巧設設問視角 彰顯學科素養
——以初中物理實驗作業設計為例

許 志 李秋霞

（1.南京市教學研究室，江蘇 南京 210001；2.南京市棲霞區教師發展中心，江蘇 南京 210028）

作業設計的關鍵是依據一定的情境對問題的設計.實驗是物理學科的靈魂，教師在備課設計實驗作業時，要精心設計實驗的設問視角，努力彰顯學科素養.只有不斷探求新的設問視角，才能真正考查學生對實驗的過程和方法的理解程度.以下圍繞初中物理實驗作業的設計談談我們的一些思考.

1 實際“操作”，養成“物理觀念”

1.1 作業案例

用量角器、直尺、45°三角尺、60°三角尺，可以做以下實驗.

（1）透過尺子能看到清晰的刻度線，說明尺子的材料有很好的________性.

（2）將兩把三角尺疊放在水平桌面上，用直尺緊貼桌面快速擊打下方的尺子，觀察到________的現象，說明上方的尺子具有慣性.與頭發摩擦后的直尺能吸引碎紙屑，這是因為________.

（3）圖1（甲）中，量角器底邊長度為____cm.

圖1

（4）用量角器的底邊將直尺支撐起來，當直尺在水平位置平衡時，量角器的底邊正好在直尺的中間位置（刻度線“7”和“8”的中間）.

① 圖1（乙）中，用吸管在直尺a端上方用力水平吹氣，能觀察到直尺a端________（選填“靠近”或“遠離”）吸管.

② 圖1（丙）中，將三角尺A、B分別豎直掛在直尺刻度線“1”和“13”位置后，直尺還能在水平位置平衡，則A、B的質量之比為________.

1.2 設問視角和學科素養

本題以一組“尺子”為背景設計了以下幾個方面的問題：（1）物質的物理屬性；（2）慣性；（3）靜電現象；（4）長度的測量；（5）氣體壓強和流速的關系；（6）杠桿平衡條件.值得一提的是題中第（4）問的設計很有新意，其一是對“量角器的底邊正好在直尺的中間位置”用刻度線“7”和“8”的中間來加以解釋，這樣設計是為了防止對前面第三問的答案有提示（不便提“7.5”或“7.50”），便于學生算出兩把三角尺對直尺壓力（等于它們的重力）所對應的力臂分別是“6.5 cm”和“5.5 cm”，同時也是為學生利用杠桿平衡條件進行計算做好鋪墊.通過以上相關問題的設問，本題希望達成學生以下學科素養：一是能否利用學過的物理知識解釋生活中的一些簡單現象；二是能否運用所學的物理知識解決生活中碰到的實際問題；三是能否根據丙圖在頭腦中構建出杠桿模型，從圖中分析出力臂大小并能利用杠桿平衡條件正確求解.

1.3 學生答題和教學建議

本題選取學生常用的文具為問題情景，通過使用文具完成一系列小實驗.考查學生基礎物理知識的同時，隱形考查學生運用這些物理知識解決實際問題的能力.學生答題主要問題有：第（1）問答成延展性、反光性、耐磨性、穿透性、透塑性和慣性.說明學生一是對物質的一些物理屬性概念掌握不精準，只知道大概的意思；二是不能用物理語言描述自然現象，而習慣于用生活語言模糊地表達.第（2）問學生答“振動”較多，對物體慣性的概念淡薄，沒有將題設情境和慣性聯系起來；而且知識固化，不會遷移.學生往往只記憶自己熟悉的情境，不能將新情境與物理問題和已經學過的知識聯系起來.第（3）問學生在回答中存在以下兩個問題：（a）測量的起始刻度看錯；（b）無估讀數值.第（4）問學生在回答中存在以下兩個問題：（1）對流速與壓強關系的相關知識缺失；（2）不能將題設情境與杠桿平衡條件原理聯系起來并讀取數據正確計算.建議在平時的教學中，要加強對學生基于生活情境解決實際問題能力的培養.

2 器材“選取”，體現“科學探究”

2.1 作業案例

現有一個熱敏電阻，其阻值R隨溫度t的升高而減小，部分數據如表所示，利用它可以制作溫度報警器，其電路的一部分如圖2所示，圖中兩個虛線框內一個接熱敏電阻，一個接定值電阻，電源電壓恒為12 V.當圖中的輸出電壓達到或超過8 V時，便觸發報警器（圖中未畫出）報警，不考慮報警器對電路的影響.要求環境溫度達到或超過40℃時開始報警，則熱敏電阻應接在虛線框________（填數字）內，另一虛線框內定值電阻阻值為________kΩ.若將虛線框內兩元件對調，則報警器報警的最高溫度為________℃.

