基于选考试题分析下开放式问题的策略研究

□章慧雄 陆 晖

（浙江省龙游中学，浙江龙游 324403）

新高考模式下，浙江物理试题既具有通过性评价功能又有选拔性功能，这要求物理问题取材于日常生活与科技前沿，并注重对学生思维考查。旨在要求学生在平时的学习中学会分析，不能只为做题而做题[1]，研究选考试题中开放性问题相对特定的结构形式，从情境及条件的挖掘突破，探索问题教学策略.

一、选考试题中开放式问题的结构形式

物理开放问题的具体表现形式多种多样，根据形式思维组成的三个要素（假设、推理、判断）[2]和物理问题的自身特点，按照物理问题构成要素的发散倾向，可以粗略地把物理开放性问题分为以下四类.

（一）条件开放

条件开放性问题是同一知识点以不同问题呈现，要求学生针对问题辨析概念规律.

【2017年4月加试题】（1）为完成“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验，必须要选用的是__________（多选）.

A.有闭合铁芯的原副线圈

B.无铁芯的原副线圈

C.交流电源

D.直流电源

E.多用电表（交流电压挡）

F.多用电表（交流电流挡）

用匝数na=60匝和nb=120匝的变压器，实验测量数据如表1.

表1

根据测量数据可判断连接电源的线圈是_______（填na或nb）.

【点评】理想状态下，变压器电压比等于匝数比，而在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”学生实验中，表格数据表明，电压比不等于匝数比（实际操作中有铁损、铜损、磁损），以此条件判断正确答案。分析理想变压器条件判断类问题，有助学生脱离固定逻辑思维的束缚，理解规律概念的意义，培养学生的科学思维.

（二）策略开放

策略开放性问题是指解决问题方式的多样化，针对同一个问题可以采取多种解题方式.

【2015年10月加试题】如图1（a）所示，质量m=3.0×10-3kg的形金属细框竖直放置在两水银槽中?形框的水平细杆CD长l=0.20 m，处于磁感应强度大小B1=1.0 T、方向水平向右的匀强磁场中.有一匝数n=300匝、面积S=0.01 m2的线圈通过开关K与两水银槽相连.线圈处于与线圈平面垂直的、沿竖直方向的匀强磁场中，其磁感应强度B2的大小随时间t的变化关系如图1（b）所示.（1）略；（2）略；（3）t=0.22 s时闭合开关K，若安培力远大于重力，细框跳起的最大高度h=0.20 m，求通过细杆CD的电荷量.

图1

【点评】求解电磁感应中电荷量问题的方法有：牛顿运动定律（F=ma=m）、动量定理（FΔt=mv-0），掌握多样化的解决手段，以开阔学生思维，促进思维的升级，激起多种联想，提高应变能力，为培养学生科学思维奠定基础.

（三）情境开放

情境开放问题是背景丰富的、与生活科技紧密联系原始物理问题，要求学生利用抽象建立模型解决问题.

【2017年11月选考题11题】如图2所示，照片中的汽车在水平路面上做匀速圆周运动，已知图中双向四车道的总宽度约为15m，假设汽车受到的最大静摩擦力等于车重的0.7倍，则运动的汽车（ ）

A.所受的合力可能为零

B.只受重力和地面的支持力作用

C.最大速度不能超过25m/s

D.所需的向心力由重力和支持力的合力提供

图2

【点评】本题源于生活实际，数据也是实际问题中真实数据，对这类问题的解决，学会排除次要因素，突出主要因素，依据生活经验，采用近似手段，提炼相关数据(转弯半径约90m左右)，从学科角度（向心力公式）将其建模解决.

（四）综合开放

综合开放指其条件、解决策略与结果(至少有两项)都要求学生在情境中自行设计或寻找,或者问题本身要自己发现并提出.

