構建物理模型評價科學思維的路徑設計

許幫正

(無錫市教育科學研究院,江蘇 無錫 214001)

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式.義務教育物理課程要培養的科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新等要素.學業質量要求是:在熟悉的情境中,會用所學模型分析常見的實際問題;能對實驗或實踐活動中的信息進行歸納推理,能運用所學的物理概念、規律進行簡單的演繹推理;具有利用證據進行論證的意識;能從物理學的視角判斷信息可靠性和合理性、質疑并提出見解.物理模型是通過科學思維對物質世界的抽象描述,是指能反映事物本質特性的理想過程或假想結構,是對物理知識認知結構化的表達方式,具體表現為具有代表性特點的實體構造、運動過程、設定條件、結構系統等.在中考評價中,基于課程標準的學業要求,設計問題情境,構建物理模型,可以很好地評價學生的科學思維.下面,筆者結合2023年無錫市中考試題的設計與實測結果,提出4種路徑,供同行探討.

1 構建實體模型,引導關注生活

從生活走向物理,是義務教育物理課程的基本理念.初中物理的學習應以具體事實、鮮活案例、生活經驗和基本概念引導學生進行理性思考.中考評價中,我們可以選擇生產、生活中使用的器具,考慮其中的物理原理,對其物理特性進行過濾提純,將其焦點特征純化,構建實體模型,將器具使用的生活原型轉化為物理問題,讓學生利用模型解釋現象和解決問題,以評價學生的科學思維.

例1.(2023年無錫第11題)如圖1所示,是《天工開物》中記載的我國傳統提水工具“桔槔”,用繩子系住一根直的硬棒的O點作為支點,A端掛有重為40 N的石塊,B端掛有重為20 N的空桶,OA長為1.2 m,OB長為0.6 m．使用時,人向下拉繩放下空桶,裝滿重為100 N的水后向上拉繩緩慢將桶提起．硬棒質量忽略不計．下列說法中正確的是

圖1 桔槔圖示

(A) 向下拉繩放下空桶時桔槔為省力杠桿.

(B) 向下拉繩放下空桶時拉力為20 N.

(C) 向上拉繩提起裝滿水的桶時桔槔為費力杠桿.

(D) 向上拉繩提起裝滿水的桶時拉力為40 N.

“桔槔”為《天工開物》“水利”篇中記載的取水工具,體現了我國古人的工程智慧,它在使用過程中,呈現出不同類型的杠桿,在向下拉繩放下空桶時,為費力杠桿,向上提繩拉起裝滿水的水桶時,為省力杠桿.試題以“桔槔”提水為生活原型,構建杠桿模型,設計兩類問題,通過杠桿類型識別評價學生的模型建構能力,通過杠桿平衡條件的應用,評價演繹推理能力.其具體的物理模型、對應的課程標準中的內容要求以及所評價的科學思維如圖2所示.

圖2 “桔槔”對應的物理模型、內容要求科學思維圖

試題實際測試難度為0.55,區分度為0.69.其中選擇(A)(B)(C)(D)4個選項的比例分別為9.02%、9.68%、26.45%、54.8%,其他占0.05%.選擇選項(C)的學生因未能正確分析使用過程,模型建構出錯.

2 構建過程模型,倡導注重實踐

物理問題的探究分析,始終離不開對其運動過程或者作用過程的細致解構,過程模型由此應運而生.物理是一門以實驗為基礎的學科,實驗是典型的學科實踐方式.在中考評價中,基于日常生活,設計實驗過程,將需要研究的物理問題,包含在動態的過程之中,讓學生經歷實踐,構建過程模型.

如某段時間,流行如圖3所示的“手機放大器”,而且網絡廣告宣稱該款手機放大器具有“神奇”的功效,可以將手機屏幕秒變iPad.實際使用時卻發現通過它去觀看手機屏幕播放的視頻時會“變形”.那么這究竟是何種透鏡?它具有怎樣的光學特性?成像特點是什么?如何合理使用它?我們可以將這些問題融于具體的實驗探究中,構建認知過程模型評價科學思維.

