基于核心素养导向的试题对物理实验教学的启示

摘 要：物理试题是学生学习物理的重要评价工具之一，物理实验题是区分学生物理核心素养的重要题型。本文从一道中考物理试题引起的教师大讨论入手，从学生的作答中剖析学生的思维过程，从而对实验教学提出建议。师生只有在平时的教学中重视实验教学，才能让学生在实验中学会观察、学会抽象、学会建模，不拘泥于教材，而不是简单的记忆，只有做实验并在实验中发现问题，通过实验解决问题，才能提高学生的科学思维能力，提升核心素养。

关键词：中考试题；实验教学；科学思维；核心素养；浮力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-008-4

1 问题的提出

浮力大小与浸没深度是否有关？这一道2017年重庆中考物理的实验探究试题，引起了物理老师的大讨论。老师们有三种观点：第一种，赞成“无关”，老师拿出不同版本的教科书的原始结论为证。“物体在液体中所受的浮力的大小不仅与物体的密度有关，还与物体排开水的体积有关，而与浸没在液体中的深度无关”（沪科版），“通过实验表明，浮力大小跟物体浸没深度无关”（人教版），“浮力的大小与物体浸没在液体中的体积有关系，和物体的密度无关系，和液体的密度有关系，和物体浸没在液体中的深度无关系”（教科版）；第二种观点认为“有关”，根据题目提供的实验情景，得出“有关”的结论；第三种观点，“有关”和“无关”皆可，只要言之有理，给出相关联的理由都行，甚至可以当成实验探究中的“猜想”来对待。

为何一道实验题在老师中会引起大讨论？这和试题本身有关，也和老师平时的实验教学有关。这道实验题以真实的实验过程为背景，以实验中观察的现象为证据，要求学生通过科学思维，探究现象背后的物理本质，很好地考查了学生的科学探究能力，区分了学生的核心素养。而不少物理老师通过对中考实验考点及题型归类，让学生大量刷题，试着让学生通过记忆就能在考试中取得高分。而2017年重庆中考的这一道物理实验试题的呈现，引起了不少初中物理老师在这场大讨论后对实验教学的反思。笔者以这道实验题为例，分析学生在答题中的思维过程，并结合案例，对初中物理实验教学进行反思。

2 实验试题及分析

2.1 实验试题

重庆市2017年中考物理试题（A卷）第17题原题如下：

喜欢书法的小明同学用压纸石块设计了如下测量与探究活动，如图1所示：

（1）……

（2）小明回家后用操作方便、精确度高的电子秤和同一块压纸石块，探究“影响浮力大小的因素”。

①他将搅匀的糖水装入柱形杯中，置于电子秤上，如图c所示；

②用体积不计的细绳系好石块，缓慢浸入糖水直至刚好浸没，电子秤示数逐渐增大，则糖水对杯底的压力____________ （选填“逐渐增大”“保持不变”或“逐渐减小”），说明石块所受浮力大小与 ____________ 有关，如图d所示位置，石块所受浮力大小为 ____________ N；

③他将石块沉入杯底，松开细绳，如图e所示，便开始写探究报告；

④完成探究报告后，他将石块从糖水中缓慢提升。细心的小明发现石块离开杯底至露出液面前，电子秤示数一直减小，这说明石块在放置一段时间的糖水中受到的浮力大小与浸没深度 ____________ 。（选填“有关”或“无关”），造成这个结果的主要原因可能是： ____________ 。

2.2 试题命制意图分析

此题测量目标准确、明确，层次分明，重点突出，考查了学生对科学探究基本要素的能力要求，体现了考试说明中对“质量”的考试要求；情景材料联系生活实际，体现考试背景的公平；以探究浮力大小的真实实验为背景，贴近学生生活，贴近社会，贴近时代，符合学生的认知特点，体现了“从生活走向物理、从物理走向社会”的课程理念；设问语言准确、简明通俗，在解决实际问题中达成“过程与方法”课程目标，倡导师生教学中关注课外活动的探究。

2.3 试题涉及的核心素养分析

该题对“科学观念”维度的考查有明确的体现，学生要有科学的“物质观”，要求学生对物质的密度概念有所认知，同时明白实际生活中物质的密度往往不均匀。例如，学生喝的饮料，放置一段时间后，饮料下部的浓度往往比饮料上部的浓度大；学生对“相互作用观”也要有所体会，电子秤的读数本质上与容器的壓力、浮力等有关。从“科学思维”角度，学生要根据电子秤示数的变化，经过综合分析、推理论证等科学思维方法的内化，在质疑中反思教材中的实验与这个实验的差别，在创新中建立起密度不均匀的液体模型。从“科学探究”维度来看，试题在实验中提出了物理问题，有猜想与假说，有证据，要求学生对实验结果经过科学思维进行解释。从“科学态度与责任”维度，该题就是为了寻找电子秤“示数减少”的科学本质，培养学生实事求是的科学态度。

