“雙減”政策背景下物理教學(xué)更應(yīng)凸顯原始問題的模型建構(gòu)能力
——以安徽省近幾年初中學(xué)業(yè)水平考試物理學(xué)科壓軸題為例

林 軍

（合肥市包河區(qū)教育體育局教學(xué)研究室，安徽合肥 230051）

1 問題的提出

2021年7月24日，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于進一步減輕義務(wù)教育階段學(xué)生作業(yè)負擔(dān)和校外培訓(xùn)負擔(dān)的意見》，簡稱“雙減”政策.“雙減”文件要求各級教育主管部門要采取有效措施減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)負擔(dān)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生德、智、體、美、勞全面發(fā)展.其實，自從2001年新課程改革實施以來，反復(fù)強調(diào)要為學(xué)生減負，但是現(xiàn)實情況是學(xué)生的學(xué)業(yè)負擔(dān)卻越來越重，嚴重危害了學(xué)生的身心健康.這種注重“育分”“刷題”的教育“內(nèi)卷”現(xiàn)象與堅持落實立德樹人，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)嚴重相違背.要打通“育分”到“育人”的任督二脈，可以在教學(xué)過程中突出物理原始問題的教學(xué)并設(shè)法將“知識問題化、問題情境化、學(xué)習(xí)實踐化”，努力提高教學(xué)質(zhì)量與效率，助推“雙減”政策的有效落地落實.

2 原始物理問題的模型建構(gòu)法解決策略

原始物理問題是自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的典型物理現(xiàn)象和事實，是物理學(xué)知識的本源，是未被分解、簡化、抽象的，能夠直接反映最真實的物理生活情境的現(xiàn)象或問題.［1］物理原始問題是習(xí)題的上位概念，是文字描述性的物理現(xiàn)象中的問題，其作用主要體現(xiàn)在依靠學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，對問題進行抽象分析和處理，建構(gòu)科學(xué)的物理模型，有步驟地培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的科學(xué)思維能力，其兩者關(guān)系如圖1所示.下面就近幾年安徽省初中學(xué)業(yè)水平考試物理學(xué)科試題中的原始物理問題進行模型建構(gòu)教學(xué)分析，以便大家交流討論.

圖1 原始問題與模型建構(gòu)的關(guān)系

3 模型建構(gòu)在解決原始物理問題中的應(yīng)用舉例

3.1 科學(xué)探究“鉛球是鉛制成的嗎”培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的能力

問題1：上體育課時，同學(xué)們在投擲鉛球時，討論鉛球到底是什么材料制成.小明說：“鉛球就是用鉛制成的，要不然為什么叫它鉛球呢？”小強說：“不對，我仔細看過體育課使用的鉛球，它的表面很硬，像是用鐵制成的，如果是用鉛制成的會比較軟”.他們兩位誰說得對呢？請你設(shè)計實驗進行探究，來鑒別鉛球的組成材料.

絕大多數(shù)學(xué)生第一反應(yīng)就是想辦法測量鉛球的密度，然后將測得的密度值與密度表中鉛密度進行比較即可.教師追問，所需的測量工具是什么？如何進行測量？

大多數(shù)學(xué)生首先想到的是利用實驗室里的托盤天平和量筒，分別測鉛球的質(zhì)量與體積.教師再追問實驗室中的托盤天平和量筒的量程分別是多大？學(xué)生們略加思索有所頓悟，很快否定了這種測量方案.

接著經(jīng)過師生的交流討論，一致認為需要增加生活中的一些器具來完成實驗測量.例如可以利用超市里常用的電子臺秤（磅秤）來測鉛球的質(zhì)量.但是針對鉛球的體積測量學(xué)生們提出較多的想法與思路，基本上都是采用間接測量法，例如采用塑料桶、刻度尺等.教師將學(xué)生的設(shè)計方法進行分類，總結(jié)為以下兩類模型建構(gòu).

（1）用塑料桶和量筒配合測量體積；（2）將刻度尺和細線配合測量體積.

師生再對這兩種方案進行評估和分析其中的誤差大小的預(yù)判，最后進行甄選，發(fā)現(xiàn)：其中模型（1）是一個合適的方法，實現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化.物理實驗的過程設(shè)計，實質(zhì)上就是模型建構(gòu)的過程，模型建構(gòu)是科學(xué)思維的重要特征.

接下來，師生共同參與，通過密度的測量來對鉛球的組成材料進行鑒別.

（1）測量鉛球的體積.

