巧设设问视角 彰显学科素养——以初中物理实验作业设计为例

许 志 李秋霞

（1.南京市教学研究室，江苏 南京 210001；2.南京市栖霞区教师发展中心，江苏 南京 210028）

作业设计的关键是依据一定的情境对问题的设计.实验是物理学科的灵魂，教师在备课设计实验作业时，要精心设计实验的设问视角，努力彰显学科素养.只有不断探求新的设问视角，才能真正考查学生对实验的过程和方法的理解程度.以下围绕初中物理实验作业的设计谈谈我们的一些思考.

1 实际“操作”，养成“物理观念”

1.1 作业案例

用量角器、直尺、45°三角尺、60°三角尺，可以做以下实验.

（1）透过尺子能看到清晰的刻度线，说明尺子的材料有很好的________性.

（2）将两把三角尺叠放在水平桌面上，用直尺紧贴桌面快速击打下方的尺子，观察到________的现象，说明上方的尺子具有惯性.与头发摩擦后的直尺能吸引碎纸屑，这是因为________.

（3）图1（甲）中，量角器底边长度为____cm.

图1

（4）用量角器的底边将直尺支撑起来，当直尺在水平位置平衡时，量角器的底边正好在直尺的中间位置（刻度线“7”和“8”的中间）.

① 图1（乙）中，用吸管在直尺a端上方用力水平吹气，能观察到直尺a端________（选填“靠近”或“远离”）吸管.

② 图1（丙）中，将三角尺A、B分别竖直挂在直尺刻度线“1”和“13”位置后，直尺还能在水平位置平衡，则A、B的质量之比为________.

1.2 设问视角和学科素养

本题以一组“尺子”为背景设计了以下几个方面的问题：（1）物质的物理属性；（2）惯性；（3）静电现象；（4）长度的测量；（5）气体压强和流速的关系；（6）杠杆平衡条件.值得一提的是题中第（4）问的设计很有新意，其一是对“量角器的底边正好在直尺的中间位置”用刻度线“7”和“8”的中间来加以解释，这样设计是为了防止对前面第三问的答案有提示（不便提“7.5”或“7.50”），便于学生算出两把三角尺对直尺压力（等于它们的重力）所对应的力臂分别是“6.5 cm”和“5.5 cm”，同时也是为学生利用杠杆平衡条件进行计算做好铺垫.通过以上相关问题的设问，本题希望达成学生以下学科素养：一是能否利用学过的物理知识解释生活中的一些简单现象；二是能否运用所学的物理知识解决生活中碰到的实际问题；三是能否根据丙图在头脑中构建出杠杆模型，从图中分析出力臂大小并能利用杠杆平衡条件正确求解.

1.3 学生答题和教学建议

本题选取学生常用的文具为问题情景，通过使用文具完成一系列小实验.考查学生基础物理知识的同时，隐形考查学生运用这些物理知识解决实际问题的能力.学生答题主要问题有：第（1）问答成延展性、反光性、耐磨性、穿透性、透塑性和惯性.说明学生一是对物质的一些物理属性概念掌握不精准，只知道大概的意思；二是不能用物理语言描述自然现象，而习惯于用生活语言模糊地表达.第（2）问学生答“振动”较多，对物体惯性的概念淡薄，没有将题设情境和惯性联系起来；而且知识固化，不会迁移.学生往往只记忆自己熟悉的情境，不能将新情境与物理问题和已经学过的知识联系起来.第（3）问学生在回答中存在以下两个问题：（a）测量的起始刻度看错；（b）无估读数值.第（4）问学生在回答中存在以下两个问题：（1）对流速与压强关系的相关知识缺失；（2）不能将题设情境与杠杆平衡条件原理联系起来并读取数据正确计算.建议在平时的教学中，要加强对学生基于生活情境解决实际问题能力的培养.

2 器材“选取”，体现“科学探究”

2.1 作业案例

现有一个热敏电阻，其阻值R随温度t的升高而减小，部分数据如表所示，利用它可以制作温度报警器，其电路的一部分如图2所示，图中两个虚线框内一个接热敏电阻，一个接定值电阻，电源电压恒为12 V.当图中的输出电压达到或超过8 V时，便触发报警器（图中未画出）报警，不考虑报警器对电路的影响.要求环境温度达到或超过40℃时开始报警，则热敏电阻应接在虚线框________（填数字）内，另一虚线框内定值电阻阻值为________kΩ.若将虚线框内两元件对调，则报警器报警的最高温度为________℃.

