巧設(shè)設(shè)問視角 彰顯學科素養(yǎng)
——以初中物理實驗作業(yè)設(shè)計為例

許 志 李秋霞

（1.南京市教學研究室，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)計的關(guān)鍵是依據(jù)一定的情境對問題的設(shè)計.實驗是物理學科的靈魂，教師在備課設(shè)計實驗作業(yè)時，要精心設(shè)計實驗的設(shè)問視角，努力彰顯學科素養(yǎng).只有不斷探求新的設(shè)問視角，才能真正考查學生對實驗的過程和方法的理解程度.以下圍繞初中物理實驗作業(yè)的設(shè)計談?wù)勎覀兊囊恍┧伎?

1 實際“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，可以做以下實驗.

（1）透過尺子能看到清晰的刻度線，說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，這是因為________.

（3）圖1（甲）中，量角器底邊長度為____cm.

圖1

（4）用量角器的底邊將直尺支撐起來，當直尺在水平位置平衡時，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________.

1.2 設(shè)問視角和學科素養(yǎng)

本題以一組“尺子”為背景設(shè)計了以下幾個方面的問題：（1）物質(zhì)的物理屬性；（2）慣性；（3）靜電現(xiàn)象；（4）長度的測量；（5）氣體壓強和流速的關(guān)系；（6）杠桿平衡條件.值得一提的是題中第（4）問的設(shè)計很有新意，其一是對“量角器的底邊正好在直尺的中間位置”用刻度線“7”和“8”的中間來加以解釋，這樣設(shè)計是為了防止對前面第三問的答案有提示（不便提“7.5”或“7.50”），便于學生算出兩把三角尺對直尺壓力（等于它們的重力）所對應(yīng)的力臂分別是“6.5 cm”和“5.5 cm”，同時也是為學生利用杠桿平衡條件進行計算做好鋪墊.通過以上相關(guān)問題的設(shè)問，本題希望達成學生以下學科素養(yǎng)：一是能否利用學過的物理知識解釋生活中的一些簡單現(xiàn)象；二是能否運用所學的物理知識解決生活中碰到的實際問題；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 學生答題和教學建議

本題選取學生常用的文具為問題情景，通過使用文具完成一系列小實驗.考查學生基礎(chǔ)物理知識的同時，隱形考查學生運用這些物理知識解決實際問題的能力.學生答題主要問題有：第（1）問答成延展性、反光性、耐磨性、穿透性、透塑性和慣性.說明學生一是對物質(zhì)的一些物理屬性概念掌握不精準，只知道大概的意思；二是不能用物理語言描述自然現(xiàn)象，而習慣于用生活語言模糊地表達.第（2）問學生答“振動”較多，對物體慣性的概念淡薄，沒有將題設(shè)情境和慣性聯(lián)系起來；而且知識固化，不會遷移.學生往往只記憶自己熟悉的情境，不能將新情境與物理問題和已經(jīng)學過的知識聯(lián)系起來.第（3）問學生在回答中存在以下兩個問題：（a）測量的起始刻度看錯；（b）無估讀數(shù)值.第（4）問學生在回答中存在以下兩個問題：（1）對流速與壓強關(guān)系的相關(guān)知識缺失；（2）不能將題設(shè)情境與杠桿平衡條件原理聯(lián)系起來并讀取數(shù)據(jù)正確計算.建議在平時的教學中，要加強對學生基于生活情境解決實際問題能力的培養(yǎng).

2 器材“選取”，體現(xiàn)“科學探究”

2.1 作業(yè)案例

現(xiàn)有一個熱敏電阻，其阻值R隨溫度t的升高而減小，部分數(shù)據(jù)如表所示，利用它可以制作溫度報警器，其電路的一部分如圖2所示，圖中兩個虛線框內(nèi)一個接熱敏電阻，一個接定值電阻，電源電壓恒為12 V.當圖中的輸出電壓達到或超過8 V時，便觸發(fā)報警器（圖中未畫出）報警，不考慮報警器對電路的影響.要求環(huán)境溫度達到或超過40℃時開始報警，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________kΩ.若將虛線框內(nèi)兩元件對調(diào)，則報警器報警的最高溫度為________℃.