3 学生的解答及其思维过程分析

学生对于“石块离开杯底至露出液面前，电子秤示数一直减小，造成这个结果的主要原因”这一设问的思考与作答过程，其实是探究物理本质的过程。答案可以说得“百花齐放”“千奇百怪”。通过对“石块在放置一段时间的糖水中受到的浮力大小与浸没深度 （选填‘有关或‘无关）”对学生的答案进行归纳发现，填“无关”的较多，在填写“主要原因”时，可以看出学生对这个问题关注的对象各有不同，即使从同一对象中去寻找物理本质，但其关注点差别也很大。接下来从学生作答的研究对象入手，对学生的科学思维过程进行剖析。

3.1 研究对象为糖水

3.1.1 学生典型作答一

“糖水中有晶体析出，造成液体密度逐渐减小。”

3.1.2 学生典型作答二

“因为石块会吸水，糖会自动析出，造成糖水密度减小，所以浮力减小。”

分析：学生从化学所学的知识可知，因为石块吸水，糖水溶液一旦达到过饱和状态，糖会析出。此过程中虽然有糖析出，但石块吸水会引起溶液中水的体积减少，糖水的浓度变大才会导致过饱和状态，所以糖水密度实际上是增大的。由浮力公式可知，浮力增大。学生从这个层面回答，主要是学生对密度的计算把握不全面，只关注液体中糖的质量减少，没有考虑水的体积的变化，片面地推断糖水密度减少。

3.1.3 学生的其他作答

“糖水变质了”“糖水中有杂质”“糖水的密度大于水的密度”“糖水一直在蒸发，导致密度增大”“糖水是过饱和溶液，糖水未完全溶解”等。这些答案有猜想的成分，没能回答到“主要原因”的本质上去。

3.2 研究对象为石块

学生典型作答：“因为石块会沉底，对杯底有压力”“糖水中有晶体析出，附著在石块上，所以石块的重力增大”“因为石块的密度大于糖水的密度”“石块的重力大于石块的浮力”。

分析：这些答案，学生有猜的因素，在逻辑上经不起推敲。石块会沉底，对杯底有压力，会导致电子秤示数变大，与题干条件不符；糖水中晶体析出附着在石块上，石块重力增加，细线弹力会变大；石块密度大于糖水的密度以及石块的重力大于石块的浮力，只能说明如果没有细线作用，石块会下沉，这与电子秤的示数变小没有直接关联。

3.3 研究对象为细绳

学生作答有“因细绳在上升过程中，浸入的体积在减小，所以总的浮力随深度的减小而减小”“细绳会吸水造成误差”等。

分析：学生在审题的时候没有看清楚“体积不计的细绳”的表述，其实这是理想模型，暂时忽略了绳的体积，故其吸水性不予考虑。同时，题干中要求探究的是“主要原因”，所以不会因为细绳吸水造成浮力的变化。

3.4 研究对象为环境

学生作答有：“因为大气压的变化，所以造成物体在液体中的压力变化”“因为周围的温度发生变化”。

分析：学生在思考过程中，没有捕捉到题干提供的电子秤变化信息——“示数减少”，所以在回答主要原因时应该结合电子秤“示数减少”去探寻。

3.5 研究对象为拉动方式

有学生作答为“未匀速拉动”。

分析：出现这种答案的原因在于，学生没有注意到“缓慢提升”的理想过程，这是动力学有关的平衡问题，如不缓慢拉动，这里将涉及初高中衔接的有关知识。

3.6 研究对象为电子秤

学生作答“电子秤出现故障了”，这是试图从实验仪器上寻找“主要原因”，但问题的意图是解释“证据”的本质。

该题很新颖，源于学生的生活体验。第一，喝饮料时学生往往体会到，杯底部分的饮料浓度比上部的浓度大。第二，对于糖水的密度不均匀，可以通过光的折射来观察，用激光水平射入放置过一段时间的糖水，可以发现，激光越接近容器底部，光的折射越明显。

