突出理解应用 考查学科核心素养——对2020年苏州市中考物理试卷第30题的赏析

张 亮

(阜阳市第十八中学，安徽 阜阳 236000)

1 原题呈现及试题背景

1.1 试题原题及解答

Phyphox是一款功能强大的物理实验手机软件,其中的Acoustic Stopwatch功能能够自动记录下所接收到的两次响声之间的时间间隔:当手机接收到第一次响声时便自动计时,当再次接收到响声时计时自动停止(类似于使用秒表时的启动和停止),由于对声音的响应非常灵敏,计时可精确到0.001 s.

甲、乙两人使用手机在空旷安静的广场上测量声音的传播速度.如图1所示,他们分别站于间距测量值为s的A、B两处,打开手机软件做好计时准备.甲先在手机边击掌一次,乙听到击掌声之后,也在手机边击掌一次.查看甲、乙两手机均有效记录下了两次掌声的时间间隔,分别为t甲、t乙.

图1

(1) 若已知空气中的声速为340 m/s,0.001 s内声音的传播距离为________m;

(2) 本实验中两手机所记录的时间大小关系是t甲________t乙(>/=/<);

(3) 测得空气中声音的传播速度v声=________.(用s、t甲、t乙表示)

参考答案如下:

(1) 声音的传播距离为s=vt=340 m/s×0.001 s=0.34 m;

(2) 由记录过程知,t甲比t乙多记录声音传播的时间,故t甲>t乙;

(3) 从A到B处声音的传播时间为

测得空气中声音的传播速度.

1.2 试题背景

2018年第7期的《物理教学探讨》刊发《智能手机在物理实验教学中的应用探讨——以Phyphox软件为例》一文.文中的一个案例就是利用Phyphox软件测量声音在空气中的传播速度.试题中的方案与论文中的方案完全相同,论文中计算出了s=5 m时的测量结果及误差分析.[1]

此外,网络上有借助Phyphox软件进行该实验的视频展示,实验过程截图如图2,实验结果截图如图3,其中t甲=0.824 s,t乙=0.797 s,根据公式可算出当时环境下声音的传播速度为370.37 m/s.

图2

图3

2 试题赏析

本题是2020年苏州中考物理试卷的压轴题,难点在第3小问题.试题主要考查速度的计算方法,解题的关键是正确表达声音从A到B的传播时间,要求考生能够熟练应用速度公式解题.在考试后的交流研讨中,部分物理老师在接触题目的短时间内看不懂题意,对于最后一问无从下手.下面从物理学科核心素养的部分要素进行试题分析.

2.1 物理观念的渗透

试题以手机软件应用为背景,以击掌声为研究对象,以测量声音的传播速度为目的,考查学生对运动学知识的理解情况.本题涉及“物理观念”中“运动观念”的几个基本概念[2]:声音传播的快慢——速度;声音的传播距离——路程;人的反应时间;声音的传播形式——声波.其中比较隐蔽的概念是人的反应时间.甲、乙两人各击掌一次,A、B处的手机各有两次记录,如何理解t甲和t乙是正确解答本题的关键.

2.2 科学思维的体现

本试题中的“科学思维”体现在“模型建构”和“科学推理”方面.[2]对初中学生而言,声音的传播不同于人、机械等可见物体的运动,给人捉摸不定的感觉,因此,解答本题时,“模型建构”十分重要.题目中“乙听到击掌声之后,也在手机边击掌一次”暗示着由于人有反应时间,B处人击掌的时刻一定晚于乙手机开始计时的时刻.这两个时刻之差即为t乙(忽略声音从乙的手传播到B处手机的时间). 在审题过程中,可以把声波的传播想象成一个小球的运动, 小球从A处出发时甲开始计时,小球到达B处时乙开始计时;然后小球在B处停留片刻,再次从B处出发时乙停止计时,小球回到A处时,甲停止计时.小球的运动过程示意图如图4所示.

图4

由以上示意图可知,t甲包括小球在甲、乙之间的往返时间及在乙处的停留时间.因此,小球从甲处运动到乙处的单程时间为0.5(t甲-t乙).由此可知第(2)问的答案为t甲>t乙.