圖3 手機放大器

例2. (2023年無錫第27題)小紅拿到一塊玻璃透鏡,仔細觀察這塊透鏡,發現一面有螺紋,一面是光滑的,她對此透鏡進行了探究．

(1) 她把該透鏡靠近書上的“實驗”二字,觀察到如圖4(甲)所示的現象,由此可以判定該透鏡是(選填“凸”或“凹”)透鏡．

圖4 透鏡觀察實驗

(2) 小紅查閱資料后了解到,用如圖4(乙)所示的三棱鏡組合可以描述該透鏡對光的作用．請在圖乙中畫出平行光入射兩個三棱鏡后出射光線的大致方向．

(3) 為探究該透鏡的成像規律,小紅將“F”光源、透鏡、光屏放置在光具座上,調整好后,固定透鏡位置,使“F”光源從距離透鏡較遠處逐漸靠近透鏡,每次都調節光屏到透鏡的距離,使“F”光源在光屏上成清晰的像,將結果記錄在表1中．則該透鏡的焦距為cm．當“F”光源位于如圖5(甲)所示位置時,光屏應適當向(選填“左”或“右”)移動,才能在光屏上得到清晰的像．

表1 數據記錄表

圖5 探究透鏡成像規律

試題源于生活中實際使用的“手機放大器”,復盤學生對透鏡的探究過程,創新透鏡的使用方式,構建了平面鏡、凸透鏡、光路等實體結構模型.圍繞課程標準中“了解光的折射現象及其特點,了解平面鏡成像時像與物的關系,了解凸透鏡對光的會聚作用,探究并了解凸透鏡成像的規律,了解凸透鏡成像規律的應用”內容要求,設計4組實驗,構建認知的過程模型,將問題包含于實驗之中,過程模型設計和科學思維的評價如圖6所示.

圖6 過程模型設計和科學思維評價

試題實際測試難度為0.57,區分度為0.63.難點是第(4)小問,需要學生依據平面鏡成像時像與物的對稱關系判斷出“F”第一次成像是在紙盒右壁面上,右壁面與凸透鏡的距離即為物距,再利用凸透鏡成像規律判斷出l范圍是“大于10 cm小于20 cm”.問題的解決過程是物理學科實踐的過程,需要學生運用物理學科的概念、思想與工具,整合認知心理過程與技能,解決真實情境中的問題.試題的命制也倡導物理的學習要在實踐中學習,在學習中實踐.

3 構建條件模型,提倡科學探究

物理學是用模型描述客觀現實的一門學科,我們的努力是不斷地修正著物質世界的模型,以期達到能客觀而真實地描述我們所看到的這個世界.物理模型不能簡單地等同于數學表達,因為物理模型的建立是有條件的.

例如,用針筒測量大氣壓強是初中物理典型的實驗探究,這里主要用到平衡力模型和壓強計算模型.要準確測量,其條件是要制造出真空且注射器活塞和注射器筒之間摩擦力大小為0,所以在學習這一節時,許多的時候我們在糾結如何排除筒內空氣,如何減小摩擦.其實,在粗略測量時,當我們把注射器活塞推至注射器筒的底端,給活塞涂上凡士林,殘留空氣和摩擦的影響是可以忽略的,也已經達成了對物理模型的正確認知,達成了教學目標.而當我們改變模型的條件時,例如,在注射器筒內封閉一定質量的氣體,創造理想氣體模型,改變氣體的體積,測出氣體的壓強隨體積的變化關系,我們就會有新的發現.