学生要找到正确的“主要原因”有难度，因为学生作答时在思维上有以下不足：

第一，学生捕捉信息的能力有待加强。题目的设问是缓慢向上拉动，即在空间上的变化使得电子秤示数减少的原因，很多学生理解为时间上的变化，糖水密度会变化。

第二，学生基于证据的科学探究、科学思维能力需要加强。实验的问题要在实验中生成，要从现象得出结论，以实事求是的科学态度与责任对待实验过程。尽管实验现象与教材中的结论有差异，但要实事求是地分析现象的本质。

第三，学生对实验中的生成问题训练得不够，需要在实验教学中加强训练。

4 对物理实验教学的启示

4.1 重视实验教学，多做物理实验

让学生在科学探究中进行科学思维训练，无论是演示实验还是学生实验，教师都要克服困难做实验。如干冰的实验教学中，由于干冰储存不易，教师在课前可以到附近的蛋糕店寻找干冰，可以明显观察到包装口袋的凝华现象，在演示干冰升华时，可以设计以下教学情境。

实验一，展示干冰的包装口袋。在口袋外部有一层霜，如图2a所示。教师提问：霜是怎样形成的呢？请学生思考为什么。

实验二，将干冰放入冷水中演示。如图2b所示，冷水中会有大量气泡冒出，同时冒出“宛若仙境”的“白气”，“气泡”和“白气”的成分是什么？这是怎样形成的？还有容器的温度会急剧降低，这又是为什么？同时给每位学生分发干冰，如图2c所示，让每个学生都能体验并观察，学生很快就可以解释“气泡”“白气”的成分和形成原因：“气泡”的成分是二氧化碳，是水中的干冰升华导致二氧化碳气体从水中冒出，“白气”是由于空气中水蒸气遇冷形成的，同时感受水温降低。

实验三，将干冰分别放入冷水与热水中，如图3a和图3b所示，实验现象差别很大。干冰放入后，冷水周围的“白气”比热水周围的“白气”多，引导学生思考这是为什么？

4.2 关注学生学习的思维过程

关注学生的学习过程，让学生在实验中观察现象、抽象模型，从而形成概念、建立规律、体验应用。教师对学生把脉后才能对症下药，才能设计符合学生实际的教学策略。

比如，在电学中学生建立“短路”模型时，教师可分五个思维步骤设计以下的实验探究，如图4所示，让学生逐渐理解短路时电流过大容易引起火灾。

第一，观察现象。部分用电器短路，感受电流增大。两个灯泡串联，当开关S1闭合、S2断开时，两个灯泡正常发光。当两个电键同时闭合时，L2立即熄灭，L1的亮度更大。实验表明，部分用电器短路，被短路的用电器没有电流通过，而通过另一用电器的电流变大。

第二，推理归纳。教师引导学生思考讨论，如果所有用电器都被短路呢？也就是电源被短路，电流会很大，这样让学生逐渐思考电源短路的特点，虽是通路，但电流很大，容易引发火灾，这样就实现思维能力的迁移。

第三，再次实验。体验 “短路”时引发火灾，用一节干电池和口香糖包装纸做实验，将口香糖包装纸剪成 “V”字型，用口香糖包装纸导电的一面直接连接干电池的正负极，可以看到，最窄处立刻燃烧冒烟，学生再次体验到“短路”的危险。

第四，联系实际。家庭电路中正常电压是220 V，如果短路会发生什么现象呢？学生猜想出会很危险，接着老师演示实验（如图5a所示），当家庭电路短路时，保险丝立刻发出爆炸声并冒出火花和浓烟，保险丝被熔断（如图5b、图5c所示）。

第五，得出结论。一般情况下短路是绝对不允许的。

4.3 关注实验中生成的问题，在实验中解决问题

学生操作错误会带来新的问题。比如，在学习滑动变阻器的闭合电路，灯泡往往不发光，教师此时提出，灯泡是否已经损坏？接下来教师通过减少滑动变阻器的电阻，灯泡逐渐亮起来，让学生明白灯泡没有损坏。但此时生成了新的问题：为什么闭合电键时灯泡不发光？通过讨论，学生意识到，灯泡之所以最初不发光，实际上是因为电流太小，不足以让灯泡达到发光程度。

建构主义学习理论指出，教学必须尊重学生现有的知识经验，学生是具有主动性、自主性、探索性的个体，在学习中应强调基于案例的探究学习。课堂实验教学能给物理学习提供很多探究案例，为加速提升学生的核心素养，教师在教学中要重视实验教学。

参考文献：

[1]李先全.深挖教材习题课程资源，助推思维能力迁移——以“电流做功的快慢”的习题教学为例[J].中学物理教学参考，2017，46（6）：65-66.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2011.

[3]张大均.教育心理学第2版[M].北京：人民教育出版社，2011.（栏目编辑 赵保钢）