(shí)缺失；（2）不能將題設(shè)情境與杠桿平衡條件原理聯(lián)系起來(lái)并讀取數(shù)據(jù)正確計(jì)算.建議在平時(shí)的教學(xué)中，要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生基于生活情境解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng).

2 器材“選取”，體現(xiàn)“科學(xué)探究”

2.1 作業(yè)案例

現(xiàn)有一個(gè)熱敏電阻，其阻值R隨溫度t的升高而減小，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表所示，利用它可以制作溫度報(bào)警器，其電路的一部分如圖2所示，圖中兩個(gè)虛線框內(nèi)一個(gè)接熱敏電阻，一個(gè)接定值電阻，電源電壓恒為12 V.當(dāng)圖中的輸出電壓達(dá)到或超過(guò)8 V時(shí)，便觸發(fā)報(bào)警器（圖中未畫(huà)出）報(bào)警，不考慮報(bào)警器對(duì)電路的影響.要求環(huán)境溫度達(dá)到或超過(guò)40℃時(shí)開(kāi)始報(bào)警，則熱敏電阻應(yīng)接在虛線框________（填數(shù)字）內(nèi)，另一虛線框內(nèi)定值電阻阻值為_(kāi)_______kΩ.若將虛線框內(nèi)兩元件對(duì)調(diào)，則報(bào)警器報(bào)警的最高溫度為_(kāi)_______℃.

圖2

表1

2.2 設(shè)問(wèn)視角和學(xué)科素養(yǎng)

課標(biāo)要求：了解一些新材料的特點(diǎn)及其應(yīng)用.本題素材來(lái)源于物理教材，電路雖然簡(jiǎn)單，但思維并不簡(jiǎn)單，設(shè)問(wèn)視角的創(chuàng)新體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）巧設(shè)虛線框，要求學(xué)生判斷熱敏電阻的位置；（2）根據(jù)串聯(lián)電路電流電壓的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算；（3）將虛線框內(nèi)元件對(duì)調(diào)，考查學(xué)生是否理解“報(bào)警”的真實(shí)含義.通過(guò)以上設(shè)問(wèn)，希望學(xué)生達(dá)成以下學(xué)科素養(yǎng)：在“動(dòng)態(tài)分析”中選擇器材；在“理解題意”中進(jìn)行計(jì)算；在“器材互換”中拓展能力.

2.3 學(xué)生答題和教學(xué)建議

本題考查運(yùn)用熱敏電阻設(shè)計(jì)溫度報(bào)警器，問(wèn)題中有多個(gè)變量，溫度、電流、電阻、電壓都在改變，學(xué)生在解答本題時(shí)要緊緊抓住“8 V”這個(gè)報(bào)警條件；同時(shí)要理解熱敏電阻的位置是由報(bào)警條件決定的，題中的條件“環(huán)境溫度達(dá)到或超過(guò)40℃時(shí)開(kāi)始報(bào)警”很重要，根據(jù)這樣的條件可以理解超過(guò)40℃也要報(bào)警，而熱敏電阻阻值R隨溫度t的升高而減小，所以如果將熱敏電阻放在“1”內(nèi)，環(huán)境溫度超過(guò)40℃將不再報(bào)警，所以熱敏電阻應(yīng)該放在虛線框“2”內(nèi).另外，當(dāng)將虛線框內(nèi)兩元件對(duì)調(diào)后，根據(jù)以上分析，現(xiàn)在的報(bào)警器應(yīng)該是在溫度低于或達(dá)到10℃開(kāi)始報(bào)警，所以題目的設(shè)問(wèn)改為“報(bào)警器報(bào)警的最高溫度”，學(xué)生如果不能理解以上報(bào)警器的報(bào)警原理，是很難正確作答的.學(xué)生解題過(guò)程中錯(cuò)誤較多，說(shuō)明大多數(shù)學(xué)生對(duì)歐姆定律的綜合應(yīng)用理解有一定的困難.

3 步驟“留白”，凸顯“科學(xué)思維”

3.1 作業(yè)案例

小明利用天平、量筒、燒杯和電子秤等器材測(cè)量鹽水和鴨蛋的密度.

（1）用天平測(cè)量物體質(zhì)量時(shí)，添加砝碼過(guò)程中，_______（選填“能”或“不能”）調(diào)節(jié)平衡螺母.

（2）測(cè)量鹽水密度時(shí)，有以下4個(gè)步驟：① 向燒杯中倒入適量鹽水，測(cè)出燒杯和鹽水的總質(zhì)量；② 將燒杯中鹽水倒入量筒（燒杯內(nèi)有殘留），測(cè)出鹽水體積；③ …；④ 算出鹽水密度.為使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，步驟③的操作是________（選填“直接”或“擦干殘留鹽水后”）測(cè)量燒杯質(zhì)量.

（3）測(cè)量鴨蛋密度的步驟如圖3（甲）、（乙）、（丙）、（丁）所示：

圖3

圖中電子秤顯示的4個(gè)數(shù)據(jù)，若沒(méi)有“131.0 g”這個(gè)數(shù)據(jù)，能否求出鴨蛋的密度？要求：① 若能，請(qǐng)寫(xiě)出鴨蛋的密度值；② 若不能，請(qǐng)說(shuō)明理由.

