物理关键能力框架下的中考试题设计策略
摘 要：为科学评价初中学生的物理学业水平，需基于课程标准，基于关键能力框架进行试题设计.本文结合中考试题，说明设计的几项策略：建构物理模型，评价学生对概念和规律的理解;依托真实的问题，评价学生的实验技能和探究思维;关注科技实例，评价学生的认知结构和科学思维.
关键词：概括理解;实验探究;实践应用
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）14-0062-04
基金项目：江苏省教育科学“十三五”规划课题“指向物理核心素养的单元设计”（项目编号：R-c/2016/07）.
作者简介：许帮正（1971-），男，安徽桐城人，硕士，中学正高级教师，江苏省特级教师，研究方向：中学物理课堂教学、单元设计.
自2017年起，笔者作为江苏省义务教育学生学业质量监测专家组成员，一直参与初中物理监测工具的研制.依据课程标准，基于大规模监测的实践研究，专家组给出的初中物理关键能力框架结构，包括概括理解、实验探究、实践应用，这与高考评价体系所要求的三项关键能力群相一致，对应关系如图1所示.
“概括理解”是学生在进行物理知识学习过程中表现出的能力，包括“观察与建模”“概括与推理”“辨析与梳理”等能力;“实验探究”是指学生在观察、实验和科学探究过程中表现出的能力，包括“问题与猜想”“设计与操作”“证据与论证”等能力;“实践应用”是指学生在应用物理知识解释自然现象和解决实际问题时表现出的能力，包括“分析与解释”“思想与方法”“反思与评价”等能力.
物理中考，作为初中学生学业水平评价的重要组成部分，需要基于课程标准，基于关键能力框架结构进行试题设计，笔者结合中考试题进行分析交流.
1 概括理解：建构物理模型，评价学生对概念和规律的理解
教师首先需要明确物理究竟讲什么？以此来确定学生该怎样学习物理.爱因斯坦在他的著作《物理学的进化》中给出的观点是：物理是在概念世界和现象世界之间建立关联.人类自从有了思想，便一直试图解开这世界的终极之谜，直到300年前，才开始找到解开这谜题所用的语言，这就是“物理概念”.我们可以这样理解，物理的研究过程源自于理解自然的设计，基于观察，提出问题，进行猜想，用实验进行论证，建立物理模型，并用物理概念来描述物理模型.
所以，从学生学习的角度，对物理知识的获取能力，首先体现在能够阅读和理解物理学科的文本、符号，理解物理概念.其次是能够从具体情境中提取有效信息，用物理概念和规律或者原理去解释现象，依托概念建立起对学科基本知识的结构化理解.从评价的角度讲，我们就得采用“反刍”的方式，建构出物理模型，以评价学生对物理概念和规律的理解.如下题所示.
例题1 阅读短文，回答文后问题.
地基沉降
建在地面的房屋往往会面临地基沉降问题，意大利的比萨斜塔就是因为地基沉降不均匀而倾斜的.房屋下方的地层通常包括土层和岩石层.岩石风化、脱落形成的细小颗粒称为土粒.土粒很坚硬，很难被压缩，但土粒之间有很多孔隙.如图2a所示，土由土粒和土粒间的孔隙构成.土中孔隙的总体积和土粒的总体积之比称为土的孔隙比.与坚固的岩石层不同，外加压力时，土粒会发生移动，重新排列、靠紧，土的体积就变小了.如图2b所示，房屋对下方地层的压力很大，土层被压缩，就造成了房屋的地基沉降.因此在建造房屋之前要勘测地层，预估地基的沉降量.
（1）从土的构成看，土被压缩的体积可以认为等于 减小的体积.
（2）在一次建造房屋前的地层勘测中，从土层中取一些土作为样本，烘干后测得密度为1.8×103kg/m3.已知土粒的密度为2.7×103kg/m3，则土的孔隙比为 .
（3）对上述样本土进行压缩试验，得到孔隙比和所加压强的数据见表1.请在坐标图中画出e-p关系图像（如图3所示）.
（4）若该房屋的重力为1×107N，地基面积为40m2，下方土层厚度为6m.请根据以上数据，预估地基的沉降量为 m.
从课程标准的角度分析，试题考查的知识点为“压强、密度”， 知识的水平层次为“理解”.从关键能力框架来看，试题考查的关鍵能力为“概括理解”能力.