2.3 科学探究的设计

因空气中声音的传播速度较大,用传统的实验方法很难准确测量其数值.如何设计“利用智能手机软件测量声音传播速度”的方案?题干中的“科学探究”已完成了设计实验与制订方案,“空旷安静的广场”是环境条件;测量能够“精确到0.001 s”时间间隔的手机软件是技术保障;两次击掌、四次记录,几个简单的动作即完成了实验过程.实验设计方案新颖,是一个典型的创新型科学探究活动.试题重在考查学生获取和处理信息的能力.t甲和t乙分别表示哪一段时间?它们和声音从A处传播到B处的时间有什么关系?厘清了其中关系就找到了解题的关键.

3 试题启示

本题深入考查了学生提取关键信息、建构物理模型以及用简要的数学知识处理物理问题的能力,[3]试题命题角度新颖,回避了复杂的运算,侧重于考查学生的核心素养,对物理教学起到积极的导向作用.

3.1 对课堂教学的启示

部分学生没有学好科学课程的一个最大的原因是他们对所学知识并没有理解.[4]学生的理解并不是“听懂”,也不体现在记住与复述相关的概念、公式与定律等知识,而是看自己能否在一个具体的问题情境中进行正确的解释与表达.[5]因此,试题与问题是检验学生是否真正理解的有效手段.理科学习中,知识点是相对固定的,而问题是灵活多变的,不能解决活的问题,就不能说是真正的理解. 多数学生知道人的“反应时间”是指从感官接收到信息到人采取动作的时间,但是落实具体问题中,就不一定能准确表达出来.比如本题中,如果学生没有理解乙手机第一次接收声波与人接收声波有时间差,即没有找出“人的反应时间”这个隐含的物理量,第(3)问将无从解答,主要原因是对声波的传播过程不理解.课堂教学中,知识的建构应有具体的问题情境,同时要借助丰富的事例从不同侧面进行解读,即由

问题和事例到知识.比如在学习“平均速度”概念时,学生通过具体的变速运动的事例建立了平均速度的概念,老师在检验学生对概念的理解时,可以出示以下例题:物体在A、B之间做变速直线运动,C点为AB的中点,已知AC之间的平均速度是6 m/s,BC之间的平均速度是10 m/s,求AB之间的平均速度.凡是答案为8 m/s的学生,都没有真正理解平均速度的概念,而是受测量长度求平均值的影响,潜意识地默认为“平均”就是加起来取平均值.只有结果为7.5 m/s的学生才真正理解了平均速度的概念. 老师在检查学生是否真正理解了某知识点时,尽可能避免以背诵、默写等简单的方式进行,而应精选问题,让学生把题意与解题思路说出来.老师从学生的解说中便可判断学生对知识的理解程度,从而有针对性地调整思路.

3.2 对探究活动的启示

传统实验器材的智能化程度较低,并且较为单一,一定程度上限制了学生的创造力.随着智能手机的普及和各种软件的开发,手机逐渐走进了常规的实验探究活动.智能手机程序可将实验结果数字化、精确化、形象化,同时带来了实验的开放性,打破实验的空间限制,解决了部分实验过程中无法精准测量的问题,成为实验活动的有力助手,这既改变了传统的学习方式和教师的实验教学方式,又为学生课外实践活动创造了条件,同时可激发学生的实验兴趣和挖掘学生的创造潜能.[2]以Phyphox软件为例,目前可实现 29 种内置功能,其中包括初中物理实验中常用的测量工具,如力传感器、噪声监测仪、音频发生器、秒表(声学秒表、 运动秒表、光学秒表)、气压计等. 以学习“声现象”为例,每个学生都可以利用Phyphox软件测试自己在不同情况下发声的频率、响度、音色,还可测试自己的听觉范围,直观形象的结果有助于激发学生进一步开展探究式学习的热情.

综上所述,本题立足于实践应用,对学生的模型建构能力、理解与应用能力提出较高的要求,较全面地考查了学生的物理学科核心素养,同时为智能工具在实验教学及课外实践活动中的应用做出了示范.