基于素养解构的原始物理问题运用研究

王精国

（桐乡市凤鸣高级中学，浙江 桐乡 314500）

1 问题的提出

随着2014年“核心素养体系”概念首次在教育部印发的《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》中提出，物理教育界逐渐形成共识，认为教育从“知识核心时代”走向“核心素养时代”的变革已经到来.如果说双基目标是1.0版本，三维目标是2.0版本的话，核心素养则是3.0版本.我们不禁要思考，随着版本的升级，是不是可以放掉双基，在哪些方面可以改变，又在哪些方面的确应该变化了？浙江师范大学蔡铁权教授说过：“有知识不一定有素养，有知识才会有素养！”所以双基的重要性应该是不言而喻的，因为如果没有知识这个载体，能力在何处落脚？没有知识作为基础，观念如何确立？思维如何培养？态度如何形成？怎么会有责任？如今的版本升级更是一种导向，以前是以知识为本，现在更应该以人为本，双基不可丢，那么可以改变的是什么呢？

既然目标已经升级，那么评价的方式肯定应该改革和创新.然而如今纸笔测试仍然是一个公信力最大的方式，有传统，有基础，师生家长都可以接受结果，所以笔者认为可以从完善纸笔测试方式，尝试主体多元的评价，探索形式多样的评价等角度进行改变，开展原始物理问题教学，正是顺应“知识核心时代”走向“核心素养时代”这一伟大变革的应然之举.

2 原始物理问题评价核心素养

2.1 厘清原始物理问题与习题的关系

所谓“原始物理问题”，是指自然界及社会生产、生活中客观存在的，能够反映物理概念、规律且未被加工的典型物理现象和物理事实.物理习题是把科学现象和事实经过一定程度抽象、简化、分析后加工出来的练习作业.两者的关系如图1所示.

图1 原始物理问题与习题的关系

显然习题教学只侧重于图中虚线部分的演算、推导环节，致使学生只知道根据已知条件去解题，遇到实际问题则常常束手无策.相比而言，原始物理问题采用文字叙述的方式呈现物理现象，没有习题中给定的已知条件，需要学生根据提供的情境，通过假设、资料查询等手段去自行设置，进而构造出理想的模型，再经过层层“抽丝剥茧”，方可使结论“破茧而出”.我国知名物理教育家赵凯华教授说过：“物理问题无处不在，但在我国的教学中，常常不是将最原始的问题交给学生来解决，而是将已经理想化的问题交给学生，这些理想化的问题就是习题.做惯了物理习题的学生，在面对原始物理问题时往往束手无策.”诺奖得主杨振宁先生也说过：“很多学生在物理学习中形成一种印象，以为物理学就是一些演算.演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分，物理学最重要的部分是与现象有关的.绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源.”由此可见我们的物理教学过多地注重学生演算能力而忽略了建模素养的培育.

2.2 原始物理问题评价核心素养

《普通高中物理课程标准》2017版给出了学业质量水平与考试评价的关系，高中物理学业质量分五级水平，既是指导学生自主学习和评价、教师开展日常教学设计、命题和评价的重要依据，也是高中学业水平考试命题的重要依据.其中，学业水平2是高中毕业生应到达的合格要求，是学业水平合格性考试的命题依据；学业水平4是用于高等院校招生录取的学业水平等级考试的命题依据.评价的过程可以通过对核心素养的“解构”来进行.“解构”，或称为“结构分解”，是后结构主义提出的一种分析问题的方法，意思为“分解、拆解、揭示”等.因此，我们可以从学业质量水平等级来评价学生物理核心素养水平.

案例1.（2012年福建高考第18题）如图2，一圆形闭合铜环由高处从静止开始下落，穿过一根竖直悬挂的条形磁铁，铜环的中心轴线与条形磁铁的中轴线始终保持重合.若取磁铁中心O为坐标原点，建立竖直向下为正方向的x轴，则图3最能正确反映环中感应电流i随环心位置坐标x变化的关系图像是

图2

图3

表1为该题的素养解构过程.

表1 案例1的核心素养评价

原始物理问题相比常规习题而言，在抽象与设置物理量的建模过程更突显学生科学思维素养的评价.案例1是2012年福建高考第18题，该题中没有具体的数据，只有生活中的一个情境，是一题典型的原始物理问题，由素养解构中我们可以看到该题对科学思维的建模水平和科学推理水平要求较高，都到达了水平5的等级.

一个原始物理问题的解决大致需要经历3个过程：第1步，发掘现象中蕴藏的信息，并用物理学的语言进行描述，即认识问题；第2步，丢弃跟问题无关的次要信息，通过简化、抽象、设置物理量后转化为物理模型，即物理建模；第3步，基于物理模型选择合适的物理定律、公式，利用数学工具经推导演算得出最终结果.

