利用图像法考查学生科学解释数据能力的试题命制

肖永琴

摘 要：基于PISA 2015科学素养评估框架和义务教育物理课程标准对学生科学探究能力的要求，指出提升学生科学地解释数据的能力是培育学生科学素养的三种能力之一，以五种类型的图像问题试题的命制研究为例，阐明了试题评价、学科教学与学生核心素养发展之间的关系。

关键詞：图像法；解释数据能力；中考物理；试题命制

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）5-0008-4

PISA 2015科学素养评估框架提出学生应具有的科学素养需要三种能力，其中之一是科学地解释数据和证据，即能分析并评估以各种形式呈现的数据、标准、参数和论点，并得出合理的科学结论。义务教育课程标准在“知识与技能”“过程与方法”的目标中对实验结果描述和信息处理提出了一些明确要求。图像法作为物理研究中处理数据很重要的方法，也是初高中衔接教学重要的方式，在物理研究和教学中发挥了重要作用。笔者曾主持福建省基础教育课程改革课题“中考试题对‘过程与方法目标考查的实践研究”，总结了命制图像类试题的五种类型。下面结合笔者亲历多年的中考命题经验，以福州市中考物理和市质检原创试题命制为例，阐述依据课程标准要求，如何利用图像法考查学生处理数据的能力，培养学生运用数学工具解决物理问题的能力，落实学生核心素养的培养。

1 认识图像的能力

1.1 命题思路

此类试题主要针对课程标准要求中的“会用简单图表等描述实验结果，对信息的有效性、客观性做出判断的意识”。试题的切入点在于会识别图像，从中获取信息并做出基本的判断，此类试题也属于图像问题的基本要求。

1.2 典型试题命制

（1）能读懂图像获取相关信息

例1 如图1所示是某物质凝固时温度随时间变化的图像，由图像可知该物质（ ）

A.是非晶体 B.在AB段处于固态

C.在BC段放热，温度不变

D.凝固过程持续了5 min

（2）会根据图像判断物理量之间的关系

例2 电动车在匀速直线上坡的过程中，各物理量随时间的变化关系如下图所示，其中正确的是（ ）

命题溯源：我们在教学时发现，学生对图像的“点”“线”“斜率”“面”等方面体现的物理意义不是很清晰，导致对物理过程的理解也很混乱，故图像识别分析也是中考常考的问题。如在温度随时间变化的图像中，学生对于“点”对应的是物质的状态、“拐点”是不同状态的分界点、“线段”表示的是某一物态变化过程的理解不够，还经常将加热时间与熔化、凝固过程的时间混淆。所以，我们经常针对学生对图像理解的易错点进行选项设置，让他们学会分析图像，获取正确的信息并做出判断，对物理量之间关系的描述更加清晰。

在教学时应引导学生理解：物理图像上的一个“点”对应一个物理状态，包含着该物理状态的特征和特性；“拐点”通常反映出物理过程在该点发生突变；图像斜率代表两个物理量之比值，其大小往往代表另一物理量的值；“线段”表示的是某一状态变化的过程，图线的变化规律反映了横纵坐标表示的两物理量之间的变化关系；“面”指图线与横纵坐标所围面积表示的物理意义，其大小常代表另一物理量的大小。通过对图像的深刻理解突出了物理的本质，加深了对物理规律的理解，也为高中物理教学打下坚实的基础。

2 根据实验数据进行归纳概括的能力

2.1 命题思路

此类试题主要针对课程标准要求中的“经历从信息中分析、归纳规律的过程，尝试解释根据调查或实验数据得出的结论，有初步的分析概括能力”。试题的切入点主要是为了揭示物理规律，引导学生把实验数据对应地描在图像中，根据图像所反映的数学关系进行分析、归纳，得到物理量之间的内在规律，从而得出结论。

2.2 典型试题命制：根据实验数据作图，并分析得出结论

例3 小佳同学利用运动鞋进一步探究“滑动摩擦力与压力大小的定量关系”。

（1）如图2所示，他用弹簧测力计水平拉着运动鞋在水平桌面上做匀速直线运动，其目的是______________________________________________________；此时弹簧测力计的示数为_________________N。

（2）再往鞋子里添加砝码并均匀摆放，改变的是鞋对桌面的_________________，重复上述实验步骤进行多次实验，并将实验数据记录在表1中。

（3）请根据实验数据在图3中作出运动鞋受到的滑动摩擦力与压力大小关系的图像。

（4）分析图像可得结论：_________________________。

命题溯源：本题是在课本要求探究滑动摩擦力与什么因素有关的定性实验基础上，利用运动鞋进一步探究滑动摩擦力与压力大小的定量关系。在第（1）问考查了二力平衡条件、力和运动的关系、弹簧测力计的使用，让学生理解实验的原理和转换的思想；第（2）问考查了学生对控制变量法的实质性理解，知道实验为什么要这么做；第（3）（4）问要求利用图像法处理实验数据，作出滑动摩擦力与压力大小关系的图像，分析画出的图像从而归纳得出滑动摩擦力与压力大小成正比的定量关系。在考查学生数据处理、分析论证的能力，灵活应用控制变量法、转换法进行探究的同时，还注重了初高中物理知识衔接的问题，实现了探究能力和方法的迁移。试题既源于教材，又高于教材。