圖2

表1

2.2 設問視角和學科素養

課標要求：了解一些新材料的特點及其應用.本題素材來源于物理教材，電路雖然簡單，但思維并不簡單，設問視角的創新體現在以下幾個方面：（1）巧設虛線框，要求學生判斷熱敏電阻的位置；（2）根據串聯電路電流電壓的特點進行簡單運算；（3）將虛線框內元件對調，考查學生是否理解“報警”的真實含義.通過以上設問，希望學生達成以下學科素養：在“動態分析”中選擇器材；在“理解題意”中進行計算；在“器材互換”中拓展能力.

2.3 學生答題和教學建議

本題考查運用熱敏電阻設計溫度報警器，問題中有多個變量，溫度、電流、電阻、電壓都在改變，學生在解答本題時要緊緊抓住“8 V”這個報警條件；同時要理解熱敏電阻的位置是由報警條件決定的，題中的條件“環境溫度達到或超過40℃時開始報警”很重要，根據這樣的條件可以理解超過40℃也要報警，而熱敏電阻阻值R隨溫度t的升高而減小，所以如果將熱敏電阻放在“1”內，環境溫度超過40℃將不再報警，所以熱敏電阻應該放在虛線框“2”內.另外，當將虛線框內兩元件對調后，根據以上分析，現在的報警器應該是在溫度低于或達到10℃開始報警，所以題目的設問改為“報警器報警的最高溫度”，學生如果不能理解以上報警器的報警原理，是很難正確作答的.學生解題過程中錯誤較多，說明大多數學生對歐姆定律的綜合應用理解有一定的困難.

3 步驟“留白”，凸顯“科學思維”

3.1 作業案例

小明利用天平、量筒、燒杯和電子秤等器材測量鹽水和鴨蛋的密度.

（1）用天平測量物體質量時，添加砝碼過程中，_______（選填“能”或“不能”）調節平衡螺母.

（2）測量鹽水密度時，有以下4個步驟：① 向燒杯中倒入適量鹽水，測出燒杯和鹽水的總質量；② 將燒杯中鹽水倒入量筒（燒杯內有殘留），測出鹽水體積；③ …；④ 算出鹽水密度.為使測量結果更準確，步驟③的操作是________（選填“直接”或“擦干殘留鹽水后”）測量燒杯質量.

（3）測量鴨蛋密度的步驟如圖3（甲）、（乙）、（丙）、（?。┧荆?/p>

圖3

圖中電子秤顯示的4個數據，若沒有“131.0 g”這個數據，能否求出鴨蛋的密度？要求：① 若能，請寫出鴨蛋的密度值；② 若不能，請說明理由.

3.2 設問視角和學科素養

本題考查了天平的使用、液體密度的測量和“等效替代”測鴨蛋的密度.天平的使用有很多注意點，本題通過巧妙設問“添加砝碼過程中”，將試題情境自然過渡到天平使用的測量過程中，考查學生對平衡螺母的使用.關于液體密度的測量誤差問題，各類作業練習中多有考查，但考查的視角大多按以下方式呈現：測量鹽水密度時，有以下4個步驟：① 向燒杯中倒入適量鹽水，測出燒杯和鹽水的總質量；② 將燒杯中鹽水的一部分倒入量筒，測出鹽水體積；③ 測出燒杯和剩余鹽水的質量；④ 算出鹽水密度.這樣測量鹽水的密度結果比較準確.然而，學生是否真正理解了這樣測量的好處呢？如何通過設問視角的變化來考查這一點呢？本題運用“留白”的手段，將重要的步驟“3”留白，同時增加了情境干擾，即“燒杯內有殘留”，如果學生沒有真正理解測量誤差產生的原因，在這樣的情境干擾下，很容易出錯.在“等效替代”測鴨蛋的密度實驗中，通過電子秤自動顯示的4組數據，設計了“若沒有“131.0 g”這個數據”這樣的條件，考查學生對替代思想和測量結果精確性的理解.總體來說，通過以上的設問希望學生達成以下素養：在“操作過程”中能理解器材的“規范性”；在“實驗細節”中能領會結果的“精確性”；在“數據處理”中能確認題干所提供數據的“有效性”.

3.3 學生答題和教學建議

本題運用“干擾信息”考查學生是否真正理解如何操作才能減小實驗的誤差.第3問選取鴨蛋為研究對象，單獨看題目給出的每一幅圖片，展現的都是靜態的圖景，尤其是電子秤自動顯示的數據，但是把所有的圖片進行整體的審視，卻又展現了一個動態的操作過程，這幅動態的圖景展現的是測量密度過程中的關鍵步驟，以此方式可以考查學生的實驗探究能力和實踐應用能力.第（1）問學生回答的正確率較高；學生回答第（2）問時，由于弄不清研究對象，容易選“擦干殘留鹽水后”.第（3）問不少學生填“不能”，不會利用圖（甲）、（乙）、（?。┑臄祿蟪鲽喌芭砰_水的體積.所以，在實驗教學中分辨和強調每次實驗過程中的研究對象非常重要.