【2018年11月加试题】小明受回旋加速器的启发，设计了如图3（a）所示的“回旋变速装置”.相距为d的平行金属栅极板M、N，板M位于x轴上，板N在它的正下方.两板间加上图3（b）所示的幅值为U0的交变电压，周期T0=板M上方和板N下方有磁感应强度大小均为B、方向相反的匀强磁场.粒子探测器位于y轴处，仅能探测到垂直射入的带电粒子.有一沿x轴可移动、粒子出射初动能可调节的粒子发射源，沿y轴正方向射出质量为m、电荷量为q（q＞0）的粒子.t=0时刻，发射源在（x，0）位置发射一带电粒子.忽略粒子的重力和其他阻力，粒子在电场中运动的时间不计.（1）略；（2）若粒子两次进出电场区域后被探测到，求粒子发射源的位置x与被探测到的位置y之间的关系.

图3

【点评】

___________________条件一两次射入电场均能减速穿过__条件二________第二次进电场速度减为零____条件三___第一次进电场速度即减为零_

①第一次进电场速度即减为零；②第二次进电场速度减为零；③两次射入电场均能减速穿过；基于此条件下确定解决策略，画轨迹（图4），运用动能定理及运动学公式，求解几何关系，体现多角度、多层面考查学生的分析能力和解题能力.

图4

【总结】从选考真题的结构形式分析，在新高考背景下，开展开放式问题教学，能提升学生问题解决能力，培养核心素养，教师在设计开放性物理问题时，要综合考虑学生情况和教学内容，与封闭性问题相结合，相互弥补、相互促进，努力提升学生的基础理论知识、基础技能以及实际操作能力、思维能力等，提升学习质量与效率.

二、物理问题开放式教学的策略研究

在备课过程中转化和收集信息，界定问题，设置开放问题的情境，预设各种解答的途径实现认知结构的重建.

（一）挖掘问题条件，实现结论多样化

例1一个物体，受三个力的作用，处于平衡（区别静止）状态，如图5所示.现撤去一个力（比如F3），物体将怎样运动？

图5

【意图】分析运动形式与初速度有关，设计本题意图是引导学生从问题的条件出发，辩证分析初速度与合力方向的关系，得出结论，同时可以设计追问学生合成问题、动态平衡问题、做功问题，速度问题，能量问题等.设计条件类开放问题时，有以下策略.

策略一：挖掘初始条件，实现解题多样化，如例1.

策略二：改变边界条件，明晰解题范围的边缘.比如物理规律适用条件（比如经典力学规律只适用于宏观低速物体只适用于真空中的点电荷）、物理量的取值边界（如刹车类问题时间的有限性问题）、物理过程的边界（如从一个过程转变为另一个过程的转折点）、几何约束边界（如轨道的长度）、场边界（如电场、磁场、重力场的边界）以及其他一些时空边界等.

策略三：创设临界条件，界定解题的方向，当物体由一种物理状态变为另一种物理状态时，可能存在一个过渡的转折点，这时物体所处的状态通常称为临界状态，设置常用“恰好”、“最大”、“至少”、“不相撞”、“不脱离”等词语对开放问题明确的暗示，发掘其内含规律，找出临界条件.

（二）挖掘问题情境，实现策略多样化

例2在“测定电源电动势和内电阻”的实验中：

（1）用伏安法测量一节干电池的电动势和内电阻，所提供的器材有：

A.电流表A1（0～0.6A）；

B.电流表A2（0～3A）；

C.电压表V1（0～3V）；

D.电压表V2（0～15V）；

E.滑动变阻器R1（10Ω、2A）；

F.滑动变阻器R2（1750Ω、0.3A）；

G.电键、导线.

电流表应选用____，电压表应选用____，变阻器应选用____.

（2）将图6中的器材连成实验线路，根据连成的实验线路，在闭合电键前，变阻器滑片应移到 端.

图6

（3）某同学在实验中测得几组数据如表2所示，然后作图线求实验结果，如图7所示的坐标系是他所作的，试问他为什么纵坐标“U”的原点不从零开始？表中所列的五组数据中有差错的是第______组.

表2

图7

（4）试根据上述同学测得的数据，在图7坐标系中作出实验图线，并由图线求得电池的电动势为___V，内电阻为____Ω.

