构建物理模型评价科学思维的路径设计

许帮正

(无锡市教育科学研究院,江苏 无锡 214001)

科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式.义务教育物理课程要培养的科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等要素.学业质量要求是:在熟悉的情境中,会用所学模型分析常见的实际问题;能对实验或实践活动中的信息进行归纳推理,能运用所学的物理概念、规律进行简单的演绎推理;具有利用证据进行论证的意识;能从物理学的视角判断信息可靠性和合理性、质疑并提出见解.物理模型是通过科学思维对物质世界的抽象描述,是指能反映事物本质特性的理想过程或假想结构,是对物理知识认知结构化的表达方式,具体表现为具有代表性特点的实体构造、运动过程、设定条件、结构系统等.在中考评价中,基于课程标准的学业要求,设计问题情境,构建物理模型,可以很好地评价学生的科学思维.下面,笔者结合2023年无锡市中考试题的设计与实测结果,提出4种路径,供同行探讨.

1 构建实体模型,引导关注生活

从生活走向物理,是义务教育物理课程的基本理念.初中物理的学习应以具体事实、鲜活案例、生活经验和基本概念引导学生进行理性思考.中考评价中,我们可以选择生产、生活中使用的器具,考虑其中的物理原理,对其物理特性进行过滤提纯,将其焦点特征纯化,构建实体模型,将器具使用的生活原型转化为物理问题,让学生利用模型解释现象和解决问题,以评价学生的科学思维.

例1.(2023年无锡第11题)如图1所示,是《天工开物》中记载的我国传统提水工具“桔槔”,用绳子系住一根直的硬棒的O点作为支点,A端挂有重为40 N的石块,B端挂有重为20 N的空桶,OA长为1.2 m,OB长为0.6 m．使用时,人向下拉绳放下空桶,装满重为100 N的水后向上拉绳缓慢将桶提起．硬棒质量忽略不计．下列说法中正确的是

图1 桔槔图示

(A) 向下拉绳放下空桶时桔槔为省力杠杆.

(B) 向下拉绳放下空桶时拉力为20 N.

(C) 向上拉绳提起装满水的桶时桔槔为费力杠杆.

(D) 向上拉绳提起装满水的桶时拉力为40 N.

“桔槔”为《天工开物》“水利”篇中记载的取水工具,体现了我国古人的工程智慧,它在使用过程中,呈现出不同类型的杠杆,在向下拉绳放下空桶时,为费力杠杆,向上提绳拉起装满水的水桶时,为省力杠杆.试题以“桔槔”提水为生活原型,构建杠杆模型,设计两类问题,通过杠杆类型识别评价学生的模型建构能力,通过杠杆平衡条件的应用,评价演绎推理能力.其具体的物理模型、对应的课程标准中的内容要求以及所评价的科学思维如图2所示.

图2 “桔槔”对应的物理模型、内容要求科学思维图

试题实际测试难度为0.55,区分度为0.69.其中选择(A)(B)(C)(D)4个选项的比例分别为9.02%、9.68%、26.45%、54.8%,其他占0.05%.选择选项(C)的学生因未能正确分析使用过程,模型建构出错.

2 构建过程模型,倡导注重实践

物理问题的探究分析,始终离不开对其运动过程或者作用过程的细致解构,过程模型由此应运而生.物理是一门以实验为基础的学科,实验是典型的学科实践方式.在中考评价中,基于日常生活,设计实验过程,将需要研究的物理问题,包含在动态的过程之中,让学生经历实践,构建过程模型.

如某段时间,流行如图3所示的“手机放大器”,而且网络广告宣称该款手机放大器具有“神奇”的功效,可以将手机屏幕秒变iPad.实际使用时却发现通过它去观看手机屏幕播放的视频时会“变形”.那么这究竟是何种透镜?它具有怎样的光学特性?成像特点是什么?如何合理使用它?我们可以将这些问题融于具体的实验探究中,构建认知过程模型评价科学思维.

图3 手机放大器

例2. (2023年无锡第27题)小红拿到一块玻璃透镜,仔细观察这块透镜,发现一面有螺纹,一面是光滑的,她对此透镜进行了探究．

(1) 她把该透镜靠近书上的“实验”二字,观察到如图4(甲)所示的现象,由此可以判定该透镜是(选填“凸”或“凹”)透镜．

图4 透镜观察实验

(2) 小红查阅资料后了解到,用如图4(乙)所示的三棱镜组合可以描述该透镜对光的作用．请在图乙中画出平行光入射两个三棱镜后出射光线的大致方向．

(3) 为探究该透镜的成像规律,小红将“F”光源、透镜、光屏放置在光具座上,调整好后,固定透镜位置,使“F”光源从距离透镜较远处逐渐靠近透镜,每次都调节光屏到透镜的距离,使“F”光源在光屏上成清晰的像,将结果记录在表1中．则该透镜的焦距为cm．当“F”光源位于如图5(甲)所示位置时,光屏应适当向(选填“左”或“右”)移动,才能在光屏上得到清晰的像．

表1 数据记录表

图5 探究透镜成像规律

试题源于生活中实际使用的“手机放大器”,复盘学生对透镜的探究过程,创新透镜的使用方式,构建了平面镜、凸透镜、光路等实体结构模型.围绕课程标准中“了解光的折射现象及其特点,了解平面镜成像时像与物的关系,了解凸透镜对光的会聚作用,探究并了解凸透镜成像的规律,了解凸透镜成像规律的应用”内容要求,设计4组实验,构建认知的过程模型,将问题包含于实验之中,过程模型设计和科学思维的评价如图6所示.