4 活動“評價”，滲透“科學態度與責任”

4.1 作業案例

綜合實踐活動中，同學們設計了一款可用電流表示數顯示拉力大小的測力計模型，電流表示數隨拉力的增大而增大.模型電路如圖4（甲）所示，ab為長10 cm、阻值25Ω的電阻絲，其阻值與長度成正比.滑片P左端固定在拉桿上，彈簧處于原長時，滑片P位于a端.電源電壓恒為6 V，彈簧電阻恒為1Ω，R0為4Ω，其余部分電阻不計，電流表量程為0～0.6 A.忽略彈簧、拉桿和拉環的重力及滑片與電阻絲的摩擦.

（1）虛線框內接線柱“1”應與________（選填“2”或“3”）連接.

（2）閉合開關，彈簧處于原長狀態時，R0消耗的功率多大？

（3）彈簧的伸長量L與所受拉力F之間的關系如圖4（乙）所示，則電流表示數最大時顯示的拉力多大？

圖4

（4）圖（甲）中若去掉電流表，用一只電壓表（量程0～3 V）與R0并聯，利用電壓表的示數來顯示拉力的大小，則與利用電流表相比，電壓表所能顯示的最大拉力將提升________%.

（5）在匯報交流階段，同學們對模型設計的不足提出了改進措施.如（甲）圖的方案，從電路的安全性考慮，其他條件不變，R0的阻值應不小于________Ω.

4.2 設問視角和學科素養

本題共設計了5個小問題，第1問讓學生理解題意連接接線柱，學生只有根據題示信息構建出滑動變阻器模型，才能正確連接電路.第2問的設計要求學生根據“原長狀態”分析電路，求出相關物理量.第3問則是要求學生能夠將拉力的變化和滑動變阻器阻值的變化及電流表讀數的變化聯系在一起考慮問題.第4問要求學生“換位思考”，用電壓表來代替電流表后，電路所能測量的最大拉力能有多大，實際上這類試題的解答要緊緊抓住電表的量程來思考.第5問的設計則是新課程理念的重要體現，因為無論用電壓表還是用電流表來顯示拉力大小，都有一個量程問題需要思考，試題用以下一句話“在匯報交流階段，同學們對模型設計的不足提出了改進措施”來加以總結，并在此基礎上設計了第5個問題“從電路的安全性考慮，其他條件不變，R0的阻值應不小于________Ω.”可謂“畫龍點睛”，是作業設計中一道亮麗的風景線.

以上設問可以達成以下學科素養：一是模型的建構意識；二是實驗方案的改進意識；三是實驗方案的安全意識.

4.3 學生答題和教學建議

學生答題存在的主要問題有以下3個方面：

在解答第（2）問時，將R0消耗的功率求解成整個電路的功率，為1.2 W.另外部分學生認為彈簧為原始狀態時，滑動變阻器的阻值為0，電路中的總電阻為5Ω，求出R0消耗的功率為5.76 W.教師在講評作業時，可要求學生首先明確研究對象，再引導學生畫出工作電路的電流路徑，明確滑動變阻器接入電路之中的阻值.

在解答第（3）問時，不少學生不能正確求出彈簧的伸長量.認為彈簧的伸長量就是滑動變阻器接入電路中的長度，錯誤求出最大拉力為100 N.有的學生不能根據阻值與長度成正比的數量關系正確求解滑動變阻器接入電路中電阻絲的長度.還有一些學生憑空寫出電源電壓為12 V，最大電流為0.3 A的數值.教師在講評作業時，首先要強調讓學生養成會看圖并用圖輔助解題的意識，其次可以讓學生在題目上圈畫關鍵詞，或者將電源電壓、定值電阻的阻值等值直接標在電路圖上.

在解答第（4）問時，有些同學從（乙）圖中把數值看錯位，造成錯誤答案為20%.在平時教學之中，選取圖像中的具體數據時，可以讓學生借助刻度尺來準確找出所求的點并獲取正確數值.

以上本文借助4個案例從4個方面談了初中物理實驗作業設計的設問視角，實際上我們平時的教學內容是固定的，要檢測學生是否真正理解所學的物理概念和規律，就需要作業的設計能對相同的考查內容不斷探索新的設問視角，只有從生活中探尋問題情境，才能真正引導教學脫離“題?！?，檢測學生的學科素養和關鍵能力.目前，在“雙減”精神指導下，我們更要重視“優化作業設計提升教學質量”，可以說，這項工作任重而道遠.