试题素材选择具有实际意义，给出一段关于“地基沉降”原因的短文，题干中“孔隙比”解释清晰，学生需要从阅读中找到地基沉降的原因是房屋对土层的压强导致土中孔隙的减小，理解图2，并能形成如图4所示的土层模型.
对照模型，第（1）问的答案为“孔隙”;第（2）问利用密度公式，可以设质量为m的土，写出土的体积和土粒体积的表达式，计算出孔隙比为0.5（如图4a所示），这里有一个易错之处，如果信息提取不到位，学生会误将土的体积和土粒体积混淆.第（3）问，利用数据画出孔隙比和压强的图像，如图5所示;第（4）问计算出压强后，借助图像计算出孔隙比约为0.41（如图4b所示），因为土层厚度原为6m，土粒厚度不变，为4m，图4a中孔隙厚度为2m，图4b中孔隙厚度为1.64m，所以地基的沉降量约为0.26m.解答此题，学生经历了“提取信息—明确概念—建立模型—选用公式”的过程，评价学生“观察与建模”“概括与推理”和“辨析与梳理”等能力.
2 实验探究：依托真实的问题，评价学生的实验技能和探究思维
实验探究能力应是学生在面对学习探索问题情境时，进行认知操作和行动操作过程中表现出的稳定的个性心理特征，是理论联系实际所必须具备的能力基础.包括实验设计、动手操作、数据处理和信息转化能力.试题设计应根据真实的问题情境，评价学生的实验技能和形式逻辑思维.
真实的学习才能解决真实的问题，在实验探究中，我们切忌让学生“按方抓药”，应让学生切实经历探究过程，才能产生真实的问题.笔者曾听多位教师执教“测量定值电阻的阻值”，教师提供给学生的主要器材有：两节新干电池，阻值为5Ω或者10Ω的待测电阻，电压表、电流表，滑动变阻器.一般流程是：给出欧姆定律—按照原理连接电路—多次测量取平均值.接下来，提出假设，如果电流表（或电压表）损坏，如何测量？在这种教学方式下，学生看似经历了探究过程，但是实质是重复实验操作，并非真实的学习.
准确测量出定值电阻的阻值是实验目的，这里包括小电阻和较大电阻的测量.教师在教学中，如果做以下两种情形的改进，则可以反映学生真实的实验技能和探究思维.第一种改进：如果给学生2Ω的电阻.实际测量时，学生碰到的第一个问题是电流表到底是选择哪个量程？同时也必须要考虑，电流会超过1A，属于大电流，在此情形下，如何减小测量误差？第二种改进：选取家用电器中实际使用的色环电阻（200Ω左右），让学生测量，必然出现电流表示数小于最小分度值0.02A，此时就只能考虑选用其他测量方案，也就排除了电表损坏的假设.必然需要重新设计电路，例如可以采用如图6所示的方式，利用电阻箱和待测电阻串联，改变电阻箱的阻值，读出电压表示数，利用数学关系，准确测量出电阻的阻值.基于上述电阻测量中需要解决的实际问题，笔者设计了如下的中考试题.
例题2 小明和小华在进行“测量定值电阻的阻值”实验，器材有：干电池两节，开关、电压表、电流表、滑动变阻器（20Ω 1.5A）、电阻箱（0～9999Ω 5A）各一个，待测电阻R1、R2，导线若干.
（1）连接电路前，小明发现电流表指针如图7甲所示，于是他将电流表指针调至 .
（2）①图7乙是他们连接的测量R1阻值的部分电路.请用笔画线代替导线，将电路连接完整.
②闭合开关前，应将滑动变阻器的滑片P置于最 （选填“左、右”）端.
③在正确完成上述操作后，闭合开关，移动滑片P，当电流表示数为0.2A时，电压表示数如图7丙所示，则电阻两端的电压为 V.多次实验所测量的结果见表2，则R1的阻值为 Ω.
④测量R1阻值过程中，老师提醒他们要尽量缩短通电时间，并用较小的电流来测量，这样做的理由是： .
（3）为测量电阻R2的阻值，他们在已连接好的图7乙的电路中，用R2替换R1接入电路.
测量过程中，发现电流表示数始终小于分度值.于是，他们按照如图8甲所示的电路图，重新连接了电路，闭合开关后，改变电阻箱接入的阻值进行多次测量.记录下电阻箱的阻值R及对应的电压表示数U，并根据记录的数据绘制出1U-1R图像，如图8乙所示，则所测电阻R2的阻值为 Ω.