3.2 設(shè)問(wèn)視角和學(xué)科素養(yǎng)

本題考查了天平的使用、液體密度的測(cè)量和“等效替代”測(cè)鴨蛋的密度.天平的使用有很多注意點(diǎn)，本題通過(guò)巧妙設(shè)問(wèn)“添加砝碼過(guò)程中”，將試題情境自然過(guò)渡到天平使用的測(cè)量過(guò)程中，考查學(xué)生對(duì)平衡螺母的使用.關(guān)于液體密度的測(cè)量誤差問(wèn)題，各類作業(yè)練習(xí)中多有考查，但考查的視角大多按以下方式呈現(xiàn)：測(cè)量鹽水密度時(shí)，有以下4個(gè)步驟：① 向燒杯中倒入適量鹽水，測(cè)出燒杯和鹽水的總質(zhì)量；② 將燒杯中鹽水的一部分倒入量筒，測(cè)出鹽水體積；③ 測(cè)出燒杯和剩余鹽水的質(zhì)量；④ 算出鹽水密度.這樣測(cè)量鹽水的密度結(jié)果比較準(zhǔn)確.然而，學(xué)生是否真正理解了這樣測(cè)量的好處呢？如何通過(guò)設(shè)問(wèn)視角的變化來(lái)考查這一點(diǎn)呢？本題運(yùn)用“留白”的手段，將重要的步驟“3”留白，同時(shí)增加了情境干擾，即“燒杯內(nèi)有殘留”，如果學(xué)生沒(méi)有真正理解測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因，在這樣的情境干擾下，很容易出錯(cuò).在“等效替代”測(cè)鴨蛋的密度實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)電子秤自動(dòng)顯示的4組數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了“若沒(méi)有“131.0 g”這個(gè)數(shù)據(jù)”這樣的條件，考查學(xué)生對(duì)替代思想和測(cè)量結(jié)果精確性的理解.總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)以上的設(shè)問(wèn)希望學(xué)生達(dá)成以下素養(yǎng)：在“操作過(guò)程”中能理解器材的“規(guī)范性”；在“實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)”中能領(lǐng)會(huì)結(jié)果的“精確性”；在“數(shù)據(jù)處理”中能確認(rèn)題干所提供數(shù)據(jù)的“有效性”.

3.3 學(xué)生答題和教學(xué)建議

本題運(yùn)用“干擾信息”考查學(xué)生是否真正理解如何操作才能減小實(shí)驗(yàn)的誤差.第3問(wèn)選取鴨蛋為研究對(duì)象，單獨(dú)看題目給出的每一幅圖片，展現(xiàn)的都是靜態(tài)的圖景，尤其是電子秤自動(dòng)顯示的數(shù)據(jù)，但是把所有的圖片進(jìn)行整體的審視，卻又展現(xiàn)了一個(gè)動(dòng)態(tài)的操作過(guò)程，這幅動(dòng)態(tài)的圖景展現(xiàn)的是測(cè)量密度過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，以此方式可以考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和實(shí)踐應(yīng)用能力.第（1）問(wèn)學(xué)生回答的正確率較高；學(xué)生回答第（2）問(wèn)時(shí)，由于弄不清研究對(duì)象，容易選“擦干殘留鹽水后”.第（3）問(wèn)不少學(xué)生填“不能”，不會(huì)利用圖（甲）、（乙）、（丁）的數(shù)據(jù)求出鴨蛋排開(kāi)水的體積.所以，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中分辨和強(qiáng)調(diào)每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的研究對(duì)象非常重要.

4 活動(dòng)“評(píng)價(jià)”，滲透“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”

4.1 作業(yè)案例

綜合實(shí)踐活動(dòng)中，同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)了一款可用電流表示數(shù)顯示拉力大小的測(cè)力計(jì)模型，電流表示數(shù)隨拉力的增大而增大.模型電路如圖4（甲）所示，ab為長(zhǎng)10 cm、阻值25Ω的電阻絲，其阻值與長(zhǎng)度成正比.滑片P左端固定在拉桿上，彈簧處于原長(zhǎng)時(shí)，滑片P位于a端.電源電壓恒為6 V，彈簧電阻恒為1Ω，R0為4Ω，其余部分電阻不計(jì)，電流表量程為0～0.6 A.忽略彈簧、拉桿和拉環(huán)的重力及滑片與電阻絲的摩擦.

（1）虛線框內(nèi)接線柱“1”應(yīng)與________（選填“2”或“3”）連接.

（2）閉合開(kāi)關(guān)，彈簧處于原長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，R0消耗的功率多大？

（3）彈簧的伸長(zhǎng)量L與所受拉力F之間的關(guān)系如圖4（乙）所示，則電流表示數(shù)最大時(shí)顯示的拉力多大？

圖4

（4）圖（甲）中若去掉電流表，用一只電壓表（量程0～3 V）與R0并聯(lián)，利用電壓表的示數(shù)來(lái)顯示拉力的大小，則與利用電流表相比，電壓表所能顯示的最大拉力將提升________%.