請同學(xué)們從圖2中選出測量工具和器材來進行實驗，并追問學(xué)生用細線和刻度尺進行測量，有什么不妥嗎？是否用量筒直接測出鉛球的體積，如果不能，又有什么好的辦法？

圖2 測量鉛球密度的工具和器材

教師設(shè)置如下的“問題串”：可以選取塑料桶、量筒（量程為1000 mL）和水等器材，間接測出鉛球的體積嗎？可以直接把鉛球放入裝滿水的塑料桶里，可以測出溢出水的體積？怎樣才能減小實驗誤差？具體的實驗操作步驟又是什么？通過一系列問題引領(lǐng)，任務(wù)驅(qū)動引導(dǎo)學(xué)生有步驟地開展實驗探究來測量鉛球的體積.

（2）測量鉛球的質(zhì)量.

選取量程較大的電子臺秤，正確測量出鉛球的質(zhì)量.

（3）計算出鉛球的密度.

根據(jù)密度的定義式ρ＝算出學(xué)生鉛球的密度，與教材中密度表上的數(shù)值進行對比，密度明顯小于鉛的密度，說明學(xué)生鉛球不是鉛制作的.

正如楊振寧教授所說：物理學(xué)最重要的部分一定是與現(xiàn)象有關(guān)的，絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源.而原始物理問題恰是一種與物理現(xiàn)象對應(yīng)的具備可操作性的物理教育方式.由原始問題開始，逐步找出其中的物理本質(zhì)，建構(gòu)模型后對相應(yīng)的物理量進行賦值，計算和推理得出結(jié)論，讓學(xué)生嘗試原始問題的解決路徑，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng).［2］

3.2 實測“家用電器實際功率的大小”，強化學(xué)生物理建模思想和意識

問題2：“在家庭照明電路里，為什么在傍晚用電高峰時段打開電燈，電燈通常會顯得較暗，而深夜時打開同一盞電燈，為何又顯得很亮呢？”

這是一道典型的只有文字描述的物理原始問題，要想引導(dǎo)學(xué)生正確解答.只有從試題閱讀中找到教材中的關(guān)聯(lián)知識，抽絲剝繭出已知量和未知量之間的聯(lián)系，從問題的本質(zhì)中創(chuàng)設(shè)問題情境，在情境中建構(gòu)家庭電路物理模型，通過實驗探究，表格模型等一系列分析，得出結(jié)論和反思評價.

針對這類型題目，本質(zhì)上是考查用電器的“實際功率”的相關(guān)問題，這里面沒有家庭電路模型，更沒有用電器的銘牌參數(shù)和相關(guān)數(shù)值，用簡單的語言描述把其中的物理道理闡述清楚是比較困難的.因此，我首先想到引導(dǎo)學(xué)生在分步拆解問題中抽象出物理量并建立物理模型展開交流討論，為此設(shè)置了如下的教學(xué)問題和教學(xué)思路.

（1）你會建立家庭電路模型嗎？（家庭電路電壓是220 V，超過人體的安全電壓，對學(xué)生人身安全有危險，而且不宜在實驗室里分組實驗，可以用小燈泡的電路模型來代替）

（2）在輸送電壓不變的情況下，用電高峰期和低谷期燈泡亮度不一樣的原因是什么？（主要原因是輸電導(dǎo)線本身存在電阻，用電高峰和低谷時輸電導(dǎo)線上流過的電流不同，輸電導(dǎo)線上所分的電壓大小也不同，導(dǎo)致家用電器（燈泡）實際電壓發(fā)生變化造成的）

（3）同一盞燈泡的亮暗，其實際電壓與實際功率有何關(guān)系？（用電器實際電壓越低，實際功率越小，燈泡越暗，反之亦然，說明傍晚用電高峰期家庭電路中實際電壓應(yīng)該低于深夜時的實際電壓，這是導(dǎo)致出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根本原因）

（4）如何去賦值、推導(dǎo)和演算？（用學(xué)生電源、燈泡、電流表、電壓表等模擬家庭電路，建構(gòu)表格模型，計算實際功率后推演，得出結(jié)論并反思評價）

基于以上的教學(xué)思路，教師引導(dǎo)學(xué)生選擇實驗器材，然后連接實物電路，開展實驗探究活動.

學(xué)生們經(jīng)過交流討論，很快大多數(shù)學(xué)生就選擇了電流表測實際電流、電壓表測實際電壓、若干個標有“2.5 V、0.3 A”的小燈泡、若干根導(dǎo)線、學(xué)生電源和滑動變阻器進行實驗探究.