图2

表1

2.2 设问视角和学科素养

课标要求：了解一些新材料的特点及其应用.本题素材来源于物理教材，电路虽然简单，但思维并不简单，设问视角的创新体现在以下几个方面：（1）巧设虚线框，要求学生判断热敏电阻的位置；（2）根据串联电路电流电压的特点进行简单运算；（3）将虚线框内元件对调，考查学生是否理解“报警”的真实含义.通过以上设问，希望学生达成以下学科素养：在“动态分析”中选择器材；在“理解题意”中进行计算；在“器材互换”中拓展能力.

2.3 学生答题和教学建议

本题考查运用热敏电阻设计温度报警器，问题中有多个变量，温度、电流、电阻、电压都在改变，学生在解答本题时要紧紧抓住“8 V”这个报警条件；同时要理解热敏电阻的位置是由报警条件决定的，题中的条件“环境温度达到或超过40℃时开始报警”很重要，根据这样的条件可以理解超过40℃也要报警，而热敏电阻阻值R随温度t的升高而减小，所以如果将热敏电阻放在“1”内，环境温度超过40℃将不再报警，所以热敏电阻应该放在虚线框“2”内.另外，当将虚线框内两元件对调后，根据以上分析，现在的报警器应该是在温度低于或达到10℃开始报警，所以题目的设问改为“报警器报警的最高温度”，学生如果不能理解以上报警器的报警原理，是很难正确作答的.学生解题过程中错误较多，说明大多数学生对欧姆定律的综合应用理解有一定的困难.

3 步骤“留白”，凸显“科学思维”

3.1 作业案例

小明利用天平、量筒、烧杯和电子秤等器材测量盐水和鸭蛋的密度.

（1）用天平测量物体质量时，添加砝码过程中，_______（选填“能”或“不能”）调节平衡螺母.

（2）测量盐水密度时，有以下4个步骤：① 向烧杯中倒入适量盐水，测出烧杯和盐水的总质量；② 将烧杯中盐水倒入量筒（烧杯内有残留），测出盐水体积；③ …；④ 算出盐水密度.为使测量结果更准确，步骤③的操作是________（选填“直接”或“擦干残留盐水后”）测量烧杯质量.

（3）测量鸭蛋密度的步骤如图3（甲）、（乙）、（丙）、（丁）所示：

图3

图中电子秤显示的4个数据，若没有“131.0 g”这个数据，能否求出鸭蛋的密度？要求：① 若能，请写出鸭蛋的密度值；② 若不能，请说明理由.

3.2 设问视角和学科素养

本题考查了天平的使用、液体密度的测量和“等效替代”测鸭蛋的密度.天平的使用有很多注意点，本题通过巧妙设问“添加砝码过程中”，将试题情境自然过渡到天平使用的测量过程中，考查学生对平衡螺母的使用.关于液体密度的测量误差问题，各类作业练习中多有考查，但考查的视角大多按以下方式呈现：测量盐水密度时，有以下4个步骤：① 向烧杯中倒入适量盐水，测出烧杯和盐水的总质量；② 将烧杯中盐水的一部分倒入量筒，测出盐水体积；③ 测出烧杯和剩余盐水的质量；④ 算出盐水密度.这样测量盐水的密度结果比较准确.然而，学生是否真正理解了这样测量的好处呢？如何通过设问视角的变化来考查这一点呢？本题运用“留白”的手段，将重要的步骤“3”留白，同时增加了情境干扰，即“烧杯内有残留”，如果学生没有真正理解测量误差产生的原因，在这样的情境干扰下，很容易出错.在“等效替代”测鸭蛋的密度实验中，通过电子秤自动显示的4组数据，设计了“若没有“131.0 g”这个数据”这样的条件，考查学生对替代思想和测量结果精确性的理解.总体来说，通过以上的设问希望学生达成以下素养：在“操作过程”中能理解器材的“规范性”；在“实验细节”中能领会结果的“精确性”；在“数据处理”中能确认题干所提供数据的“有效性”.

3.3 学生答题和教学建议

本题运用“干扰信息”考查学生是否真正理解如何操作才能减小实验的误差.第3问选取鸭蛋为研究对象，单独看题目给出的每一幅图片，展现的都是静态的图景，尤其是电子秤自动显示的数据，但是把所有的图片进行整体的审视，却又展现了一个动态的操作过程，这幅动态的图景展现的是测量密度过程中的关键步骤，以此方式可以考查学生的实验探究能力和实践应用能力.第（1）问学生回答的正确率较高；学生回答第（2）问时，由于弄不清研究对象，容易选“擦干残留盐水后”.第（3）问不少学生填“不能”，不会利用图（甲）、（乙）、（丁）的数据求出鸭蛋排开水的体积.所以，在实验教学中分辨和强调每次实验过程中的研究对象非常重要.

