高中物理情境化试题命制的深度分析——以“刹车问题”为例

王贤勇 张 亮

(贵州省毕节市第一中学,贵州 毕节 551700)

中国高考报告丛书对《中国高考评价体系》的解读中指出:“核心价值金线”贯穿命题始终,创造性地将立德树人的根本任务贯穿考试的过程,要体现时代性、突出方向性、具备价值性,要与高中课程改革深度契合,避免学生“死记硬背”“机械刷题”和“题海战术”,引导、推动关键能力、核心素养在教学和考试中得到落实.“能力素养银线”成为考查重点,这里的能力是指面对真实情境或学习探索情境中的问题时,能高质量地认识问题、分析问题,以及快速地调动学科相关知识解决问题的关键能力,高考评价体系把它归纳为:知识获取能力群、实践操作能力群、思维认知能力群.[1]高考评价体系能力群与物理学科考查的关键能力对应关系如图1所示.

图1 高考评价体系关键能力与物理学科考查关键能力的对应关系

“情境载体串联线”是指:情境是实现“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”的综合考查载体,是“金线”和“银线”串联的关键,以此承载考查内容,实现考查要求.情境分为生活实践情境和学习探索情境,其与物理学科的问题情境对应关系如图2.

图2 高考评价体系情境与物理学科特点的问题情境对应关系

情境化试题是考查学生物理学科核心素养的重要载体,它强调注重理论联系实际,将学科问题融入情境中,让学生提取、理解和分析情境中的相关信息,综合运用所学的知识和技能解决问题.比利时著名教育学家易克萨维耶·罗日叶(下文简称罗日叶)对情境化命题有过深入系统的研究,他认为,一个情境主要由两个部分构成:其一是支持工具,支持工具是一组呈现给考生的物质因素.例如,书面文章、插图、照片、视频、音频材料等,其特点是完整、清晰、准确、简要、有效;其二是命令,命令是从既定的支持工具出发,明确向考生提出的一组答题指示.[2]问题情境结构的呈现如图3所示.

图3 问题情境结构

图3右端是问题情境的波普,该波普取决于两个参数,其一是行动决定,达成提出问题的方式;其二是解决问题之道,选择解决问题的方法,力求方法多样.[3]

罗日叶认为,有效的情境应具备以下4个特征:(1) 是一个真正的靶向情境,要求学生在一个复杂情境中对已学习过的若干知识和技能进行融合;(2) 是一个对学习有用的情境,要求目标适合、水平适合、描述清晰、具有核心价值;(3) 激发学生动机的情境,其特点是容易理解、具有意义、醍醐灌顶;(4) 可以实现的情境,特点是便于测评、符合学生实际.[2]好情境是高质量情境化试题的基础,也是试题具有效度、信度的保障.

基于好情境下的情境化试题具有一定的优势:其一是不仅利于知识的掌握和运用,更利于情感体验和价值导向;其二是有利于学生知识的迁移和长远的发展,让学习变得有意义;其三是有利于培养高阶思维,为核心素养落地提供成长的土壤.最后是好情境能触发学生的神经记忆网络,引发其好奇心.但是不好的情境却会给学生带来很多困扰,例如学生无法提取有效信息、不知道试题蕴含的价值和意义等.本文以某市2023年模拟考试题之一刹车问题为例进行评析.

1 原题呈现

由于3大常规能源的短缺,新能源汽车成为当下各国研发的主方向.理论上汽车刹车车轮抱死的情况下,刹车距离与速度的平方成正比,与动摩擦因数成反比,当摩擦因数一定时,刹车距离取决于车速.现实生活中,车速一样的情况下,往往车载重越重,刹车距离就越长.为探究这个问题,研究小组对某新能源汽车进行研究,该车质量为m=2 t,额定功率为P0=60 kW,以额定功率在水平路面上启动,保持额定功率不变,受到的阻力恒为F阻=2000 N.经过的时间t=25 s时,速度达到最大,随即刹车(防抱死制动装置ABS启动,不考虑反应时间),测得制动距离等于启动到最大速度距离的1/3倍,查得抱死时动摩擦因数为μ=0.71.通过计算,发现防抱死时刹车系统的制动力F制小于车轮抱死时与地面的滑动摩擦力Ff.由此可知,这就是车载重越重刹车距离越长的原因.求:

(1) 该车从启动到最大速度的过程中,汽车行驶的位移大小;

(2) 上述刹车过程中刹车系统的制动力F制.