这3个过程，思维是螺旋式上升的，可以看出，从原始问题走向物理习题，关键的步骤在于建构物理模型.模型建构作为一种认识手段和思维方式，是根据研究问题和情境，在对客观事物进行抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和物理概念的过程.建构模型有助于帮助学生抓住事物的关键要素，加深对概念、过程和系统的理解，形成系统思维.

2.3 原始物理问题教学的突破策略

原始物理问题能体现真正的物理现象或事实，为什么鲜有老师实践呢？笔者认为原因主要有3方面：第一是原始物理问题一般具有开放性，答案呈现是多元化的，会影响考试评价的公平性；第二是高考就是教师们教学的风向标，高考中原始物理问题相对较少，对一线教学具有指导实践的理论作用，会直接影响日常的教学重心；第三是由于原始物理问题教学对教师有相当高的要求，投入时间和精力较多.基于以上单方面出现问题的原因，笔者提出以下3点突破策略.

2.3.1 适当运用，通过解构素养进行评价

原始物理问题的开放性及多元性让评价显得过于主观，但也可以在适当的时机或学生运用，例如在自主招生的面试中就运用的比较广泛.面试中专家可以对学生的素养水平有非常直观的评判.这种方式同样也可以在日常教学中的个别辅导时采用.

案例2.（2014年复旦大学自主招生）用简单易行的方法测量山峰高度.

（1）气温测量法：在无热源、无遮护的情况下，空气温度随海拔增髙而降低.一般情况下，海拔每升高100 m，气温大约下降0.6℃，测出山脚和山顶的气温，就可以计算出山峰的相对髙度，如果已知当地的地面海拔，两者相加，就知道山峰的海拔高度了.

（2）三角测量法：如图4，图中有两组相似三角形△ABG∽△DCG和△ABH∽△FEH，利用几何关系求得山峰的高度.

图4 三角测量法示意图

（3）重力加速度法：利用单摆公式和万有引力公式计算得到山峰高度.

我们可以看到案例2中答案不唯一，解题方法多样，这也是原始物理问题的特征之一.该类题对于部分学生的核心素养评价具有较好的区分表现，适合部分学生的指导与选拔，但不适合广泛运用.所以在尝试运用原始物理问题教学时应有一定的评价标准.笔者尝试运用核心素养解构的方式对学生的素养水平进行评价，下面以案例3进行举例说明.

案例3.前端是平面的飞行器飞行速度超过音速，会造成破损等影响，成为“音速屏障”，分析其原因.

表2是该题的素养解构过程.

表2 案例3的核心素养评价

案例3中通过解构的途径对学生的核心素养水平进行评价，虽然没有具体的分数，但可以较为真实、具体地了解学生的素养处于什么水平，是原始物理问题评价的有效途径.

2.3.2 注重情境，研究准原始物理问题

高考就是教师们教学的风向标，高考中原始物理问题相对较少，但新高考改革后在高考或选考中具有真实情境的准原始物理问题较多.表3所示为浙江省新高考改革后从2015年10月到2019年4月8次选考中涉及图片及真实情境的试题数量统计.

表3 浙江省物理选考真实情境试题统计

由表3可以看出具有真实情境的选考试题所占试题比重在新高考改革后具有一定的地位，这是新的指挥棒，虽然没有原始物理，但基于原始物理问题改编的准原始物理问题是选考的风向标.准原始物理问题是指具有一定数据，但需要学生适当建模的试题，更多来源于生活生产，需要教师注重来源于真实情境的物理问题，同时引导学生善于观察生活，善于对新的问题进行思考与分析.

案例4.（2015年10月浙江选考）如图5所示是公路上的“避险车道”，车道表面是粗糙的碎石，其作用是供下坡的汽车在刹车失灵的情况下避险.质量m=2.0×103kg的汽车沿下坡行驶，当驾驶员发现刹车失灵的同时发动机失去动力，此时速度表示数v1=36 km／h，汽车继续沿下坡匀加速直行l=350 m、下降高度h=50 m时到达“避险车道”，此时速度表示数v2=72 km／h.

图5 案例4配图

（1）求从发现刹车失灵至到达“避险车道”这一过程汽车动能的变化量；

（2）求汽车在下坡过程中所受的阻力；

（3）若“避险车道”与水平面间的夹角为17°，汽车在“避险车道”受到的阻力是在下坡公路上的3倍，求汽车在“避险车道”上运动的最大位移（sin17°≈0.3）

在案例4中许多学生因为没有见识过避险区的情境，无法从配图中提取斜面模型，从而不能答题.实际上如图6是山区地区高速公路边上常见的避险区域，用于制动失灵的汽车通过上坡减速的方式避险.然而平原地区的许多学生没有见过该情境，即使见过，如果没有对事物保持好奇心和分析思考的能力，同样也不会弄清避险区的作用.因此，教师应该注重真实情境，引导学生在生活中对于善于观察现象并尝试揭秘，这样会有利于学生科学思维的发展.

