基于情境的探究性試題命制思路和教學啟示
——以“熱水器防電墻的設計”為例

王亞峰 吉臨榮

(1. 無錫市濱湖區教育研究發展中心,江蘇 無錫 214073; 2. 無錫經開區教師發展中心,江蘇 無錫 214125)

所謂基于情境的探究性試題,是指以生活實踐或學習探究過程中的真實問題為載體,以學業質量為標準,在學生解決真實問題的過程中,應用所學知識、方法和素養的同時建構新知識,從而解決實際問題的一類試題.它主要考查學生基于情境的“問題解決能力”和“創造能力”,[1]是評價“素養為綱”的重要題型,具有情境化、探究性、開放性、綜合性等特點.基于情境的探究性試題的命制,不但是物理工作者的必備技能,更能啟發課堂教學改革的實施.

1 情境化探究性試題的命制思路

基于情境的探究性試題命制思路如圖1所示.

圖1 探究性試題命制思路圖

選取恰當的命題情境,在“素養立意”的指導下,依據新課標的內容要求,確定適切的評價目標;結合多維的立體情境,指向評價目標,梳理合理的條件路徑,過程凸顯探究性;生成優化的評價形式,體現試題的綜合性和開放性;最后形成等級化評分標準.本文以“熱水器的防電墻技術”為例,闡述命制過程.

1.1 選取恰當的命題情境

命題情境一般分為生活實踐情境和學習探究情境.[2]生活實踐情境主要是與日常生活、社會實踐密切相關的內容,包括自然現象、生產生活中的物理問題、前沿科技.學習探究情境主要是學生建構物理概念、探究物理規律的過程,包括物理學史、教材素材以及實驗探究等.情境選擇應遵循4個原則.一是真實性,讓學生解釋真現象,解決真問題;二是科學性,量值條件等要準確可靠;三是公平性,背景材料學生都要熟悉;[3]四是正導向,具有育人功能,盡量避免戰爭、瘟疫等.

本文選擇的“熱水器的防電墻技術”屬于生活實踐情境,是家庭生活中利用電能給水加熱的設備,所在地區的學生都使用或見過.由于家用洗澡水不是純凈水,能夠導電,當電路老化時有觸電危險;如果在電熱水器內部安裝一個永久性大電阻,就能減小異常情況下通過人體的電流,確保人體安全,如圖2所示.這是生活中存在且需要解決的真實問題,作為命題情境較恰當.

圖2 熱水器防電墻示意圖

1.2 確定適切的評價目標

新課標明確:“學業質量標準以核心素養為主要維度”“考試命題要堅持素養立意,全面考查學生的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任”.[4]生活中的真實情境是立體的,評價的方向也是多元的,基于課程內容和發散思考,評價角度如表1.

表1 基于情境的評價目標

“熱水器的防電墻技術”既可評價電學內容,又可評價熱學內容,涉及的電學內容較多,包含初中物理的核心概念(理解層次)——歐姆定律、串聯電路的模型建構、電阻概念等.經反復商討,試題的探究性定位于基于數據推理,定量得出影響電阻大小的因素,并應用建構的新概念解決生活中防電墻的規格設計.

1.3 梳理合理的條件路徑

試題的條件路徑包括實物條件、量值條件和關系條件.實物條件即情境本身;量值條件是以物理量和數字的形式給出實物條件的數值;關系條件主要說明實物條件系統中各物理量的特點或物理量之間的關系,可以是定性的語言,也可以是圖表或表達式等.

實物條件和量值條件往往是固定的,進階的關系條件可評價學生高階素養.根據評價的目標,結合真實情境,可以借助學生必做實驗“用電流表和電壓表測量電阻”,引導學生測量防電墻中不同型號的水電阻大小,從實驗數據分析選用防電墻型號,其條件路徑如表2.

表2 基于情境的條件路徑

題干設計如下:

如圖3是某品牌貯水式電熱水器內部結構示意圖,內膽水箱容積為60 L.當電加熱管絕緣層老化破損時,洗澡水流就會將220 V電壓加在內膽、防電墻、人體與大地之間,形成通路,內膽、大地電阻忽略不計.防電墻內部結構示意圖如圖4所示,流經其中的水必須沿著內部隔片螺旋流動,內部細長的水流就相當于一個大電阻,限制通過人體的電流,保障洗浴者安全.

圖3 電熱水器內部結構圖

圖4 防電墻內部結構圖

1.4 生成優化的評價形式

情境化探究性試題的評價形式是選擇、填空、計算和簡答等常規題型的組合,體現其綜合性和開放性的特征.[5]

為了評價學生對防電墻的結構原理、電路模型等認識,宜采用選擇題形式,增大考查內容的覆蓋面,評價學生閱讀理解、提取信息、推理判斷等能力.設問如下:

(1) 關于“防電墻”,下列說法中錯誤的是

(A) 為了能限制通過人體的電流大小,防電墻應該與人體串聯.

(B) 制作防電墻內部“隔片”的材料是絕緣體.

(C) 防電墻工作時,屬于用電器,將電能轉化為機械能.

(D) 防電墻的防電原理主要是通過增加導體的長度,從而增加電阻.

