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“综合性”考查要求的内涵以及对教学的启示

2020-01-07 14:02:10 物理教学探讨 2020年12期

姚彬 何晋中

摘? 要:“综合性”考查不仅是评估考生对学科内及学科间常识、技能的融会贯通,也能够反映考生面对复杂情境时的思维过程。文章从情境、思维、关联和错因四个方面对高考试题展开分析,提出“综合性”对高中物理教学的三点启示:完善常识网络、建构物理模型和优化思维过程。

关键词:高考评价体系;综合性;情境;物理模型;思维过程

中图分类号:G633.7 文献标识码:A ? ? 文章编号:1003-6148(2020)12-0033-5

“综合性”考查是“一核四层四翼”高考评价体系中“四翼”考查要求之一,它与基础性、应用性、创新性一起回应高考“怎么考”的问题;它是测量与评价即将进入高等学校学习的学习者在复杂情境下对学科常识、能力、素养之间的整合及其综合运用水平。

1? ? 高考评价中综合性的内涵

综合不是学科常识、能力的简单拼凑,而是以情境为载体来展现学习者对常识的理解和联系、技能的整合和运用。“综合性”考查要求侧重高考测量与评价,它与高中物理课程标准的评价、学生学业质量评价相辅相成,共同关注学生综合素质的培养。“四层”中考什么的问题在综合层面得到更全面、更深入地体现。

1.1? ? 融会贯通是综合素质的培养目标之一

综合素质的培养是德智体美劳全面培养教育体系的基本要求[1]。良好的综合素质表现在面对复杂问题情境时,可以综合运用科学思维方法,整合相关常识和能力高质量地解决问题。具体表现在处理复杂问题时,能否对同一层面或不同层面的常识、技能、素养的横纵向融会贯通。例如,匀变速直线运动速度公式vt=v0+at和动能定理W=ΔEk分别属于必修一、必修二的基础內容,从学科模块角度来看属于不同层面的必备常识,从动力学角度来看则属于同一层面的常识。它们又与运动图像、极限思想、能量守恒观点等关键能力、物理思想等构成纵向联系。在不同视域下,概念与规律之间、学科模块之间、不同学科之间相互关联构成错综复杂的常识网络。常识网络和关键能力、学科素养、核心价值等一起构成具有内在逻辑关系的学科常识体系。

1.2? ? 问题情境是“综合性”考查的有效载体

综合性不仅针对学科内容,还包括情境的复杂性[1]。评价体系中的情境是指以问题或任务为中心构成的活动场域[2],即“问题情境”。一般来说,物理学科情境的复杂性取决于研究者对活动场域的熟悉程度、研究对象和研究过程或状态(注:研究过程或状态在文中均统称研究过程)的数量以及相互关联活动的隐蔽程度三个方面。高中物理涉及到的活动场域如水平面、斜面、绳摆、竖直圆轨道等,多源于生产生活实践,并对其进行理想化处理。研究对象和研究过程越多,可能涉及的运动类型越多,对应的物理规律就越多。

综合性要求以多项相互关联的活动组成的复杂情境作为载体[1]。相互关联不仅包括研究对象之间相互作用的关联,还包括研究过程之间时间和空间上的关联,也包括其他因素的关联。情境的复杂性与关联数量有关,与关联隐蔽程度也有关。有些关联不易察觉,需要具有较强的信息获取、常识调动、质疑求证等各种综合能力,才能高效地发现这些隐蔽关联。

1.3? ? 情境活动是思维过程的综合表现

情境活动是指考生在情境中所进行的解决问题或完成任务的活动[2]。分析推理是情境活动最重要一个过程。分析推理是指考生面对情境问题时对学科常识和相关信息进行概括整合、归纳演绎、辩证反思等一系列思维过程。笔者将思维过程归纳为三种分析类型:物理分析、数学分析和推理分析。物理分析指依据获取信息,调用相应的物理概念和规律逐次推进的思维过程,反映了学科内常识的横向融会贯通;数学分析是指应用运算、函数、几何等数学方法进行的思维过程,反映了学科间常识的融会贯通;推理分析是指运用假设、反证、等效等逻辑方法进行的推理、判断和论证的过程,反映了不同层次常识和技能间的纵向融会贯通。情境越复杂,情境活动越多样,越能反映考生的综合素质水平。

2? ? 高考试题体现综合性例析

高考试题是如何通过情境考查学科内或学科间常识的综合?学生又是如何调动所学常识来进行情境活动?本文聚焦在竖直平面内的圆弧轨道这一特定的活动场域。

竖直平面内的圆周运动是常见的物理活动场域之一。它涉及到的物理概念和规律多是学科主干常识,还能与其他场景构成复杂的物理情境。据不完全统计,从1997年到2018年全国高考卷中与竖直平面内的圆周运动有关的试题多达22个,几乎每年都会出现。