（5）在匯報(bào)交流階段，同學(xué)們對(duì)模型設(shè)計(jì)的不足提出了改進(jìn)措施.如（甲）圖的方案，從電路的安全性考慮，其他條件不變，R0的阻值應(yīng)不小于________Ω.

4.2 設(shè)問(wèn)視角和學(xué)科素養(yǎng)

本題共設(shè)計(jì)了5個(gè)小問(wèn)題，第1問(wèn)讓學(xué)生理解題意連接接線柱，學(xué)生只有根據(jù)題示信息構(gòu)建出滑動(dòng)變阻器模型，才能正確連接電路.第2問(wèn)的設(shè)計(jì)要求學(xué)生根據(jù)“原長(zhǎng)狀態(tài)”分析電路，求出相關(guān)物理量.第3問(wèn)則是要求學(xué)生能夠?qū)⒗Φ淖兓突瑒?dòng)變阻器阻值的變化及電流表讀數(shù)的變化聯(lián)系在一起考慮問(wèn)題.第4問(wèn)要求學(xué)生“換位思考”，用電壓表來(lái)代替電流表后，電路所能測(cè)量的最大拉力能有多大，實(shí)際上這類試題的解答要緊緊抓住電表的量程來(lái)思考.第5問(wèn)的設(shè)計(jì)則是新課程理念的重要體現(xiàn)，因?yàn)闊o(wú)論用電壓表還是用電流表來(lái)顯示拉力大小，都有一個(gè)量程問(wèn)題需要思考，試題用以下一句話“在匯報(bào)交流階段，同學(xué)們對(duì)模型設(shè)計(jì)的不足提出了改進(jìn)措施”來(lái)加以總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了第5個(gè)問(wèn)題“從電路的安全性考慮，其他條件不變，R0的阻值應(yīng)不小于________Ω.”可謂“畫(huà)龍點(diǎn)睛”，是作業(yè)設(shè)計(jì)中一道亮麗的風(fēng)景線.

以上設(shè)問(wèn)可以達(dá)成以下學(xué)科素養(yǎng)：一是模型的建構(gòu)意識(shí)；二是實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)意識(shí)；三是實(shí)驗(yàn)方案的安全意識(shí).

4.3 學(xué)生答題和教學(xué)建議

學(xué)生答題存在的主要問(wèn)題有以下3個(gè)方面：

在解答第（2）問(wèn)時(shí)，將R0消耗的功率求解成整個(gè)電路的功率，為1.2 W.另外部分學(xué)生認(rèn)為彈簧為原始狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)變阻器的阻值為0，電路中的總電阻為5Ω，求出R0消耗的功率為5.76 W.教師在講評(píng)作業(yè)時(shí)，可要求學(xué)生首先明確研究對(duì)象，再引導(dǎo)學(xué)生畫(huà)出工作電路的電流路徑，明確滑動(dòng)變阻器接入電路之中的阻值.

在解答第（3）問(wèn)時(shí)，不少學(xué)生不能正確求出彈簧的伸長(zhǎng)量.認(rèn)為彈簧的伸長(zhǎng)量就是滑動(dòng)變阻器接入電路中的長(zhǎng)度，錯(cuò)誤求出最大拉力為100 N.有的學(xué)生不能根據(jù)阻值與長(zhǎng)度成正比的數(shù)量關(guān)系正確求解滑動(dòng)變阻器接入電路中電阻絲的長(zhǎng)度.還有一些學(xué)生憑空寫(xiě)出電源電壓為12 V，最大電流為0.3 A的數(shù)值.教師在講評(píng)作業(yè)時(shí)，首先要強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生養(yǎng)成會(huì)看圖并用圖輔助解題的意識(shí)，其次可以讓學(xué)生在題目上圈畫(huà)關(guān)鍵詞，或者將電源電壓、定值電阻的阻值等值直接標(biāo)在電路圖上.

在解答第（4）問(wèn)時(shí)，有些同學(xué)從（乙）圖中把數(shù)值看錯(cuò)位，造成錯(cuò)誤答案為20%.在平時(shí)教學(xué)之中，選取圖像中的具體數(shù)據(jù)時(shí)，可以讓學(xué)生借助刻度尺來(lái)準(zhǔn)確找出所求的點(diǎn)并獲取正確數(shù)值.

以上本文借助4個(gè)案例從4個(gè)方面談了初中物理實(shí)驗(yàn)作業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)問(wèn)視角，實(shí)際上我們平時(shí)的教學(xué)內(nèi)容是固定的，要檢測(cè)學(xué)生是否真正理解所學(xué)的物理概念和規(guī)律，就需要作業(yè)的設(shè)計(jì)能對(duì)相同的考查內(nèi)容不斷探索新的設(shè)問(wèn)視角，只有從生活中探尋問(wèn)題情境，才能真正引導(dǎo)教學(xué)脫離“題海”，檢測(cè)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.目前，在“雙減”精神指導(dǎo)下，我們更要重視“優(yōu)化作業(yè)設(shè)計(jì)提升教學(xué)質(zhì)量”，可以說(shuō)，這項(xiàng)工作任重而道遠(yuǎn).