圖2

表1

2.2 設(shè)問視角和學科素養(yǎng)

課標要求：了解一些新材料的特點及其應(yīng)用.本題素材來源于物理教材，電路雖然簡單，但思維并不簡單，設(shè)問視角的創(chuàng)新體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）巧設(shè)虛線框，要求學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進行簡單運算；（3）將虛線框內(nèi)元件對調(diào)，考查學生是否理解“報警”的真實含義.通過以上設(shè)問，希望學生達成以下學科素養(yǎng)：在“動態(tài)分析”中選擇器材；在“理解題意”中進行計算；在“器材互換”中拓展能力.

2.3 學生答題和教學建議

本題考查運用熱敏電阻設(shè)計溫度報警器，問題中有多個變量，溫度、電流、電阻、電壓都在改變，學生在解答本題時要緊緊抓住“8 V”這個報警條件；同時要理解熱敏電阻的位置是由報警條件決定的，題中的條件“環(huán)境溫度達到或超過40℃時開始報警”很重要，根據(jù)這樣的條件可以理解超過40℃也要報警，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40℃將不再報警，所以熱敏電阻應(yīng)該放在虛線框“2”內(nèi).另外，當將虛線框內(nèi)兩元件對調(diào)后，根據(jù)以上分析，現(xiàn)在的報警器應(yīng)該是在溫度低于或達到10℃開始報警，所以題目的設(shè)問改為“報警器報警的最高溫度”，學生如果不能理解以上報警器的報警原理，是很難正確作答的.學生解題過程中錯誤較多，說明大多數(shù)學生對歐姆定律的綜合應(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量鹽水和鴨蛋的密度.

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

（2）測量鹽水密度時，有以下4個步驟：① 向燒杯中倒入適量鹽水，測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），測出鹽水體積；③ …；④ 算出鹽水密度.為使測量結(jié)果更準確，步驟③的操作是________（選填“直接”或“擦干殘留鹽水后”）測量燒杯質(zhì)量.

（3）測量鴨蛋密度的步驟如圖3（甲）、（乙）、（丙）、（?。┧荆?/p>

圖3

圖中電子秤顯示的4個數(shù)據(jù)，若沒有“131.0 g”這個數(shù)據(jù)，能否求出鴨蛋的密度？要求：① 若能，請寫出鴨蛋的密度值；② 若不能，請說明理由.

3.2 設(shè)問視角和學科素養(yǎng)

本題考查了天平的使用、液體密度的測量和“等效替代”測鴨蛋的密度.天平的使用有很多注意點，本題通過巧妙設(shè)問“添加砝碼過程中”，將試題情境自然過渡到天平使用的測量過程中，考查學生對平衡螺母的使用.關(guān)于液體密度的測量誤差問題，各類作業(yè)練習中多有考查，但考查的視角大多按以下方式呈現(xiàn)：測量鹽水密度時，有以下4個步驟：① 向燒杯中倒入適量鹽水，測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，測出鹽水體積；③ 測出燒杯和剩余鹽水的質(zhì)量；④ 算出鹽水密度.這樣測量鹽水的密度結(jié)果比較準確.然而，學生是否真正理解了這樣測量的好處呢？如何通過設(shè)問視角的變化來考查這一點呢？本題運用“留白”的手段，將重要的步驟“3”留白，同時增加了情境干擾，即“燒杯內(nèi)有殘留”，如果學生沒有真正理解測量誤差產(chǎn)生的原因，在這樣的情境干擾下，很容易出錯.在“等效替代”測鴨蛋的密度實驗中，通過電子秤自動顯示的4組數(shù)據(jù)，設(shè)計了“若沒有“131.0 g”這個數(shù)據(jù)”這樣的條件，考查學生對替代思想和測量結(jié)果精確性的理解.總體來說，通過以上的設(shè)問希望學生達成以下素養(yǎng)：在“操作過程”中能理解器材的“規(guī)范性”；在“實驗細節(jié)”中能領(lǐng)會結(jié)果的“精確性”；在“數(shù)據(jù)處理”中能確認題干所提供數(shù)據(jù)的“有效性”.