教師首先展示“家庭電路模型”的實物電路圖（如圖3所示），并利用學(xué)生電源（電壓6 V）來模擬家庭電路的進戶線；利用串聯(lián)在干路上的定值電阻R線（用滑動變阻器代替，接入電路部分阻值約5Ω）來模擬長途輸電線；利用6 只小燈泡且由開關(guān)各自控制的并聯(lián)電路模擬家庭電路中的用電器.

圖3 家庭電路實物模型

接著，教師引導(dǎo)學(xué)生畫出“家庭電路”實物模型的電路圖［如圖4（甲）所示］，并利用等效法進行點撥：將6個同型號的小燈泡并聯(lián)電路看成一個整體，等效成一個電阻為R總.那么，整個模擬電路可以看成長途輸電線R線和家庭總負載R總相串聯(lián)的簡單電路［如圖4（乙）所示］.

圖4 家庭電路實物模型的電路圖

在一切準備就緒的情況下，師生共同開展實驗探究，依次改變電路中測量用電器連接數(shù)目的多少，通過記錄數(shù)據(jù)，計算出每一盞燈泡的實際功率的變化，得出正確的實驗結(jié)論.

（1）只閉合開關(guān)S，電流表示數(shù)為0，電壓表示數(shù)為6 V，再依次閉合S1、S2、…S6，分別讀出各自對應(yīng)的電流表和對應(yīng)的電壓表示數(shù)（如表1所示）.（2）根據(jù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式R＝計算出各自對應(yīng)“家庭電路”中所有用電器的總電阻R總，再利用P＝UI算出各種情況下電路中對應(yīng)的每一盞燈泡的實際功率P實.

表1 依次閉合開關(guān)時電流表和電壓表的示數(shù)以及電阻和實際功率數(shù)據(jù)

至此，我們可以得出結(jié)論并分析評估，由于并聯(lián)導(dǎo)體（小燈泡）的電阻隨著并聯(lián)導(dǎo)體數(shù)目的增加其電阻會越小的道理，發(fā)現(xiàn)家庭電路內(nèi)部的總電阻隨著工作的用電器數(shù)目的增加而減小，家庭電路內(nèi)部的實際電壓是減小的，每一盞燈泡上的電流也是減小的（忽略燈泡電阻隨溫度的變化而變化因素），家庭電路總電流在增大.當6只燈泡同時接通時，長途輸電線的電壓由U＝IR得出，輸電線上分得電壓是最大的，家庭電路內(nèi)部分得電壓最小.

由遷移理論可知，在實際生活中，當傍晚時分，通常家庭電路中用電器都處于工作狀態(tài)，每家每戶的進戶線電流達到最大值，長途輸電線上的電流也是迅速增大，而變壓器輸出總電壓不變，輸電線分得電壓會劇增，導(dǎo)致家庭電路的電壓明顯低于額定電壓220 V，家用電器實際功率低于額定功率也就不足為奇；反之，深夜時刻，家用電器使用數(shù)量銳減，家用電器上的實際電壓偏高，家用電器實際功率高于額定功率.我們在具體的情境設(shè)置中巧妙構(gòu)建適當模型進行深入分析，終于弄懂“傍晚時燈泡較暗，深夜時燈泡較亮”的物理道理.可能有人會說用定值電阻來模擬家庭電路，筆者感覺不妥，用小燈泡來實驗就是方便學(xué)生在探究過程中能“可視化”燈泡亮度變化的整個過程，實驗效果直觀，現(xiàn)象明顯且有很強的視覺沖擊力.通過實例進一步說明了物理模型建構(gòu)的過程就是在研究物理問題的時候要突出研究對象的主要因素，忽略次要因素的高階思維過程，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的重要路徑.［3］

3.3 應(yīng)用“杠桿的平衡條件解決實際問題”，促進學(xué)生物理建模能力的提升

問題3：（1）如圖5（甲）所示，一質(zhì)量分布均勻的細直杠桿（忽略厚度和寬度，長度不可忽略）用細線將其從中點懸起，能在水平位置平衡.將它繞懸點在豎直面內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)過一定角度后放手［如圖5（乙）］，請作出該杠桿支點兩邊所受動力和阻力并作出其力臂，且利用杠桿平衡條件推導(dǎo)證明在該位置杠桿仍能平衡.