（5）伏安法测电源电动势和内电阻的实验中，电路有两种不同接法，如图8所示，由于电表内阻的影响会造成一定的系统误差，则下列有关误差的分析正确的是（ ）

图8

A.甲电路的误差是由安培表内阻造成的，所测电动势小于真实值，所测内电阻小于真实值

B.甲电路的误差是由伏特表内阻造成的，所测电动势小于真实值，所测内电阻小于真实值

C.乙电路的误差是由伏特表内阻造成的，所测电动势小于真实值，所测内电阻大于真实值

D.乙电路的误差是由安培表内阻造成的，所测电动势小于真实值，所测内电阻大于真实值

（6）若电压表V被损坏了，除了原器材外，现实验室还有：

H.电流表G1（量程100μA，内阻100Ω）

I.电流表G2（量程1mA，内阻约100Ω）

J.电阻箱R1（0～99.99Ω）

K.电阻箱R2（0～99999.9Ω）

如何设计电路？损坏的不是电压表V而是电流表A呢?

（7）若电流表被损坏了，除了原器材外，现实验室还有：

L.电压表V1（理想电表，量程2 V）

M.电压表V2（理想电表，量程3 V）

N.定值电阻R0（阻值10 Ω）

O.滑动变阻器R（0～100Ω）

如何设计电路？由该设计电路得出数据绘制如图9，请依据图线求得该电源的电动势E=____V，内阻r=____Ω(结果保留两位有效数字).

图9

（8）电源内阻只有约0.1Ω，在原有器材不变情况下，再提供定值电阻R0=2Ω和R2=20Ω，请选择合适仪器设计电路图测E、r.

【意图】设计本题意图旨在考查学生是否熟练掌握测电动势及内阻的方法，通过整合同一实验不同方法（伏安法、伏阻法、伏伏法、安安法、安阻法等）来判断不同类型，通过不同的问题情境设计来呈现开放问题，比如仪器选择、图表分析、误差分析、实验方法设计等，设计情境与方法开放问题时，有以下策略.

策略一：以原始情境切入，呈现各种开放层次，从学生的直接经验中寻找情境、挖掘新闻报道、科普书籍、视频资料中富含物理知识的问题，将日常生产生活用具中的物理知识提取，从物理实验中选取，向学生呈现出科学现象真实与鲜活的一面，使学生大脑充分开放，有助于对学生创新能力培养，如2017年11月选考题11题.

策略二：以常规模型变新意，涵盖各种建模方法。模型叠加、整合思维，实现情境的升华，利用数、形、关键词、对象、过程的描述呈现复杂过程，如2016年浙江选考卷的“电动机转动角速度ω与弹簧伸长量x之间的函数关系问题”，较好地体现了转动切割模型、物体平衡及等效电路原理的整合应用，学生逐步思考、图示表达、运用数学知识突破物理难点；传承经典、创新模型，实现情境的变化，利用隐蔽化、模糊化的情境，如2018年浙江选考卷的“猴子在滑行过程中重力势能最小值问题”，较好地把晾衣竿模型嫁接到猴子运动问题，从静到动，学生借助信息属性上的相似性进行类比迁移，建立平衡模型，突破难点.

策略三：以变式训练为载体，渗透各种形式规律。借助情境的多变化，从多途径呈现知识规律，考察思维全面性，比如一题多变，从多方面呈现模型差异，实现情境思维多向性；比如一题多解，从多角度寻求问题解决，实现情境思维发散性.

从问题呈现方式、信息挖掘方面中研究浙江选考物理试题，把握题型特点，抓住问题解决的重点。通过对开放式问题的教学的实践，根据不同情境，挖掘不同条件，利用不同策略，让学生发现知识的形成过程，提高学生问题解决能力，发展核心素养.

物理开放问题在学生发展和教师成长上的巨大教育价值，同时物理开放问题教学也存在问题，诸如物理开放问题教学如何促进教师专业成长、需要教师有更为开阔、更为精深的知识面，在观念上注重民主、开放，提高学生的参与度，如何正确处理开放问题与课程的关系等，这些都有待后续做进一步研究.