3 数据描述的互译能力

3.1 命题思路

此类试题主要针对数据描述方式的深刻理解，命制切入点在根据实验数据所描述的实验结果的不同方式，在文字表达、表格、图像、数学表达式之间进行转换。

3.2 典型试题命制

例4-1 小杨为了探究电阻大小与导体长度的关系，选择了材料和横截面积都相同、而长度不同的一些金属丝，实验数据记录如表2所示。

请根据实验数据在图4中作出R-L图像，分析图像可得结论：______________________________。

例4-2 小杨为了探究电阻大小与导体长度的关系，选择了材料和横截面积都相同、而长度不同的一些金属丝，实验数据记录如表3所示。请分析数据归纳出电阻大小与长度的关系式是R=_______________________。

例4-3 小杨为了探究电阻大小与导体长度的关系，选择了材料和横截面积都相同、而长度不同的一些金属丝，根据实验数据绘出的R-L图像如图5所示。分析图像可知电阻大小与长度的关系式是R=____________________。（填序号）

A.（7 Ω/m）L B.（7 m/Ω）L

C.7 Ω/（m L） D.7（m /ΩL）

命题溯源：上述三题是我们在2017年福州初三质检试题命制过程中，对数据处理能力考查的三种考虑，旨在考查学生对数据描述的互译能力。例4-1要求根据表格的实验数据作出R-L图像，分析图像得出结论，再进行文字表述，即在表格、图像、文字表达三种方式中互相转换；例4-2要求分析表格数据的变化规律，归纳出R与L之间的数学关系，再写出关系式，侧重在表格和数学表达式之间互译；例4-3侧重考查图像和数学表达式之间的互译能力。第一种考法我们以前命制的较多，且本卷已有一个表格问题，考虑到第二种考法对学生的思维能力要求较高，单位量纲容易混乱，考虑到目前的一线教学暂未跟上，故最后采用了第三种考法，并用选择的方式降低单位量纲对试题难度的影响，重点突出了图像与函数关系的对应转换。

4 利用图像表述物理过程的变化的能力

4.1 命题思路

此类试题主要针对物理过程变化的描述，让学生理解应用图像法可以直观、形象地描述出物理过程变化的动态规律，加深对物理过程的理解。

4.2 典型试题命制

例5 如圖6所示的电路，电源电压3 V保持不变。闭合开关S，调节滑动变阻器的滑片，选项中反映电路消耗的总功率P随电流I变化的关系图像是（ ）

命题溯源：这是一个经典的串联电路动态电路分析问题，我们在选项中设置了不同研究对象的P与I之间的对应关系。要求学生应用欧姆定律和串联电路的特点，先分析由于滑动变阻器滑片移动后造成电路中电流、电压的变化情况，弄清物理过程，然后再对照图像，找到总功率P与I之间的对应关系，一旦真正理解物理过程的变化后，自然也就明白C选项对应的是R1的P-I关系图像，D选项对应的是R2的P-I关系图像，这也是对应用数学工具解决物理问题能力的进一步提升，也为试题的评讲和学生后续的能力训练留出了更大的空间。

5 从图像中获取有用信息，解决实际问题的能力

5.1 命题思路

此类试题主要考查学生是否能读懂每个点、线的物理意义，学会从图像中获取有用的信息，进行比较、计算，从而解决实际问题。考查的题型灵活，可以是填空、选择、实验探究题，也可以是计算题。

5.2 典型试题命制

例6 甲和乙两灯的额定电压均为6 V，如图7是甲、乙两灯的电流随其两端电压变化的曲线。现将两灯串联后接在某一电路中，要使其中一个灯泡正常发光，并保证电路安全，电路的工作电流应为______________A，电源电压为_______V。

命题溯源：这是一道较复杂、对学生能力要求较高的试题。题设数据只给出了两灯额定电压均为6 V，没有常规的其他数据，考生需通过对两个小灯泡的 I-U 图像深入分析，从而获取有用的数据。题设告知两灯串联后接在某一电路中，要使其中一个灯泡正常发光说明灯两端电压为6 V，从图像可以看出，此种情况通过甲灯电流为1.0 A，乙灯电流为0.5 A，因为两灯串联，还要保证电路安全，就要满足小电流的条件，因此，电路的工作电流只能为0.5 A，即乙灯正常工作；而对甲灯来说，分析图像可知，当电流为0.5 A时，甲灯两端的电压为2 V，因此，电源电压为8 V。此题要求学生灵活应用欧姆定律、串联电路的电流特点、灯泡电阻的变化，同时考虑电路安全问题进行分析和计算，考查了学生思维的灵活性、全面性，有机地融合了物理知识与方法，有利于培养学生问题解决的能力。

从以上试题命制实例可以看到，一些看似复杂的物理问题，应用图像法进行分析和研究，可使问题变得简明、形象、直观，往往能达到事半功倍的效果。物理图像包含的物理意义是多方面的，图像法除了可以直观地描述物理量之间的关系、形象地表达物理规律、描述物理过程、简化实验分析和处理实验数据外，还可以恰当地表示用语言难以表达的内涵，作为物理中重要的研究方法，教师在教学中应该给予重视，并充分发挥其在培育学生核心素养过程中的作用。