2 试题分析

2.1 价值导向

《中国高考评价体系》指出,教学的核心价值是立德树人,高考的核心功能是立德树人、服务选才、引导教学,两者是统一的.从这个角度来看,这道试题的价值导向非常之好,有利于引导学生关心STSE,即科学、技术、社会和环境.其一,从汽车的发展可看出,科学技术促进了社会经济的发展.煤、石油等能源的大量开采和利用,给社会带来红利的同时,也给生态环境带来了一定的污染.例如温室效应会导致全球变暖,气温上升致使热浪来袭、冰川融化、虫害增加、气候反常、沙漠扩增,对人类的生存环境造成极大的破坏,从而影响人类的生存和发展,所以保护环境,人人有责.其二,从汽车发展来看,交通工具的发展给人类带来了便利,但酒驾、醉驾、超载或超速引发了大量的交通事故,造成人员伤亡,财产损失.由此可见,用此类情境给学生进行道路交通安全的普法教育,意义重大.

2.2 情境分析

从SOLO分类目标来看,此题考查的思维层次介于单点和多点结构之间.[4]如图4所示,此题是汽车在平直路面上运动的单一情境问题,属于“生产实践情境”.考查学生运用所学的知识解释生活中的现象、解决生产中的问题的能力.[5]从情境和“四层”“四翼”来看,此题的考查要求介于基础性和综合性之间.考查的物理观念有能的观念、运动和相互作用观;考查的关键能力为模型建构能力;考查的内容为功和功率的关系、动能定理、牛顿运动定律、匀变速直线运动的规律.

图4 情境呈现

2.3 科学性分析

首先,此题一开篇说的是能源短缺的问题,但接下来题目并没有紧扣这一主题展开描述,而是转向了汽车的刹车问题,前后衔接不顺畅,缺乏逻辑性,没有最大限度地挖掘育人功能,达到立德树人的目标.

其次,题目中有这样一段表述:通过计算,发现防抱死时刹车系统的制动力F制小于车轮抱死时与地面的滑动摩擦力Ff.由此可知,这就是车载重越重刹车距离越长的原因.这个点缺乏科学性.因为汽车安装防抱死系统的目的之一是提高车辆刹车的稳定性,有效减少刹车距离.通过计算,此题中汽车启动防抱死系统的刹车距离是100 m,防抱死系统没有启动,车轮抱死,按题所给的动摩擦因数μ=0.71计算,刹车距离为63.38 m,两者相差36.62 m.如此大的差距,说明启动防抱死系统带来的安全隐患更大,那汽车安装防抱死系统还有什么价值呢!这个导向显然是错误的.还有,题中还因此给出这是车载重越重刹车距离越长的原因.其实细细研读推敲,看不出防抱死系统启动与汽车载重越重刹车距离越长之间有什么逻辑关系.

最后,此题中提到刹车系统的制动力F制.笔者认为刹车系统内的制动力是制动片与制动盘或制动鼓的摩擦力,属于内力.但从命题者提供的答案上看制动力F制是路面给汽车的摩擦阻力.笔者查阅了人教社2019年版高中物理必修1汽车刹车的问题,在“阻力”名词前没有“刹车系统”4个字,表明教材对内外力的区别是清晰明确的.

故此题情境看似真实,其实犯了科学性、逻辑性错误,这是命题的大忌.作为命题人,要让问题产生于真实、科学的情境之中,引导学生严谨认真、实事求是的科学态度;培养学生用所学知识解决真实问题的能力以及保护环境并推动可持续发展的责任感.