為了評價物理觀念(核心概念——歐姆定律及應用)、科學思維、科學探究等維度,宜采用閱讀理解、實驗探究、應用實踐等綜合性形式,評價學生多維度核心素養.設問如下:

(2) 為了進一步探究防電墻作用,小明用如圖5所示電路測量不同型號的防電墻電阻Rx.圖中電源電壓36 V,為電流表,R0為滑動變阻器,Rx為粗細均勻的玻璃管,其左右兩端為導電活塞(活塞電阻可忽略不計),右端活塞固定,左端活塞可以自由移動,改變玻璃管內防電墻水柱長度L,玻璃管側壁連有一個閥門K,可以按需調節管內水量.現將該品牌電熱水器內的水裝入玻璃管中做成“防電墻”,測得電阻大小.換用不同橫截面積S的玻璃管再次實驗,數據如表3.

表3 科學探究獲得的不同規格“防電墻”的電阻大小

圖5 電路示意圖

小明測出該品牌電熱水器防電墻中螺旋水柱的橫截面積為0.6 cm2,若洗澡時人體電阻為2000 Ω,為了保證通過人體的電流不大于5 mA,則

① 若環境溫度20 ℃,設置的內膽水溫為60 ℃,水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃),當內膽中裝滿水時,水被加熱到設定溫度時至少需要吸收多少熱量?

② 根據實驗數據可知,小明實驗時所選擇的電流表量程是

(A) 100 mA. (B) 10 mA. (C) 1 mA.

③ 該品牌電熱水器防電墻中螺旋水柱的總長度L不小于cm?

為評價學生對防電墻設計的評價和建議,宜采用簡答題形式,評價學生思維的開放性和創新性.設問如下:

(3) 從結構和原理角度,評價防電墻設計的優劣或提出進一步優化措施.

1.5 形成等級化評分標準

一道試題命制,應包括評分標準的設計.對于選擇、填空、計算等設問,評分標準一般統一;而對于簡答題,評分標準一般具有開放性,可用等級化評分標準來評價.本題的參考標準及解析如下.

(1) 評分標準:(C).

解析:從題干信息的提取,可以判斷(A)(B)(D)正確; 防電墻在電路中相當于用電器,工作時將電能轉化為內能,不是機械能,所以(C)錯誤.

(2) 評分標準:1.008×107J; (B); 21 cm.

解析:① 由Q吸=cm(t-t0)代入數據得

Q吸=1.008×107J.

② 電路中

所以,電流表量程應選(B).

圖6 串聯電路模型

U2=I2R2=5×10-3A×2000 Ω=10 V.

(1)

(2)

由式(1)(2)得,防電墻螺旋水柱長度L=21 cm.

在設計防電墻這一真實情境中,需要求出螺旋水柱長度L,這是一個全新的真問題,無已學公式可用.但學生運用已有的科學探究能力,發現表格中數據的規律,再應用規律解決問題,指向學生科學思維能力的評價.

(3) 等級化的評分標準(如表4).

表4 等級化的評分標準

解析:設計等級化評分標準(見表4),評價學生核心素養所達成維度的廣度和深度.若學生的回答沒有指向性,得0分;若學生僅從設計優良、材料獲取等物理觀念、科學探究維度回答,得1分;若學生在水平2的基礎上,還能從節約能源、安全意識等科學思維、科學態度與責任維度質疑創新并提出改進或建議,得2分.

2 對物理教學的啟示

基于情境的探究性試題要求學生對真實情境進行觀察、分析、歸納、遷移、推理等環節,去解決真實情境下的問題.試題體現了物理學科“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念,能夠讓學生經歷“問題探究和解決”的全過程,在應用知識的同時,提高解決問題的能力.考試評價的方向引導了一線物理課堂需要落實基于真實情境的主題教學.

2.1 指向核心素養的目標設計

課堂教學目標應該是立體的.不僅包括科學內容,還包括科學探究和科學思維.其中內容是課堂學習的載體,探究是路徑,思維是指向.課堂教學目標是在大單元的基礎上,結合課堂內容,依據進階型原則,從學生學習的角度,規范地闡述學生需要認識的事實,需要經歷的探究過程,需要學會的解決問題能力.

2.2 基于主題情境的內容設計

課堂教學設計應以生活生產、社會發展以及科技進步等內容為主題情境,[6]引領教學設計模塊.各模塊圍繞情境、相互關聯、逐步進階,指向教學目標的完成,落實“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念.

2.3 追求深度理解的教學過程

基于情境,指向目標,教學過程強調學生深度理解的發生.圍繞情境、分析問題、解決問題、落實探究是驅動學生深度理解的有效路徑.

探究過程,注重問題鏈的設計,凸顯科學探究的過程.從主題情境到問題的提出、證據的獲取、過程的設計、結論的總結、解釋以及交流評估,都指向能力和思維的培養.

2.4 指向問題解決的教學評價

課堂教學評價是貫穿課堂教學始終的.評價不僅是知識的應用、現象的解釋,更是指向真實問題的解決,對實踐的改進和創新.讓課堂教學的過程從“解題”向“解決問題”方向轉變,讓課堂教學的目標從“知識的掌握”向“素養的培養”方向調整.

基于情境的學習過程設計和評價方向引領,是落實學科育人、新教學體系建構的有效途徑.