（2）如圖5（丙）所示，一質(zhì)量分布均勻的長方形木板（忽略厚度，長度和寬度都不可忽略）仍然從木板的中點懸掛起來，按照（1）中的要求緩慢轉(zhuǎn)過一定角度［如圖5（丁）］放手后，長方形木板還能在該位置平衡嗎？寫出判斷的依據(jù).

圖5

這是一道典型的原始物理問題，整個過程中只有描述物理現(xiàn)象的語言，物理原理和物理量相關(guān)內(nèi)容只字未提，該題是在抽象出杠桿平衡條件的基礎(chǔ)上重點考查學(xué)生的杠桿模型建構(gòu)能力，要求學(xué)生能夠整合關(guān)聯(lián)知識，應(yīng)用物理原理進行賦值推演，得出結(jié)論，來解決實際問題.學(xué)生分析可得第（1）題中忽略杠桿的厚度和寬度次要因素，只考慮杠桿的長度因素，由于其質(zhì)量均勻，我們從支點處將杠桿分為等長的兩部分，兩部分重心到支點的長度相等，重力方向與水平杠桿垂直，兩邊的力臂就等于重心到支點的長度，圖5（甲）中有OA＝OA′，再根據(jù)杠桿平衡條件得G·OA＝G·OA′，杠桿滿足平衡條件；再將杠桿緩慢轉(zhuǎn)過一定角度后，在圖5（乙）中分別畫出杠桿左右部分受到的重力的示意圖和力臂的大小，由圖5（乙）知在AOB和A′OB′中，因為OA＝OA′，∠AOB＝∠A′OB′，AB⊥OB，A′B′⊥OB′，由三角形全等條件可以得出△AOB≌△A′OB′，則有OB＝OB′.這時也有G·OB＝G·OB′，因此此時杠桿仍然可以保持平衡.

在第（2）題中忽略厚度，但長度和寬度都不可忽略，我們可以建立平面杠桿模型.由于長方形木板是對稱圖形，對于圖5（丙）圖中有L1＝L2，則根據(jù)杠桿平衡條件有G·L1＝G·L2；將杠桿緩慢轉(zhuǎn)過一定角度后，此時杠桿兩邊重力的力臂發(fā)生了變化［如圖5（丁）所示］，杠桿左邊的力臂為OB一定小于木板中心O′到左邊部分重力作用點A的距離O′A，即OB＜O′A；同理發(fā)現(xiàn)，在直角三角形OO′A′中，木板中心O′到其右邊部分杠桿重力的作用點A′的距離O′A′小于杠桿右邊部分重力的力臂OB′，即O′A′＜OB′，又有O′A＝O′A′，即OB＜OB′，則有G·OB＜G·OB′.此時，放手后的杠桿不能保持平衡，故仍會回轉(zhuǎn)到放手前的水平位置才能保持平衡狀態(tài).

當然，第（2）題也可以運用二力平衡模型進行推理判斷，由于質(zhì)量均勻的木板的重心在其幾何重心O′（長方形對角線的交點），顯然在水平位置時木板受到的重力和繩子向上的拉力滿足二力平衡條件，木板能保持水平平衡.當用力使木板緩慢轉(zhuǎn)過一定角度后，木板受到的繩子拉力和重力的作用線“不共線”了［如圖5（戊）］，不滿足二力平衡條件而成為一對非平衡力，故木板一定會發(fā)生轉(zhuǎn)動而不能保持平衡狀態(tài).同理，第（1）題中的杠桿忽略了厚度和寬度而只考慮其長度，所以無論杠桿是否繞支點發(fā)生轉(zhuǎn)動，其重心始終位于支點的正下方，杠桿仍然受到豎直向上的繩子拉力和豎直向下的重力作用，二力始終“共線”且滿足二力平衡的條件，故杠桿仍能保持平衡狀態(tài).

4 結(jié)語

國家實施“雙減”政策，實際上是為了重建良好的教育生態(tài)，回歸學(xué)校教育應(yīng)有的狀態(tài)與功能，也是對過去“知識核心時代”以紙筆式傳統(tǒng)習(xí)題低檔次、重復(fù)式、機械性訓(xùn)練行為的一種糾偏.在聚焦“核心素養(yǎng)”時代的原始物理問題教學(xué)過程中，要注重將“物理知識問題化、物理問題情境化、問題情境生活化”；要凸顯培養(yǎng)物理模型建構(gòu)的能力；要樹立正確的學(xué)業(yè)評價質(zhì)量觀；要注重從自然現(xiàn)象中抽象出物理原始問題并對其進行分析推理論證，發(fā)現(xiàn)物理問題的隱性本質(zhì).