图6 过程模型设计和科学思维评价

试题实际测试难度为0.57,区分度为0.63.难点是第(4)小问,需要学生依据平面镜成像时像与物的对称关系判断出“F”第一次成像是在纸盒右壁面上,右壁面与凸透镜的距离即为物距,再利用凸透镜成像规律判断出l范围是“大于10 cm小于20 cm”.问题的解决过程是物理学科实践的过程,需要学生运用物理学科的概念、思想与工具,整合认知心理过程与技能,解决真实情境中的问题.试题的命制也倡导物理的学习要在实践中学习,在学习中实践.

3 构建条件模型,提倡科学探究

物理学是用模型描述客观现实的一门学科,我们的努力是不断地修正着物质世界的模型,以期达到能客观而真实地描述我们所看到的这个世界.物理模型不能简单地等同于数学表达,因为物理模型的建立是有条件的.

例如,用针筒测量大气压强是初中物理典型的实验探究,这里主要用到平衡力模型和压强计算模型.要准确测量,其条件是要制造出真空且注射器活塞和注射器筒之间摩擦力大小为0,所以在学习这一节时,许多的时候我们在纠结如何排除筒内空气,如何减小摩擦.其实,在粗略测量时,当我们把注射器活塞推至注射器筒的底端,给活塞涂上凡士林,残留空气和摩擦的影响是可以忽略的,也已经达成了对物理模型的正确认知,达成了教学目标.而当我们改变模型的条件时,例如,在注射器筒内封闭一定质量的气体,创造理想气体模型,改变气体的体积,测出气体的压强随体积的变化关系,我们就会有新的发现.

例3.(2023年无锡第29题)小华发现,压缩一个已经充气的气球感到很容易,但想把它压缩得很小却又很困难．由此她猜想被封闭的一定质量的气体产生的压强与体积可能有关．为此她准备了20 mL的注射器、弹簧测力计、刻度尺、细绳等,进行探究,步骤如下:

(1) 如图7(甲)所示,用刻度尺测出注射器刻度部分的长度为______cm,则活塞的横截面积为______cm2．

(2) 把注射器的活塞推至注射器筒的底端,排尽筒内的空气,然后用橡皮帽封住注射器的小孔,为了检验是否漏气,不增加器材,方法是．

(3) 如图7(乙)所示,用细绳拴住注射器活塞的颈部,使绳的另一端与弹簧测力计的挂钩相连,弹簧测力计一端固定并水平放置,然后水平向右慢慢地拉动注射器筒,当注射器活塞开始滑动时,弹簧测力计的示数如图7(乙)所示为______N,此时外界大气压的数值为______Pa．

(4) 取下橡皮帽,拉动活塞,让活塞的底端位于注射器4 mL刻度处,用橡皮帽封住注射器的小孔,确保不漏气,此时注射器内被封闭的气体体积为4 mL．再按照图7(乙)的方式操作,水平向右慢慢地拉动注射器筒,当注射器内气体体积变为8 mL时,弹簧测力计的示数为10.0 N．继续向右慢慢地拉动注射器筒,记下注射器内气体体积与对应的弹簧测力计的示数,将所测数据记录在表2中．

表2 数据记录表

① 当注射器内气体体积为10 mL时,弹簧测力计示数为______N．

② 当注射器内气体体积为20 mL时,注射器内气体压强为______Pa．

试题的实测难度为0.63,区分度0.60.第(3)小问构建了大气压强的测量模型,依据测量可知外界大气压对活塞的压力为20.0 N(其中也包含注射器筒和活塞间的摩擦),求解第(4)小问时,需分析出模型条件发生的变化,当注射器筒内气体体积为8 mL时,弹簧测力计的示数为10.0 N(同样包含注射器筒和活塞间的摩擦),说明注射器内气体对活塞的压力为10.0 N.同理可得,当注射器内气体体积分别为12 mL、16 mL、20 mL时,注射器内气体对活塞的压力分别为6.7 N、5.0 N、4.0 N,则注射器内气体体积和气体对活塞的压力的乘积为定值,从而计算推理出当注射器内气体体积为10 mL时,弹簧测力计示数为12.0 N.试题评价了学生利用不同条件下的物理模型解决实际问题、基于数据的归纳推理和基于物理规律的演绎推理能力,在质疑中蕴含新的发现.