笔者从历年全国高考物理试题中选取三道中等难度的试题,从情境、思维、关联以及错因四个方面进行剖析,以期发现问题症结、提炼试题特征、寻找教学对策。

2.1? ? 不同年代综合性高考试题及分析

例1 (1997年全国卷)内壁光滑的环形细圆管,位于竖直平面内,环的半径为R(比细管的半径大得多)。在细圆管中有两个直径略小于细圆管管径的小球(可视为质点)A和B,质量分别为m1和m2,它们沿环形圆管(在竖直平面内)顺时针方向运动,经过最低点时的速度都是v0;设A球通过最低点时B球恰好通过最高点,此时两球作用于环形圆管的合力为零,那么m1、m2、R和v0应满足的关系式是_________。

【情境】本题以竖直放置的环形细圆管为活动场域。

【思维】 物理分析:分别对三个研究对象进行受力分析,并根据相应的物理规律列式。

推理分析:B球在最高点受到轨道的弹力方向的判断需要经过一个推理论证过程,如图1。

数学分析:将已知量代入物理列式中,通过数学计算等分析过程得到答案。

【关联】关联1:环形圆管受到两个弹力与A、B两球的弹力FN之间的关联;

关联2:A、B两球在最低点的速度均为v0;

关联3:B球在最高点的速度v与最低点的速度v0之间的关联。

其中,关联2为题中已知条件;关联3可应用功能规律分析;关联1隐藏在推理分析过程中。题中已知的是“两球作用于环形圆管的合力为零”,需要综合运用物理常识和推理论证才能得出两弹力的关系。

【错因】 本题是一道典型的以学科内常识横向联系为主的综合性问题。笔者曾将此题改编为计算题,对多届高三学生进行过限时测试。依据测试结果和跟踪调查发现,除了物理基础常识不过关和数学运算能力偏弱两个常见问题之外,学生推理论证不够严谨是该题的主要错因。学生根据题中表述“它们......经过最低点时的速度都是v0”认为两球在最高点的速度均为v,或是两球在最高点、最低点所受弹力均为FN,错误列式为:FN+m1g=m1■、FN-m2g=m2■。

例2 (2017年全国Ⅱ卷)如图2,半圆形光滑轨道固定在水平地面上,半圆的直径与地面垂直。一小物块以速度v从轨道下端滑入轨道,并从轨道上端水平飞出,小物块落地点到轨道下端的距离与轨道半径有关,此距离最大时对应的轨道半径为(重力加速度大小为g)(? ? ? )

A.■ B.■

C.■ D.■

【情境】 本题的活动场域为竖直半圆轨道对接水平轨道。

【思维】 分析过程如图3。

物理分析:对圆周、平抛两个运动过程分别列式。

推理分析:思考距离x为何会有最大值,x与R两个变量之间有何种联系。

数学分析:综合物理列式推导出x与R的函数关系式并求其极值。

【关联】 关联1:最高点的速度v1、圆轨道的半径R是前后两个过程的关联点;

关联2:水平距离x与圆轨道半径R的关联;

关联3:水平距离x的最大值对应的R值的关联点。

半圆形轨道与水平面对接是高中物理问题中常见的活动场景,关联1容易被发现,关联2需要通过推理论证和数学运算才能找到。能否找到关联3取决于数学技能的掌握程度。

【错因】 从情境来看本题并不复杂,活动场域也并不陌生。跟踪调查发现,学生思维过程中主要存在两个方面的问题:(1)建构物理模型能力欠缺。例如,本题涉及到R、v1、v、t和x等多个物理量,有些学生未能从题中表述获取构建模型的关键信息,不能快速、准确地列式和处理,不清楚何为定量、何为变量。(2)各种分析能力的融合不够。例如,由于推理论证能力不足,没有发现R存在某个值使得x有极大值,导致无法得到关联点2。从x与R的函数中找到极值问题对高中学生来说并不算难点,但数学技能与物理分析和逻辑推理融合在一起,使得思维难度增加。

例3 (2018年全国Ⅲ卷)如图4,在竖直平面内,一半径为R的光滑圆弧轨道ABC和水平轨道PA在A点相切,BC为圆弧轨道的直径。O为圆心,OA和OB之间的夹角为α,sinα=■,一质量为m的小球沿水平轨道向右运动,经A点沿圆弧轨道通过C点,落至水平轨道;在整个过程中,除受到重力及轨道作用力外,小球还一直受到一水平恒力的作用,已知小球在C点所受合力的方向指向圆心,且此时小球对轨道的压力恰好为零。重力加速度大小为g。求:

(1)水平恒力的大小和小球到达C点时速度的大小;

(2)小球到达A点时动量的大小;

(3)小球从C点落至水平轨道所用的时间。

【情境】 本题与例2构建的活动场域类似,但有两个不同点:一是轨道是优弧;二是存在一个水平恒力。

【思维】

推理分析:结合题中信息“水平恒力”“合力的方向指向圆心”和“此时小球对轨道的压力恰好为零”画出图5中的受力分析2。

物理分析:由矢量合成法得到水平恒力与合力的表达式。由牛顿运动定律和动能定理可求得小球在C、A两点的速度,进而求得小球到达A点时的动量大小。

数学分析:除了基本运算處理,还应用三角函数来表示水平恒力与合力,表示A、C间的水平、竖直距离以及C点的竖直分速度大小。

小球从C点落回水平面的过程是一个类平抛运动。结合问题来看,并不是按平抛运动常规分析思路,而是分析竖直方向的分运动。该过程既有物理分析,也有推理分析。

【关联】

关联1:小球在A点与C点的速度关联;

关联2:矢量三角形与几何图形中的角度关联。

【错因】 本题不仅考查了力和运动的合成与分解、圆周运动、动能定理等必备常识,也考查了学生对常识的迁移、运用规律进行分析等关键能力。错因主要是以下三个方面:(1)关键信息的获取能力不足。例如,学生未能综合解读题中关键词句“水平恒力”“合力的方向指向圆心”和“压力恰好为零”给出的信息,因而无法推测水平恒力的大小。(2)常识调用能力不足。对C点受到的重力和水平恒力应用正交分解法,导致运算加大。(3)应变能力不足。学生判断小球从C点离开轨道后做类平抛运动,从速度的平行和垂直两个方向分析,加大了分析的难度。

2.2? ? “综合性”考查常见错误分析

学科素养包括“学习掌握、实践探索、思维方法”三个一级指标[1]。其中,“学习掌握”首先要求个体能够获得所需要的信息,其次要能够在原有常识的基础上理解新信息并将其纳入学科的基本常识结构中,最后要能够根据已接收的新信息与解决问题的需要建立各种常识组合。概括来说,学习掌握是对信息的“获取”“迁移”和“整合”。通过对上述三道高考试题的分析,发现学生恰好是在上述三个环节存在问题。

(1)信息获取能力不足。阅读习惯、常识缺失、考试情绪等诸多因素是学生未能从已知内容获取关键信息的原因。访谈发现,有些学生有跳跃性阅读习惯,故对例1中“此时两球作用于环形圆管的合力为零”误读成环形圆管的合力为零;有些学生对圆周运动向心力来源分析掌握不好,无视例3中“小球在C点所受合力的方向指向圆心”和“此时小球对轨道的压力恰好为零”所蕴含的关键信息。

(2)常识迁移能力不足。迁移能力反映在两个方面:一是常识迁移。将获取信息纳入学科基本常识结构中,需要从已有的常识结构体系中调取相应的内容。如例2中要构建水平距离与轨道半径的函数关系,需要调动机械能守恒定律、平抛运动等物理常识,还需要调动二次函数的极值等数学常识。二是能力迁移。新信息与原有模型有差异,需要依据现有条件对原模型进行合理调整或变换。例如,例3中小球从离开C点后虽然符合类平抛模型,但并不宜从合力方向分析,而是分解为竖直方向更为简捷。

(3)分析方法整合不足。从三道例题的分析可以看出,思维难点往往集中在某些过程同时需要整合物理分析、数学分析和推理分析。如例1中从环形圆管的受力结合A球在最低点的受力推测出B球受到的弹力方向的思维过程,包含了物理和推理两个分析过程。又如例2中就包含了物理和数学两个分析过程。学生面对多物体多过程(状态)的复杂情境时,欠缺将不同类型的分析过程整合的意识或能力,从而导致思维过程混乱。

3? ? “综合性”考查的要求对高中物理教学的启示

中国高考评价体系的发布将对高中物理教学产生重要而深远的影响[3]。评价体系中“四翼”中的“综合性”考查无论是为高校选拔人材,还是引导教学都将起到非常重要的作用。结合教学实践及对评价体系的理解,笔者认为高中物理教学应重视完善常识网络、增强建模能力、优化思维过程三个方面,以期解决学生面对复杂情境时暴露的不足,促使常识、技能的融会贯通。

