例谈如何原创设计物理作业——新高考背景下作业设计变革

王家祥 王 巍

(上海市市西中学，上海 200040)

教育部部长陈宝生在《人民日报》撰文中提出: 深化基础教育人才培养模式改革,掀起“课堂革命”，努力培养学生的创新精神和实践能力．笔者认为,物理教学的“课堂革命”应该紧紧围绕物理核心素养的培养,而且物理课堂教学在培养学生创新精神和实践能力方面,具有其他学科不可替代的作用．

上海和浙江率先实行“3+3”高考改革,所有学生先参加合格考,学生根据自己兴趣和未来职业取向选择物理学科作为等级考．以上海为例,无论是合格考,还是等级考,都加强了基础知识和基础能力考查要求,均增加了分析说理题型,降低了试题的难度,不再以解题技巧和难度为考查方向．其中,要求学生根据掌握的基本知识原理,定性分析物理过程,得出结论将作为等级考的重要考查方面．物理高考改革的措施很好地推动了物理核心素养的培养．这就要求,在平时教学过程中,注重培养学生的创新意识和实践能力,在活动中探究体验应用物理知识原理解决实际问题的乐趣,学会应用物理知识原理分析阐明各种现象的原因．在物理等级考背景下,教师应该学会原创设计这类物理作业．下面笔者介绍原创设计作业的教学实践,以供大家参考．

1 原创设计探究性实验活动

学生创新意识和实践能力,只有在探究性实验活动过程中潜移默化地培养．物理核心素养之一:提出物理问题,形成猜想和假设,获取和处理信息,基于证据得出结论并做出解释,以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力．例如,在讲授气体实验定律时,笔者设计了这样一道实验探究活动题．

例1.已知地面附近高度每升高12m,大气压降低1mmHg．请学生设计一个实验测量校内一幢8层教学楼的高度．

笔者将学生4人一组,分成若干个小组,首先,分别独立设计实验,在实验室教师的协助下,他们都完成了实验器材的组装;接着,就分别测量数据,根据各自的设计原理,计算出各自的结论,跟事先直接测出的楼高进行比较;最后,教师跟学生们一起交流、讨论,评选哪种设计方案最佳．

有一组直接用压强传感器分别测出楼底和楼顶的大气压,测量时发现楼底和楼顶的大气压几乎没有差异,学生很是疑惑,笔者跟他们讲了仪器的测量精度方面的知识．

有一组用细玻璃管中间灌一些水银,再将一端封闭,把玻璃管竖直放置,先用托里拆利压强计测出地面处大气压强p0,测出水银柱的高度h,测出地面和楼顶处空气柱长度,最后算出楼顶处大气压,从而算出楼的高度．发现误差很大,为了减小误差,学生将玻璃管水平放置,重新测量,误差仍然很大,笔者也和学生共同分析读数误差理论．

图1

有一组学生直接用托里拆利气压计,分别测出楼底和楼顶处的大气压,算出楼的高度,发现误差很大,笔者也和学生共同分析读数误差理论．

又有一组学生,用了如图1所示的装置,用一个比较大的瓶子装一半左右的水,再用一根细的塑料管,通过橡皮塞封闭部分气体在瓶内,分别测出楼底和楼顶处的管中水柱的高度．学生们认为瓶内的气体体积和温度不变,则瓶内气体压强不会变,水柱高度差产生的压强就是大气压的减小值,这样算出的楼的高度误差很小．这方法还巧妙地避免了楼底大气压的测量,楼底的大气压无论用什么方法测量均存在误差,相对微小大气压变化来说都是不能忽略的．我们师生从误差原理出发,指出做这个实验的关键在于,瓶内气体体积应该大些,管子应该细些,用水而不能用水银．

通过这个探究实验活动,很好地培养了学生的物理核心素养:对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力．

2 原创设计研究性学习课题

中学生所做的科学方面的研究性课题,完全没有必要是开创性的,也不可能是前人没有做过的课题,关键在于培养学生的创新精神和实践能力．通常,我们发现学生大多做一些社科、人文方面的研究性课题,或者做一些科技发明创造方面的研究性课题,很少看到有纯理科方面的研究性学习课题．笔者从一个中学物理教师角度认为,中学生完全可以根据学生所学的知识原理,设计一些研究性学习课题,引导学生通过实验探究,自学完全超出学生学习范围的物理知识原理,在探究和质疑的过程中,培养学生探究意识和实践能力．