4 活动“评价”，渗透“科学态度与责任”

4.1 作业案例

综合实践活动中，同学们设计了一款可用电流表示数显示拉力大小的测力计模型，电流表示数随拉力的增大而增大.模型电路如图4（甲）所示，ab为长10 cm、阻值25Ω的电阻丝，其阻值与长度成正比.滑片P左端固定在拉杆上，弹簧处于原长时，滑片P位于a端.电源电压恒为6 V，弹簧电阻恒为1Ω，R0为4Ω，其余部分电阻不计，电流表量程为0～0.6 A.忽略弹簧、拉杆和拉环的重力及滑片与电阻丝的摩擦.

（1）虚线框内接线柱“1”应与________（选填“2”或“3”）连接.

（2）闭合开关，弹簧处于原长状态时，R0消耗的功率多大？

（3）弹簧的伸长量L与所受拉力F之间的关系如图4（乙）所示，则电流表示数最大时显示的拉力多大？

图4

（4）图（甲）中若去掉电流表，用一只电压表（量程0～3 V）与R0并联，利用电压表的示数来显示拉力的大小，则与利用电流表相比，电压表所能显示的最大拉力将提升________%.

（5）在汇报交流阶段，同学们对模型设计的不足提出了改进措施.如（甲）图的方案，从电路的安全性考虑，其他条件不变，R0的阻值应不小于________Ω.

4.2 设问视角和学科素养

本题共设计了5个小问题，第1问让学生理解题意连接接线柱，学生只有根据题示信息构建出滑动变阻器模型，才能正确连接电路.第2问的设计要求学生根据“原长状态”分析电路，求出相关物理量.第3问则是要求学生能够将拉力的变化和滑动变阻器阻值的变化及电流表读数的变化联系在一起考虑问题.第4问要求学生“换位思考”，用电压表来代替电流表后，电路所能测量的最大拉力能有多大，实际上这类试题的解答要紧紧抓住电表的量程来思考.第5问的设计则是新课程理念的重要体现，因为无论用电压表还是用电流表来显示拉力大小，都有一个量程问题需要思考，试题用以下一句话“在汇报交流阶段，同学们对模型设计的不足提出了改进措施”来加以总结，并在此基础上设计了第5个问题“从电路的安全性考虑，其他条件不变，R0的阻值应不小于________Ω.”可谓“画龙点睛”，是作业设计中一道亮丽的风景线.

以上设问可以达成以下学科素养：一是模型的建构意识；二是实验方案的改进意识；三是实验方案的安全意识.

4.3 学生答题和教学建议

学生答题存在的主要问题有以下3个方面：

在解答第（2）问时，将R0消耗的功率求解成整个电路的功率，为1.2 W.另外部分学生认为弹簧为原始状态时，滑动变阻器的阻值为0，电路中的总电阻为5Ω，求出R0消耗的功率为5.76 W.教师在讲评作业时，可要求学生首先明确研究对象，再引导学生画出工作电路的电流路径，明确滑动变阻器接入电路之中的阻值.

在解答第（3）问时，不少学生不能正确求出弹簧的伸长量.认为弹簧的伸长量就是滑动变阻器接入电路中的长度，错误求出最大拉力为100 N.有的学生不能根据阻值与长度成正比的数量关系正确求解滑动变阻器接入电路中电阻丝的长度.还有一些学生凭空写出电源电压为12 V，最大电流为0.3 A的数值.教师在讲评作业时，首先要强调让学生养成会看图并用图辅助解题的意识，其次可以让学生在题目上圈画关键词，或者将电源电压、定值电阻的阻值等值直接标在电路图上.

在解答第（4）问时，有些同学从（乙）图中把数值看错位，造成错误答案为20%.在平时教学之中，选取图像中的具体数据时，可以让学生借助刻度尺来准确找出所求的点并获取正确数值.

以上本文借助4个案例从4个方面谈了初中物理实验作业设计的设问视角，实际上我们平时的教学内容是固定的，要检测学生是否真正理解所学的物理概念和规律，就需要作业的设计能对相同的考查内容不断探索新的设问视角，只有从生活中探寻问题情境，才能真正引导教学脱离“题海”，检测学生的学科素养和关键能力.目前，在“双减”精神指导下，我们更要重视“优化作业设计提升教学质量”，可以说，这项工作任重而道远.