例3.(2023年無錫第29題)小華發現,壓縮一個已經充氣的氣球感到很容易,但想把它壓縮得很小卻又很困難．由此她猜想被封閉的一定質量的氣體產生的壓強與體積可能有關．為此她準備了20 mL的注射器、彈簧測力計、刻度尺、細繩等,進行探究,步驟如下:

(1) 如圖7(甲)所示,用刻度尺測出注射器刻度部分的長度為______cm,則活塞的橫截面積為______cm2．

(2) 把注射器的活塞推至注射器筒的底端,排盡筒內的空氣,然后用橡皮帽封住注射器的小孔,為了檢驗是否漏氣,不增加器材,方法是．

(3) 如圖7(乙)所示,用細繩拴住注射器活塞的頸部,使繩的另一端與彈簧測力計的掛鉤相連,彈簧測力計一端固定并水平放置,然后水平向右慢慢地拉動注射器筒,當注射器活塞開始滑動時,彈簧測力計的示數如圖7(乙)所示為______N,此時外界大氣壓的數值為______Pa．

(4) 取下橡皮帽,拉動活塞,讓活塞的底端位于注射器4 mL刻度處,用橡皮帽封住注射器的小孔,確保不漏氣,此時注射器內被封閉的氣體體積為4 mL．再按照圖7(乙)的方式操作,水平向右慢慢地拉動注射器筒,當注射器內氣體體積變為8 mL時,彈簧測力計的示數為10.0 N．繼續向右慢慢地拉動注射器筒,記下注射器內氣體體積與對應的彈簧測力計的示數,將所測數據記錄在表2中．

表2 數據記錄表

① 當注射器內氣體體積為10 mL時,彈簧測力計示數為______N．

② 當注射器內氣體體積為20 mL時,注射器內氣體壓強為______Pa．

試題的實測難度為0.63,區分度0.60.第(3)小問構建了大氣壓強的測量模型,依據測量可知外界大氣壓對活塞的壓力為20.0 N(其中也包含注射器筒和活塞間的摩擦),求解第(4)小問時,需分析出模型條件發生的變化,當注射器筒內氣體體積為8 mL時,彈簧測力計的示數為10.0 N(同樣包含注射器筒和活塞間的摩擦),說明注射器內氣體對活塞的壓力為10.0 N.同理可得,當注射器內氣體體積分別為12 mL、16 mL、20 mL時,注射器內氣體對活塞的壓力分別為6.7 N、5.0 N、4.0 N,則注射器內氣體體積和氣體對活塞的壓力的乘積為定值,從而計算推理出當注射器內氣體體積為10 mL時,彈簧測力計示數為12.0 N.試題評價了學生利用不同條件下的物理模型解決實際問題、基于數據的歸納推理和基于物理規律的演繹推理能力,在質疑中蘊含新的發現.

4 構建結構模型,促進規律運用

物理的結構模型一般依托于具體問題而生,多為從問題中脫胎而生的固定結構.在初中物理的學習中,結構模型體現了知識結構化的表達方式,如聲音中的弦樂器和管樂器等,光學中的光的反射和折射、透鏡的成像規律等,熱學中的分子動理論、原子的核式結構等,力學中的杠桿、滑輪等,電學中的串并聯電路、滑動變阻器等,電磁聯系中的磁感線、電磁感應實驗等.

物理學習,知識是基礎,問題是那么多的知識學習后如何將它結構化,形成可以遷移的能力,課程本身的設計是倡導“知行合一,學以致用”.具體教學時要堅持基于情境,問題導向,體現學為中心,注重實踐應用,用問題把所學的知識和生活的情境結構化,把知識轉化為認知結構,形成可遷移的關鍵能力.在評價時,則可以依托真實的問題情境,構建新的結構模型,在真實、復雜情境中運用所學知識解決實際問題,以評價學生的科學思維水平.