3.1? ? 引导学生循序渐进构建各层面常识网络和学科整体框架

新常识的构建需要原有常识作为基础。因此,物理教学都是以常识为线索展开的[4]。这些线索将各层面的常识联系起来构成了常识网络以及学科的整体框架。引导学生构建和梳理常识及能力网络,应从三个方面加强教学引导:(1)夯实基础常识。基础常识通过网络构成整个学科的常识体系,而所有的物理问题最终落实在众多的基础常识上。因此,强化概念、规律和通用技能是教学的重点环节。(2)循序渐进完善常识网络。高中物理在章节之间、模块之间的常识呈现循序渐进的特点。教学中引导学生思考每节课所学内容与前面所学内容是何种联系,并且在常识网络上相应位置进行明确标识,逐步形成完整的常识结构、能力结构网络。(3)强化典型问题情境的多样化教学,促进学科整体常识的融会贯通。典型的复杂情境可以反映学生综合运用科学的思维方法,合理地组织、调动不同学科的相关常识的能力。采取探究式教学、变式教学等多样化教学方式,促进学生思维的自我完善,以达到触类旁通、举一反三的目的。

3.2? ? 引导学生正确建构模型和合理运用模型

综合性问题往往涉及到多个对象、多个过程的复杂情境,关联诸多概念、规律。建构物理模型,可以简化情境、整合常识、优化思维。在模型教学中注意抓好三个点:(1)建构物理模型宜精不宜多。例如,有些教师在动量守恒教学中总结子彈打木块模型、木板滑块模型、弹簧模型……尽管物理活动场域不一样,但这些模型在物理本质上是相同的,完全可以用弹性碰撞或非弹性碰撞概括之。(2)建构模型要强调物理本质。将某一类具有相同的物理特征、规律和思维方法的物理过程提炼成物理模型,那么在引导学生建构物理模型时就有必要强调模型的物理本质。如分析物体在竖直面内圆轨道的运动,牛顿运动定律和功能原理就是该模型的物理本质。(3)提升运用模型时的迁移能力。从学习心理学的角度看,考生在解决实际问题时,要经历常识迁移和能力迁移两个过程。问题解决的好坏是上述两个迁移结果的表现[5]。不顾情境条件和问题设置生搬硬套是学生应用模型时最常见的问题。采用一题多变等教学方法,通过微调经典模型的场景、条件等,引导学生学会质疑,提升学生对模型的辨识能力和常识迁移能力,培养实事求是的精神。

3.3? ? 强化学生思维训练,逐步形成高效的情境活动

如前所述,情境活动主要体现在分析问题的思维过程中。教学中如何促进学生高效思维呢?建议从以下三个方面强化:(1)培养学生信息获取能力。从三道例题错因分析发现,获取关键信息是解决综合性问题的第一把“钥匙”。教学中要促使学生养成良好的阅读习惯,提升高效审题技能和培养质疑反思能力。(2)由简单至复杂展开情境活动训练。情境越复杂,对学生的综合能力要求越高。常识和能力的融会贯通并不会一蹴而就,需要由简单到复杂逐步提升。该过程与常识网络的构建过程是一致的。因此,教学中不仅要引导学生完善常识网络,还需要教师精心设计问题情境,把新旧常识综合起来,通过情境活动提升学生的综合能力。(3)强化推理分析的思维训练。教学中常会遇到这种现象:学生面对稍微复杂点的综合性问题就束手无策,听完教师的讲解又感觉并不是太难,很大程度上是思维过程中的推理分析造成的。关联点太多或太隐蔽、需要融合物理或数学分析等都会导致推理分析难度增大,因此,思维训练中应强化研究对象、研究过程的关联意识,以及物理、数学、推理三种思维分析的融合意识。

构建常识网络可以使学生融会贯通常识,建构模型可以使学生高效综合运用常识,强化推理思维可以使学生优化综合分析过程,亦是提升学生综合素养的必经之路。

参考文献:

[1]国家教育部考试中心.中国高考评价体系[M].北京:人民教育出版社,2020.

[2]国家教育部考试中心.中国高考评价体系说明[M] .北京:人民教育出版社,2020.

[3]蒋炜波,赵坚.高考评价体系在物理学科命题中的体现及对教学的启示[J].物理通报,2020(3):2-8.

[4]樊杰.如何构建有效物理模型并实现优质教学[J].物理通报,2015(5):105-108.

[5]黄红波.物理高考中的试题情境[J].物理教师,2016,37(6):83-85.

(栏目编辑? ? 陈? 洁)

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