3.3 學生答題和教學建議

本題運用“干擾信息”考查學生是否真正理解如何操作才能減小實驗的誤差.第3問選取鴨蛋為研究對象，單獨看題目給出的每一幅圖片，展現(xiàn)的都是靜態(tài)的圖景，尤其是電子秤自動顯示的數(shù)據(jù)，但是把所有的圖片進行整體的審視，卻又展現(xiàn)了一個動態(tài)的操作過程，這幅動態(tài)的圖景展現(xiàn)的是測量密度過程中的關(guān)鍵步驟，以此方式可以考查學生的實驗探究能力和實踐應(yīng)用能力.第（1）問學生回答的正確率較高；學生回答第（2）問時，由于弄不清研究對象，容易選“擦干殘留鹽水后”.第（3）問不少學生填“不能”，不會利用圖（甲）、（乙）、（?。┑臄?shù)據(jù)求出鴨蛋排開水的體積.所以，在實驗教學中分辨和強調(diào)每次實驗過程中的研究對象非常重要.

4 活動“評價”，滲透“科學態(tài)度與責任”

4.1 作業(yè)案例

綜合實踐活動中，同學們設(shè)計了一款可用電流表示數(shù)顯示拉力大小的測力計模型，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10 cm、阻值25Ω的電阻絲，其阻值與長度成正比.滑片P左端固定在拉桿上，彈簧處于原長時，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，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）閉合開關(guān)，彈簧處于原長狀態(tài)時，R0消耗的功率多大？

（3）彈簧的伸長量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）在匯報交流階段，同學們對模型設(shè)計的不足提出了改進措施.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)問視角和學科素養(yǎng)

本題共設(shè)計了5個小問題，第1問讓學生理解題意連接接線柱，學生只有根據(jù)題示信息構(gòu)建出滑動變阻器模型，才能正確連接電路.第2問的設(shè)計要求學生根據(jù)“原長狀態(tài)”分析電路，求出相關(guān)物理量.第3問則是要求學生能夠?qū)⒗Φ淖兓突瑒幼冏杵髯柚档淖兓半娏鞅碜x數(shù)的變化聯(lián)系在一起考慮問題.第4問要求學生“換位思考”，用電壓表來代替電流表后，電路所能測量的最大拉力能有多大，實際上這類試題的解答要緊緊抓住電表的量程來思考.第5問的設(shè)計則是新課程理念的重要體現(xiàn)，因為無論用電壓表還是用電流表來顯示拉力大小，都有一個量程問題需要思考，試題用以下一句話“在匯報交流階段，同學們對模型設(shè)計的不足提出了改進措施”來加以總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了第5個問題“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“畫龍點睛”，是作業(yè)設(shè)計中一道亮麗的風景線.

以上設(shè)問可以達成以下學科素養(yǎng)：一是模型的建構(gòu)意識；二是實驗方案的改進意識；三是實驗方案的安全意識.

4.3 學生答題和教學建議

學生答題存在的主要問題有以下3個方面：

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

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

在解答第（4）問時，有些同學從（乙）圖中把數(shù)值看錯位，造成錯誤答案為20%.在平時教學之中，選取圖像中的具體數(shù)據(jù)時，可以讓學生借助刻度尺來準確找出所求的點并獲取正確數(shù)值.

以上本文借助4個案例從4個方面談了初中物理實驗作業(yè)設(shè)計的設(shè)問視角，實際上我們平時的教學內(nèi)容是固定的，要檢測學生是否真正理解所學的物理概念和規(guī)律，就需要作業(yè)的設(shè)計能對相同的考查內(nèi)容不斷探索新的設(shè)問視角，只有從生活中探尋問題情境，才能真正引導教學脫離“題?！保瑱z測學生的學科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.目前，在“雙減”精神指導下，我們更要重視“優(yōu)化作業(yè)設(shè)計提升教學質(zhì)量”，可以說，這項工作任重而道遠.