加强关键能力考查 促进科学思维培养

董耀 朱行建 孙伟军

摘   要：文章以2020年镇江市中考力学﹑电磁学综合题为例，从提取关键信息﹑构建物理模型﹑可视化逻辑推理过程三个方面出发，深入剖析综合试题对关键能力的考查，思考科學思维培养的重要意义;并基于研究提出对应的教学建议与策略，以期实现学生关键能力的提升和科学思维的培养。

关键词：关键能力;科学思维;图形组织器;中考

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2022）2-0036-5

1    对“关键能力”与“科学思维”的认识

关键能力是学生在面对与学科相关的生活实践或学习探索问题情境时，能够高质量地认识问题﹑分析问题和解决问题所必备的能力。关键能力是支撑个体终身发展和适应时代要求的能力，是发展学科素养﹑培育核心价值所必须具备的能力基础。它由知识获取能力群﹑实践操作能力群﹑思维认知能力群构成;与之相对应的是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）中的关键能力：概括理解﹑实验探究﹑实践应用。

课程标准中明确指出：“科学思维”是从物理学角度对客观事物的本质属性﹑内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实构建物理模型的抽象概括过程;是分析综合﹑推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格[1]。“科学思维”包括模型建构﹑科学推理﹑科学论证﹑质疑创新等要素。关键能力架构图如图1所示。

程力和李勇将“科学思维”中的科学推理﹑科学论证合并为“推理论证能力”;在“模型建构”“质疑创新”的基础上，提出“模型建构能力”和“创新能力”;将物理学科所要求的实验能力和科学探究能力整合为“实验探究能力”;“理解能力”主要对应学科素养中的“物理观念”。综上，物理学科考试提出理解能力﹑推理论证能力﹑模型建构能力﹑创新能力、实验探究能力5种能力。5种能力是对课程标准中关键能力的具体化[2]。关键能力架构对比图如图2所示。

2    力学﹑电磁学综合试题的考查意义

首先，从“科学内容”的角度来看，力学和电磁学分别是“运动和相互作用”和“能量”两个一级主题中的核心内容，对于学生而言“运动与相互作用观念”“能量观念”的建立尤为重要，有助于学生对物理概念、规律的提炼与升华。

其次，以课程标准和教材中的课时规定为参考，统计得出初中物理各个知识模块的课时比例（表1）。由表1可知，力学与电磁学知识模块占据初中物理知识模块的半壁江山，理应成为中考考查的重点和难点。

最后，从试题测试功能上看，综合类试题不仅仅是知识的综合，更是能力的综合。一方面，该类试题一般考点分布广，综合考查了“物质”“运动与相互作用”“能量”主题中的多个知识模块;另一方面，该类综合试题所有概念和信息都是包含在情境中，与情境有机融合，学生需要在情境的解读中准确理解情境中的物理含义。从生活情境到物理模型要经历分析与抽象加工，在模型的建构中，需要合理运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理，能够很好地考查学生在应对复杂生活情境时的物理学科核心素养。同时，也引导教师在教学中应该适时讲述物理学科知识在科学、技术、工程、社会等方面的应用价值，具有很好的教学导向作用。

3    2020年镇江市力学﹑电磁学综合试题评析

近几年的镇江市中考，力电综合题经常作为全卷压轴题出现。该类综合试题一般设问层次明显，梯度合理，关注不同能力水平学生的作答表现，使学科基础扎实的学生更有获得感。这些综合试题能够基于实际案例考查学生完整、全面的认知体系，关注学生的关键能力，着意于学生的科学思维，促进学生的深刻理解。下面以2020年镇江市中考力学、电磁学综合试题为例进行分析。

3.1    原题呈现

例1 图3是蓄水池水位自动控制模拟装置，可绕O点转动的轻质杠杆A端用轻绳系正方体浮块，B端固定一轻质三角支架，支架与固定不动的压力敏感电阻RF保持水平接触挤压，杠杆保持水平平衡。已知∶AO长为1 m，BO长为2 m;浮块边长为20 cm，密度为5×103 kg/m3，下表面距池底2 m;当电磁铁线圈中的电流I≤0.02 A时，铁块K被释放，水泵开始工作向水池注水，反之停止注水，池内达到所设定的最高水位，线圈电阻不计;电压U=6 V，电阻箱R调至75 Ω;设RF的阻值与支架所施加压力F的关系图线如图4所示，g取10 N/kg。

（1）浮块的重力为________N。在达到最高水位之前，随着浮块排开水的体积逐渐增大，支架对RF的压力将   ________。

（2）当池内达到所设定的最高水位时，求∶

①轻绳对浮块的拉力________;