2.4 汽车制动的深度分析

以四轮汽车为例,汽车制动防抱死系统(ABS)是汽车在常见路面上(雪地和泥地除外)进行紧急制动时,防止车轮抱死的系统.该系统不仅能够提高汽车制动效能,减少了制动距离,还能在制动时保障汽车方向的稳定性,预防车辆侧翻或甩尾.如图5所示,若汽车转弯刹车时前轮抱死,汽车失去方向,严重时几乎沿直线冲出路面,十分危险;图6为汽车刹车时后轮抱死,汽车后尾往外甩,严重时导致汽车旋转,有侧翻的危险;图7为汽车前后轮抱死,汽车整体往外侧滑,有从公路外侧翻滚而出的危险;图8为汽车转弯刹车启动ABS系统,保障汽车平稳运行,安全.

图5 前轮抱死

图6 后轮抱死

图7 前后轮抱死

图8 ABS系统启动

接下来以汽车在平直路面上行驶紧急制动为例,分析汽车的制动情况.

建构模型1:把汽车视为质点,不考虑空气阻力,假设轮胎与路面的动摩擦因数μ不变.汽车制动时的初速度为v0,不考虑制动反应时间.根据牛顿第二定律和运动学公式不难得出汽车制动的距离x=v02/2μg,x与汽车的质量没有关系.此模型是教科书常用的经典模型之一,其最大的优点是把复杂问题简单化,易于理解.用此模型可以帮助学生建构运动与相互作用的观念以及能量的观念、动量的观念.但是缺点是无法用它解释同一汽车载重越重,刹车距离越长的问题.该模型与实情不符,不利于对学生进行安全教育.为此,需要重新建构模型.

建构模型2:经过模型1的分析,结合汽车刹车的实际情况,把汽车视为一个质点是有失偏颇的.汽车制动过程中其形变较小、振动小,可以忽略不计,把汽车视为刚体、质点系.汽车在制动时,不计空气阻力、车轮的质量、滚动阻力矩、转动惯量.

若汽车制动时车轮完全抱死,汽车的动能被车轮所受的滑动摩擦力消耗,不难得出汽车制动的距离为x=v02/2μg,该式表明汽车制动距离x与超载好像也没有关系.但实际情况是,汽车轮胎与地面的动摩擦因数μ与轮胎的温度和压强都有关系,温度和压强越大,动摩擦因数μ越小.由此可知,汽车超载行驶时汽车轮胎的温度和压强比正常载荷时大,导致行驶过程中μ减小,刹车距离变大,这是与实际情况相吻合的.

图9 制动器部分结构

图10 汽车制动受力图

图11 Fμ、Fb、Fφ的关系

从图11可以看出,在0～Fp0区间,Fb=Fμ,当踏板力达到Fp0时,地面制动力达最大值Fφ,再增大踏板力Fp,车轮抱死,Fbm=Fφ不变,Fμ随Fp的增大继续增大.

装有ABS系统的汽车紧急刹车时,一旦检测车轮被抱死,ABS系统就会自动介入,适当释放刹车,然后又迅速收紧,反复自动调节,使车轮在地面上边滚边滑,最终汽车的动能被滑动阶段车轮与地面的最大制动力Fμ和滚动阶段刹车片与刹车盘的双重摩擦力所消耗.故结合前面的分析可知,汽车刹车的距离与没有安装ABS时相比将变小,所以ABS系统能有效改善汽车的制动效能,同时提高行车的稳定性.

当然,上述的分析只是提供了一种解决问题的模型、思路和方法,并非就是完美.例如汽车刹车的初速度较大、风阻较大,刹车时前后轮的载荷会发生改变.附着系数φ会随路面情况、温度的变化而变化,这些因素笔者都没有考虑.

3 结语

《中国高考评价体系》《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》是指导一线教师命题、教学的纲领性文件.作为一线教师必须认真研读,熟知“一核”“四层”“四翼”;[7]熟知情境要有一定科学性、问题性、真实性、探究性或开放性,还要与学科核心素养知识水平要求相一致.命制试题是教师教学的重要工作,命题素养是一线教师应该具备的基本素养之一.一线教师要能吃透课改的精神,明确考试的目标和价值;具备一定的命题理论水平和文字功底,表述规范、自洽科学、利于阅读;熟练掌握学科大概念、必备知识、必备能力,评价标准以及学业水平要求;命制的试题要指向核心素养,体现立德树人,难易比例恰当,检测出学生具备的素养水平,符合效度和信度理论,并能用之于指导教学,促进“招-考-教-学-评”的无缝对接,良性发展.