图6 避险区情境

2.3.3 注重习题课中原始物理问题与习题的转换

由于原始物理问题教学对教师有相当高的要求，投入时间和精力较多，因此教师往往习惯从习题库中寻找习题来训练学生解题能力或评价学业质量水平.而常规的习题更突显公式的记忆和数学的运算，对于科学思维的建模能力和推理能力培养不够.但不能忽略原始物理问题的准备耗时耗力问题，因此笔者认为应该在平时的习题课教学中精挑精备若干原始物理问题，带领学生从命题角度经历把原始物理问题转换成常见习题的过程.

案例5.电磁炮是未来战争的新型武器之一，试结合有关的物理知识设置并估计相应物理量，如发射物（炮弹等）的速度.

教师在课堂上抛出“电磁炮”这样一个原始问题时，学生非常困惑.其思维的障碍在于：这个问题怎么连一个具体数字都没有？学生由于受传统学习思维惯性的影响，已经习惯于平常的习题中已知量都是明确给出的.而在这个原始的物理问题中，学生找不到现成的物理模型，也没有类似的题型作为借鉴，需要自己通过多方面的分析推理，选择有用信息抽离出物理模型，设定和估计解题所需的各个物理量，最后选取公式、推导演算，才能得出答案.在原始物理问题教学的初始阶段，教师引领学生经历其解答过程，引导其建构物理模型，给予适当的指导帮助是必要的.

（1）适时显现研究问题的一般方法.

围绕“力与运动”关系的研究问题的一般思维路径：确定受力对象→受力分析→研究力与运动的关系→研究功能关系.

（2）展开小组学习讨论激活思维.

这个过程中教师通过提供电磁炮的相关背景资料 （文字、视频、图片等）供学生阅读（也可提醒学生上网自行查阅资料或一些相关参数），引导学生在阅读材料的过程中分小组讨论，大胆提出自己的见解和主张.学生分析、讨论、争辩问题的过程就是一个思维不断冲突、碰撞的过程，也是一个不断提出创造性见解和解决问题的过程，这有利于培养学生质疑、批判和创造的能力，激活思维.

（3）启发提出“问题串”逐步推进思维进阶.

问题1：研究对象（炮弹）的形状怎样？能否简化？

问题2：电磁炮的关键在于如何发射，其动力来源在哪里？

问题3：磁场从哪里来？（从轨道的电流中产生）电流周围的磁场是否变化？

问题4：导体运动过程除电磁力外，还受哪些力作用？

问题5：导体运动过程中是否会产生电动势？对电流会产生什么影响？

问题6：从能量转化的角度分析，导体在运动中能量是如何转化的？

（4）任务驱动下激发科学思维方法运用（图7）.

图7 原始物理问题到习题的抽象过程

第1次等效处理：将炮弹视为长方形导体或滑块，进而等效为金属杆或金属棒（这是在研究物体运动时一种常用的等效方法）；

第2次等效处理：由于炮弹的长度较小，可将炮弹所处区域磁场简化为匀强磁场，从而忽略磁场的变化；

第3次等效处理：将平行金属导轨由斜面理想化为沿水平方向固定，忽略重力在金属导轨方向上的分力；

第4次等效处理：将炮弹视为可沿导轨无摩擦滑行，从而忽略摩擦力；

第5次等效处理：导体运动过程会产生反电动势，对原电流造成削弱的作用，但由于电源提供的电流极大，导体运动过程产生的反电动势比电源电动势小得多，可以忽略不计.

需要指出的是，学生在经过一定数量的原始问题的训练后，教师应逐渐放手，给学生独立思考解决问题的机会.这样学生才能渐渐地凭直觉去探索正确的解决途径，创造性地解决问题.

3 结语

原始物理问题相比于普通习题具有开放性、隐蔽性和真实性的特点，运用原始物理问题进行学生核心素养水平评价更能体现科学思维素养，原始物理问题的设计与运用有利于新高考改革进程，它是纸笔测试评价的一种补充手段.在一线物理教学中，教师通过素养解构的评价手段，结合适当运用原始物理问题，在平时的教学中注重情境，研究准原始物理问题，同时注重习题课中原始物理问题与习题的转换，以此来有效提升高中学生物理核心素养.