②池内水面距池底的高度________。

（3）为使该装置能自动控制水池内的最高水位，在其他条件不变的情况下，电阻箱R接入电路的阻值应满足的条件是________________。

3.2    概括提取关键信息，认识事物内在规律

该题利用文字、图、表等方式呈现物理试题，通过增加试题信息的广度和容量，加大了各种信息之间的融合，以考查学生能否从材料中筛选出关键信息，构建物理图景，分析内在逻辑规律，进而解决问题。通过关键信息的提取，我们利用图形组织器可以初步定性化建立该自动控制系统的各影响因素之间的反馈过程。自动控制系统工作流程图如图5所示。

3.3    构建物理模型，定性分析系统变化过程

通过对蓄水池水位自动控制的分析，学生可以意识到该控制系统主要涉及三个物理模型：（1）浮块的受力平衡模型;（2）杠杆模型;（3）简单的串联电路模型。基于上述三个模型的理解，我们再次利用图形组织器，半定量化呈现系统各因素的影响变化过程。水位自动控制系统工作流程图如图6所示。

3.4    借助图形组织器，视觉化推理论证过程

在上述逻辑分析推理过程中，我们都利用了图形组织器。图形组织器可以帮助学生组织相关信息，将不同信息之间的关系明晰化、可视化。它将系统中的不同事件、不同步骤或科学过程按顺序依次排列整合，知道每个因素步骤会导向何方，也知道各个部分如何按逻辑有机地组合成整体。当学生有图形组织器作为参考后，就能更快地将逻辑分析过程或推理步骤内化于心。此外，图形组织器也有助于学生自我复核，用来检查逻辑分析过程中是否有遗漏[3]。

3.5    运用图形组织器定量进行推理论证

由题意可知，当电磁铁线圈中的电流I≤0.02 A时，水泵一直向水池注水;当电流I>0.02 A时，水泵停止注水。因此，当电磁铁线圈中的电流I=0.02 A时，池内达到所设定的最高水位。

故我们利用图形组织器，以电流为0.02 A为突破口，按照图形组织器箭头所指的逆方向进行推理运算，可求出

浮块下表面距池底2 m，池内水面距池底的高度H=2 m+0.025 m=2.025 m

4    教学启发与建议

4.1    提取关键信息，培养理解能力

基于已知事实将情境中看似零散的、杂乱的、支离破碎的因果关系进行归纳与整合，从纷杂的信息中找出有用的信息，再比较和区分中理解信息之间的关系，可以较好地考查学生的理解能力。

例如，题中第3小问“为使该装置能够自动控制最高水位，在其他条件不变的情况下，电阻箱R接入电路的阻值应该满足什么条件”，学生需要对整个反馈环节进行思考，自动化控制的核心是能够构成闭环反馈，即操作端控制信号的变化经由系统后作为传感器的测量值从检测端返回。

结合题中装置图可以分析得知水位的变化并不一定导致浮力的变化，若水位低于浮块下表面，则水位的变化无法导致浮力的变化，如图7（a）所示;若水位高于浮块上表面，水位的变化也无法导致浮力的变化，如图7（b）所示。因此，实现闭环反馈的关键信息在于：水位的变化必须导致浮力变化，也就是水位的可变范围是浮块的下表面到上表面，也就是从浮块刚好受到浮力到全部浸没，如图7（c）所示。

该小题对于学生来说有一定的难度，学生一般难以意识到“水位的变化”是“浮力变化”的必要不充分条件，其实这一关键信息来源于下面这个典型试题：

如图8所示，金属块挂在弹簧测力计下，将金属块慢慢放入水中，弹簧测力计的示数逐渐减小，尝试画出金属块所受浮力与下降深度的关系图像。

从相对运动的角度来看，物块下降，也可理解为水面上升，则较为容易理解判断出水位变化与浮力变化的关系，将新知转化为旧知。

4.2    科学建构模型，培养推理论证能力

客观事物的本质属性﹑内在规律及相互关系是物理学的主要研究对象，但其具有一定的抽象性。因此，学生需要将图像信息与物理过程紧密联系起来，通过对物理过程的分析，选取建构合适的物理模型。以本题为例，学生需要建构二力平衡模型（多力平衡模型）、杠杆模型、简单的串联电路模型，进而形成清晰的物理图景，再运用重要的物理规律分析解决问题。本题较好地考查了学生的科学推理能力。

在对2020年镇江市中考力学﹑电磁学综合试题的分析中，我们多次运用了图形组织器，相较于文本信息，“形”更为直观，形是直观想象和抽象思维的载体，借助图形组织器呈现抽象的逻辑思维过程，也是对整个反馈通路的模型建构过程。它能够帮助学生建构关于自然界的物理图景，将模型建构能力内化于心，将推理论证过程清晰呈现，有助于学生建模能力的发展和推理论证水平的提高。

參考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径[J].中国考试，2019（12）：38-44.

[3]（美）R布鲁斯·威廉姆斯.高阶思维培养有门道[M].刘静，译.北京：教育科学出版社2021：120-124.

（栏目编辑    陈  洁）

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