STEM課程理念下的中考物理試題類型探討

朱行建

(天津經濟技術開發區教育促進中心 天津 300457)

董 耀

(鎮江科技新城實驗學校 江蘇 鎮江 212000)

1 問題提出

2019年11月20日，《教育部關于加強初中學業水平考試命題工作的意見》中指出：“試題命制既要注重考查基礎知識、基本技能，還要注重考查思維過程、創新意識和分析問題、解決問題的能力.結合不同學科特點，合理設置試題結構，減少機械記憶試題和客觀性試題比例，提高探究性、開放性、綜合性試題比例，積極探索跨學科命題.”[1]

跨學科命題與國際上的 STEM課程理念一致，STEM是科學(Science)﹑技術(Technology)﹑工程(Engineering)﹑數學(Mathematics)4門學科英文首字母的縮寫.其中科學在于認識世界、解釋自然界的客觀規律；技術和工程則是在尊重自然規律的基礎上改造世界、實現與自然界的和諧共處、解決社會發展過程中遇到的難題；數學則作為技術與工程學科的基礎工具.因此，跨學科命題，不僅僅是物理和數學的結合，還應該是和工程、技術的融合.

傅騫把STEM教育應用模式分成驗證、探究、制造、創造4大類[2].劉健智認為這正是物理教學融入STEM教育的4個階段——從“驗證”的初級階段到“探究”的過渡階段，再到“制造”的高級階段，最終到“創造”的終極階段——逐步將學生從“技能型”培養成“創造型”人才.這可以認為是STEM試題的4種典型類型[3].

在2021年全國各地的中考試題中，已有很多地區的試題體現了STEM課程的理念，以下選取一些試題進行分類探討.

2 中考物理STEM試題類型分析

2.1 驗證型STEM中考物理試題

驗證型STEM中考物理試題通過明確的問題設計，考查學生對相關定律或現象的理解層次.學生需基于現象進行驗證性分析，試題一般具有典型的學科情境色彩，以考查邏輯推理能力為著力點.

【例1】(山東日照)常用的呼氣式酒精測試儀有兩種：一種是燃料電池型酒精測試儀(簡稱“電池型”)，利用酒精與電池內的化學物質發生反應產生電壓，某款“電池型”工作電路如圖1(a)，燃料電池兩端的電壓與進入電池的酒精濃度關系如圖1(b).一種是氣敏電阻型酒精測試儀(簡稱“電阻型”)，氣敏電阻的阻值隨酒精氣體濃度的變化而變化，某款“電阻型”工作電路如圖1(c)，電源電壓為9 V，R1是阻值為25 Ω的定值電阻，R2是氣敏電阻，其阻值與酒精濃度的關系如圖1(d).酒精濃度(n)表示每100 mL氣體中含有酒精的質量.請完成下列問題.

圖1 例1題圖

(1)已知R0的阻值為20 Ω.若駕駛員每100 mL呼出氣體內含有40 mg酒精，當用該款“電池型”檢測時，圖1(a)中電流表的示數為多大？

(2)用該款“電阻型”檢測時，請計算：

1)如果駕駛員沒有喝酒，電壓表的示數為多少？

2)如果電壓表示數為5 V，駕駛員呼出的氣體，每100 mL中含有酒精多少毫克？

本題中兩種酒精測試儀的設計是一個工程問題，其設計的原理運用了電路相關的科學知識.試題通過具體的設計原理圖來求解呼氣式酒精測試儀的相關數據，從而驗證呼氣式酒精測試儀的可行性.試題考查了學生分析電路，分析函數圖像，提取有用信息，歐姆定律的計算，歸納推理等多方面的綜合能力.旨在引導學生關注生產生活中的科學原理，從解題走向解決實際問題.

2.2 探究型STEM中考物理試題

探究型STEM中考物理試題，以考查學生的探究能力為著力點，要求學生能夠提出關于自然界的問題并研究自然生活中的現象，在探究的過程中，試圖讓學生對概念、原理、模型、方法等形成深入理解.

【例2】(貴州遵義)汽車工程師探究單個輪胎滾動阻力與行駛速度、輪胎氣壓、輪胎品牌的關系.根據收集到的數據，繪制了如圖2所示的圖像.

(1)工程師在探究單個輪胎滾動阻力與輪胎氣壓的關系時，應控制的變量有__________；

(2)工程師在探究單個輪胎滾動阻力與行駛速度的關系時，輪胎克服最小阻力做功的功率大小為 ______W；

(3)實踐證明，當汽車輪胎氣壓增大到一定值后，汽車的安全性會隨之降低.請綜合考慮汽車安全性，結合以上試驗數據，提出能有效減少汽車能耗的建議：__________.

本題是基于探究性問題的STEM試題，考查了常用的科學研究方法：控制變量法，圖像分析法.第2問引導學生計算輪胎克服最小阻力做功的功率，為第3問進一步提出有效減少汽車能耗的實踐性問題給出建議做好了充分的引導和鋪墊.本題提供的信息素材能夠增長學生的科學知識，了解影響汽車安全性能的相關因素，滲透生命安全教育，提高科學素養.