4 构建结构模型,促进规律运用

物理的结构模型一般依托于具体问题而生,多为从问题中脱胎而生的固定结构.在初中物理的学习中,结构模型体现了知识结构化的表达方式,如声音中的弦乐器和管乐器等,光学中的光的反射和折射、透镜的成像规律等,热学中的分子动理论、原子的核式结构等,力学中的杠杆、滑轮等,电学中的串并联电路、滑动变阻器等,电磁联系中的磁感线、电磁感应实验等.

物理学习,知识是基础,问题是那么多的知识学习后如何将它结构化,形成可以迁移的能力,课程本身的设计是倡导“知行合一,学以致用”.具体教学时要坚持基于情境,问题导向,体现学为中心,注重实践应用,用问题把所学的知识和生活的情境结构化,把知识转化为认知结构,形成可迁移的关键能力.在评价时,则可以依托真实的问题情境,构建新的结构模型,在真实、复杂情境中运用所学知识解决实际问题,以评价学生的科学思维水平.

例4.(2023年无锡第30题)图8(甲)是某型号电开水器结构简图,图8(乙)是它的电路原理图．控制进水口的浮球阀由不锈钢浮球、绕O点转动的金属杆ABC、连杆CD、活塞组成．使用时,将插头插入家庭电路的插座中,电压为220 V．冷水自进水口进入冷水箱,再经连通管进入煮水箱.当冷水箱水位达到设定高度,浮球浮起,AB水平,连杆CD水平向右推动活塞堵住进水口,停止进水,同时开关S2闭合,S1与触点2接通.煮水箱中的电热管R1工作,额定煮水功率为3 300 W,水沸腾后经出水管溢入贮水箱,冷水再补充入煮水箱,冷水箱中水位下降,进水口打开进水.同时S2断开,重复上述过程,至贮水箱中注满水后,开关S1与触点1接通,贮水箱中的电热管R2工作,进行保温,额定保温功率为660 W.保温时,S3同时接通,当电磁铁线圈中的电流达到0.02 A,衔铁P被吸起(开关断开).当电磁铁线圈中电流减小到0.01 A,衔铁P被释放(开关重新接通),使贮水箱内热水温度维持在90～95 ℃．R3是定值电阻,RT是热敏电阻．其温度与贮水箱内水温相同,温度每升高1 ℃,电阻减小100 Ω,电磁铁线圈的电阻忽略不计．(c水=4.2×103J/(kg·℃),ρ水=1.0×103kg/m3,g=10 N/kg)．

图8 电开水器结构及电路图

(1) 该电开水器正常工作时,熔断器上通过的最大电流为______．

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

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

(2) 该电开水器煮水箱电热管R1连续正常工作1 h能产生33 L的开水,若冷水温度为22 ℃,开水温度为100 ℃,则煮水箱的加热效率为多少?

(3) 冷水箱中的浮球质量为0.55 kg,金属杆ABC质量和体积忽略不计,进水口被活塞堵住不能进水时,若浮球恰好一半体积浸在水中,连杆CD受到活塞对它水平向左的推力为30 N;若浮球全部浸没于水中,此时连杆能够承受活塞的水平推力为90 N,则浮球体积为______m3．贮水箱中保温控制电路的电压U是______V．

试题结合电开水器真实的工作过程,通过抽象、等效、假设等给出两组结构模型:电开水器的结构简图和电路图.在结构简图中还蕴含着一个结构模型:浮球阀.所考查的内容包括“物质”主题中的质量、密度、比热容,“运动和相互作用”主题的浮力、杠杆,“能量”主题的电路识别、欧姆定律、电功、电功率,涉及的物理规律包括“密度公式、阿基米德原理、杠杆平衡条件、欧姆定律、电功、电功率”,水平要求包括“了解、认识、理解”.解答此题,首先需要细致阅读、剖析情境、理清问题,理解试题给出的结构模型,分析电路工作状态,用能量流程分析出煮水箱的加热过程,用杠杆和浮力模型分析浮球阀工作过程,再利用物理规律进行分析计算.其中第(1)小问需要判断出R1和R2不能同时工作.第(3)小问,结合工作过程,依据浮球阀的结构,得出2种情形下浮球所受浮力减去重力后提供的动力与活塞受到的水的推力之比相等是关键;计算控制电路电压时,先分析出保温控制电路两种工作状态下电阻变化量为500 Ω,再用欧姆定律列式计算.试题的实际测试难度为0.48,区分度0.51,实现对物理知识的结构化考查,在规律运用中评价学生科学思维水平.

物理学业水平考试需体现素养立意,反映学科本质,重视物理内容在真实情境中的应用,要设计便于探究和实践的任务,要设计能展示学生思维过程的问题,创设情境—构建模型—评价思维是基本的设计路径之一,构建实体模型,引导关注生活;构建过程模型,倡导注重实践;构建条件模型,提倡科学探究;构建结构模型,促进规律运用.