例2.我们学习有关重力的概念,重力是由于地球的吸引而产生的力,G=mg,物体的质量m是不变的,重力加速度g是随纬度和高度变化的．请学生们给自己制定一个研究性学习方案,“尝试研究重力加速度g的变化规律”,并作为将来文化游学的课题展开研究．通过上网查阅资料,对自己的研究性学习方案做个评估．

这是笔者根据2017年高一泰山文化游学的一个学生课题原创的,学生设计各种方案测量重力加速度的变化,尽管由于测量仪器精度的局限,并没有测出重力加速的变化,但是学生从方案设计到实际实验研究,让他们体验了科学家从事实验研究过程,并对实验误差分析有了深刻理解和感悟,笔者觉得该研究性学习的目的已经达到．

学生设计以下几种测量方案: ① 位移传感器测重力加速度； ② 用滴水法测重力加速度； ③ 用力传感器测重力加速度； ④ 用单摆测重力加速度．在实际操作过程中,他们对位移传感器的测量原理和测量精度,有了较为深入的了解，知道了应用滴水法测重力加速度,是为了减小误差,但是在测量如此微小变化的重力加速度,即使是用滴水法也是无能为力的．用力传感器来测量,同样因为传感器的测量精度问题,也失败了．最后用单摆测重力加速度,勉强测出微小变化的重力加速度,但是随着他们对误差理论的深入理解,也对测量结果提出了质疑,认为从误差理论角度来说,这个测量结果也是不可信的．他们得出结论,在中学阶段,用现有的器材是很难测出上海和泰山以及山脚和山顶的微小重力加速度的变化．在测量过程中,他们还发现泰山山脚的重力加速度反而比山顶的重力加速度还要小,违背了教材中的重力加速度随高度变小的结论,他们研究后得出结论是由于泰山的地质构造密度大的原因,通过上网查阅资料后,他们知道,这正是微重力探矿的原理基础．

学生在完成这个研究性学习课题后,很好地培养了他们的物理科学素养:在认识科学本质,理解科学·技术·社会·环境(STSE)的关系基础上逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任感．

3 原创设计分析论述题

在物理等级考的背景下,增加了分析说理论述题型,这是为了改变原来物理高考中注重考题的难度和解题技巧倾向．理科学生的逻辑思维能力很强,但表达能力差,这是普遍现象,对学生将来的发展会产生一些负面影响,他们要用很长时间才能弥补这个短板．

广大物理教师要学会原创分析论述题,这种题型一般是定性讨论和阐述,不需要具体的数值计算,但要能够考察出学生的逻辑推理能力,运用所学物理知识和原理,有层次展开分析阐述,最后得出正确结论,培养学生能够用科学的语言逻辑地、清楚地表述物理思维过程的能力．

图2

例3.如图2所示,物体置于水平面上,F的大小为10N,与水平方向夹角为30°,物体向右做匀速直线运动,现去掉F力,则其他力的合力大小为多大?

(1) 下面是某学生对该题的一种解法.

解析:因物体受到重力G,弹力N、滑动摩擦力f及F的作用,且物体处于平衡状态,故此4力的合力为零．当去掉F后,其他力的合力必与F大小相等、方向相反,所以其他力的合力大小为10N,方向与F相反．你认为这个结论正确吗?请对该结论作出评价并说明理由．

(2) 若将图2中的F改为水平,物体仍向右做匀速直线运动,如图3所示,当去掉F后(物体仍向右运动,尚未停下),分析结果与(1)相同,即其他力的合力大小为10N,方向与F相反．你认为这个结果正确吗?请说明理由．

参考答案: (1) 这个结论是不正确的．因物体受到重力G,弹力N、滑动摩擦力f及F的作用,且物体处于平衡状态,故此4力的合力为0,根据共点力的平衡条件可知,此时的摩擦力等于10N．但是,当去掉F后,由于这个外力斜向上的,物体对地面的正压力变小了,相应的滑动摩擦力也变小了,重力是不变的,竖直方向的合力等于0,合力就是滑动摩擦力,所以合力不等于10N,而是小于10N．

(2) 这个结论是正确的．因物体受到重力G,弹力N、滑动摩擦力f及F的作用,且物体处于平衡状态,故此4力的合力为0,根据共点力的平衡条件可知,此时的摩擦力等于10N．当去掉F后,重力和弹力都不变,相应的滑动摩擦力也不变,竖直方向的合力为0,此时的滑动摩擦力就是物体所受的合力,所以合力为10N．

学生做完这道分析辨析题后,培养了学生的物理科学素养:基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判,进而提出创造性见解的能力与品质．

以上是笔者在教学实践过程中的点滴认识,还望读者不吝赐教．