2.3 制造型STEM中考物理試題

制造型STEM中考物理試題注重做中學﹑用中學.一般是對已有工具的認識﹑理解﹑模仿﹑再現制作.力求通過豐富的感性經驗的積累，為理性的深刻認識奠定基礎，提升學生的操作技能.

【例3】(廣東)桿秤是從我國古代沿用至今的稱量工具，如圖3是小明制作的桿秤的示意圖，使用時，將待稱物體掛在秤鉤上，用手提起B或C(相當于支點)處的秤紐，移動秤砣在秤桿上的位置D，使秤桿達到水平平衡時可讀出待稱物體的質量，此秤最大稱量是10 kg，秤砣最遠可移至E點.秤桿和秤鉤的質量忽略不計，AB，BC，BE的長度如圖所示(g取10 N/kg)，求：

(1)提起哪處的秤紐，此秤的稱量最大？

(2)秤砣質量為多少？

(3)當提起C處秤紐稱一袋質量為2 kg的荔枝時，D與C之間的距離為多少？

圖3 例3題圖

本題杠桿的制作是一個工程技術問題，需要運用到杠桿平衡條件這個科學原理.學生利用杠桿平衡條件分析找出桿秤最大稱量值與秤紐的位置，秤砣的位置之間的數學關系，計算出CD間的距離，從而完成杠桿的制作這個技術問題.該題目將科學原理與技術相融合，能夠指導學生在生活中運用所學科學原理來解決實踐中的技術性問題，體現了STEM的理念.

2.4 創造型STEM中考物理試題

創造型STEM中考物理試題，要求學生在對不同學科知識進行綜合應用基礎上，進行拓展、重構、遷移和整合，實現對科學儀器的設計﹑改良﹑創新.該類試題關注學生在較高認知水平層次上的實踐活動，有助于學生高階思維的培養，讓高水平學生更有成就感.

【例4】(湖南衡陽)某興趣小組為檢測操場上的風力等級，設計了一臺簡易風速儀，其工作原理如圖4(a)所示.裝有擋風板和滑片P的輕質滑塊與輕質彈簧套在滑桿MN上，滑桿上的摩擦力忽略不計，彈簧左端固定，右端與滑塊相連.擋風板的擋風面積為0.2 m2，均勻電阻絲AB長為30 cm，阻值為15 Ω，電源電壓U恒為9 V，保護電阻R0為3 Ω，電壓表量程0～3 V.彈簧彈力F與彈簧長度改變量x的關系如圖4(b)所示.無風時，滑片P在A處，有風時，滑塊移動，穩定后讀出電壓表示數，計算并查閱表1數據可知風速及風級.

圖4 例4題圖

表1 風速與風壓等級劃分

(1)無風時，求通過R0的電流；

(2)為保護電路安全，求出風速儀所測最大風力等級為幾級；

(3)某日從天氣預報得知，第二天風力等級將達到五級，風速v預計為10 m/s，在原有電路元件和電路基本連接方式均不變的基礎上，電路將如何改進，在圖4(c)的虛線框內將電路補充完整.小組成員還想計算出電路改進后電壓表的示數，經查閱資料得知，該擋風板所受的風壓與風速的平方成正比，其關系式為p=kv2，(其中k為常量，數值為0.6)，假設你為該小組成員，請你計算出風速為10 m/s時，改進后的電路中電壓表的示數.

本題是以解決測量風速這一生活實際為出發點的工程問題，考查歐姆定律、彈簧形變、壓力和壓強的綜合計算，同時涉及圖像分析、電路設計.題中第3問提出風力達五級時如何改進電路，需要創新設計，既考查了學生的創造思維能力，又能啟發學生在設計中注意實際問題，使設計更加合理.

3 STEM中考物理試題的教學啟示

STEM中考物理試題注重跨學科實踐，通過創設具有探究性、開放性、綜合性的真實問題情境，引導學生綜合運用知識技能處理問題，要求學生具備很強的創新能力和實踐能力.

3.1 科學設計問題 提高學生能力水平

從驗證﹑探究再到制作和創造分別對應著學習者能力的初級階段﹑過渡階段再到高級階段和終極階段.同樣在進行STEM跨學科問題設計時，前期可以驗證性問題為主，夯實學科必備知識，在此基礎上有意識地引導學生發現問題解決問題，培養學生的探究素養，最后在模仿制作與改良創新中提高學生的技術意識﹑工程思維和動手實踐能力.

3.2 關注跨學科實踐 促進學習方式變革

STEM中考物理試題具有明顯的跨學科性特點，問題情境多與日常生活﹑工程實踐﹑社會熱點等問題密切相關.在一線的教學中要結合學科特點開發跨學科實踐案例，創設充滿挑戰﹑激發學生思考的關鍵問題，通過動手實踐提高學生參與的積極性，讓學生從“解題”向“解決問題”轉變，實現知識的遷移應用，促進學生問題解決能力和實踐創新能力的提高.