例4.(2023年無錫第30題)圖8(甲)是某型號電開水器結構簡圖,圖8(乙)是它的電路原理圖．控制進水口的浮球閥由不銹鋼浮球、繞O點轉動的金屬桿ABC、連桿CD、活塞組成．使用時,將插頭插入家庭電路的插座中,電壓為220 V．冷水自進水口進入冷水箱,再經連通管進入煮水箱.當冷水箱水位達到設定高度,浮球浮起,AB水平,連桿CD水平向右推動活塞堵住進水口,停止進水,同時開關S2閉合,S1與觸點2接通.煮水箱中的電熱管R1工作,額定煮水功率為3 300 W,水沸騰后經出水管溢入貯水箱,冷水再補充入煮水箱,冷水箱中水位下降,進水口打開進水.同時S2斷開,重復上述過程,至貯水箱中注滿水后,開關S1與觸點1接通,貯水箱中的電熱管R2工作,進行保溫,額定保溫功率為660 W.保溫時,S3同時接通,當電磁鐵線圈中的電流達到0.02 A,銜鐵P被吸起(開關斷開).當電磁鐵線圈中電流減小到0.01 A,銜鐵P被釋放(開關重新接通),使貯水箱內熱水溫度維持在90～95 ℃．R3是定值電阻,RT是熱敏電阻．其溫度與貯水箱內水溫相同,溫度每升高1 ℃,電阻減小100 Ω,電磁鐵線圈的電阻忽略不計．(c水=4.2×103J/(kg·℃),ρ水=1.0×103kg/m3,g=10 N/kg)．

圖8 電開水器結構及電路圖

(1) 該電開水器正常工作時,熔斷器上通過的最大電流為______．

(A) 3 A. (B) 12 A.

(C) 15 A. (D) 18 A.

(2) 該電開水器煮水箱電熱管R1連續正常工作1 h能產生33 L的開水,若冷水溫度為22 ℃,開水溫度為100 ℃,則煮水箱的加熱效率為多少?

(3) 冷水箱中的浮球質量為0.55 kg,金屬桿ABC質量和體積忽略不計,進水口被活塞堵住不能進水時,若浮球恰好一半體積浸在水中,連桿CD受到活塞對它水平向左的推力為30 N;若浮球全部浸沒于水中,此時連桿能夠承受活塞的水平推力為90 N,則浮球體積為______m3．貯水箱中保溫控制電路的電壓U是______V．

試題結合電開水器真實的工作過程,通過抽象、等效、假設等給出兩組結構模型:電開水器的結構簡圖和電路圖.在結構簡圖中還蘊含著一個結構模型:浮球閥.所考查的內容包括“物質”主題中的質量、密度、比熱容,“運動和相互作用”主題的浮力、杠桿,“能量”主題的電路識別、歐姆定律、電功、電功率,涉及的物理規律包括“密度公式、阿基米德原理、杠桿平衡條件、歐姆定律、電功、電功率”,水平要求包括“了解、認識、理解”.解答此題,首先需要細致閱讀、剖析情境、理清問題,理解試題給出的結構模型,分析電路工作狀態,用能量流程分析出煮水箱的加熱過程,用杠桿和浮力模型分析浮球閥工作過程,再利用物理規律進行分析計算.其中第(1)小問需要判斷出R1和R2不能同時工作.第(3)小問,結合工作過程,依據浮球閥的結構,得出2種情形下浮球所受浮力減去重力后提供的動力與活塞受到的水的推力之比相等是關鍵;計算控制電路電壓時,先分析出保溫控制電路兩種工作狀態下電阻變化量為500 Ω,再用歐姆定律列式計算.試題的實際測試難度為0.48,區分度0.51,實現對物理知識的結構化考查,在規律運用中評價學生科學思維水平.

物理學業水平考試需體現素養立意,反映學科本質,重視物理內容在真實情境中的應用,要設計便于探究和實踐的任務,要設計能展示學生思維過程的問題,創設情境—構建模型—評價思維是基本的設計路徑之一,構建實體模型,引導關注生活;構建過程模型,倡導注重實踐;構建條件模型,提倡科學探究;構建結構模型,促進規律運用.