试题围绕“准确测量定值电阻的阻值”这一主要问题而设计，第（2）④小问，为准确测量小电阻的阻值，需要避免在测量中，由于电流过大和通电时间过长，导致电阻发热阻值发生较大变化.第（3）小问在测量大电阻时，电流表示数由于太小，所以需要考虑实验的重新设计.依据设计的电路图（如图8甲所示），我们可以推导出电压表示数与待测电阻R2的关系：1U=1U0+R2U0·1R，其中，U0为电源电压.解读坐标图像（如图8乙所示）中的数值，可以得出1U0=0.36，R2=160Ω.解决此题还可以直接从图像入手，因为1U0=0.36，所以U0=259V，当R=40Ω时，电压表示数U=11.8V=59V，利用串联电路的规律可以得出答案R2=160Ω，这两种解决问题的方法是合理利用物理思维和数学工具.
从课程标准的角度分析，试题考查的知识点为“欧姆定律”，知识的水平层次为“理解”.从关键能力框架来看，试题考查的关键能力为“实验探究”能力，突出问题解决路径，考查“设计与操作”和“证据与论证”等能力.
3 实践应用：关注科技实例，评价学生的知识结构和科学思维
从物理走向社会，是课程标准的基本理念，是体现物理学科价值的路径.实践应用能力应是学生在面对生活实际问题情境时，进行知识应用的过程，进行学科知识加工的过程.为评价学生的实践应用能力，我们需要基于学生的实际生活，选择合适的生活实例.
例如，在疫情期间，学生外出机会减少，乘坐公共交通的机会也减少，为體现物理学科的实践应用价值，贴近学生生活，笔者选用“家用小汽车”作为命题情境.作为交通工具，首先要考虑汽车行驶的安全性，为了保障行驶安全，汽车的后风窗都装有如图9所示的加热除霜电路，该电路的工作原理图如图10所示.那么这个加热除霜电路如何工作？加热功率为多大？如何合理设计和改进？这些都是实际问题，通过对这些问题的考查，就可以很好地引导学生将知识迁移到新的情境，分析模型，作出解释，运用物理的思想与方法解决新问题.于是，笔者在走访专业人员后，对汽车后风窗玻璃质量、电路中原件的规格做了进一步的了解，设计如下试题.
例题3 冬季，汽车后风窗玻璃上常会形成一层薄霜，导致驾驶员无法准确观察后方情况.为保障行车安全，后风窗玻璃装有加热除霜电路.如图11甲所示，是某同学设计的模拟汽车后风窗玻璃加热电路，它由控制电路和受控电路组成.控制电路中S接“手动”时，电磁铁A通电吸引衔铁，使触点D、E接触，受控电路中电热丝R2工作，对玻璃均匀加热.S接“自动”时，加热过程中，玻璃温度升高至45℃时，触点D、E恰好脱开，此时控制电路中通过的电流为0.02A.电路中U1=6V，U2=12V，R0=150Ω，R2=0.8Ω，R1为固定在玻璃内的热敏电阻，其温度始终与玻璃温度相同，阻值随温度升高而增大.若电热丝R2所产生的热量完全被玻璃吸收，玻璃质量为9kg，玻璃比热容为0.8×103J/（kg·℃）.电磁铁A线圈的电阻忽略不计.
（1）开关S接“手动”：
①电磁铁A通电时具有磁性，此现象称为电流的 效应，A的上端是 极.
②将玻璃从-5℃加热至45℃，所需的时间是多少？
（2）开关S接“自动”.玻璃的温度为15℃和45℃时，控制电路的功率相差了0.03W，则15℃时热敏电阻R1的阻值为 Ω.
（3）汽车后风窗玻璃上的电热丝R2是通过丝网印刷的方式将专用的导电银浆印刷到玻璃的表面烧结制成，如图11乙所示.在电压U2不变的情况下，为增大电热丝R2的加热功率，请从银浆线的厚度、条数、粗细等方面，提出一种改进措施 .
从课程标准的角度分析，试题考查的知识点包括：电流的磁效应、影响电阻大小的因素、 热量、焦耳定律、欧姆定律、电功率.知识的水平层次包括：了解、认识、理解.试题考查的关键能力为“实践应用”.
试题选择家用汽车后风窗加热电路并进行合理建模.解答第（1）问要能看懂电路结构，明确控制电路的动态控制过程，评价学生的“分析与解释”能力;试题的第（2）小問则是对动态电路和电功率的考查.解答时，先应明晰基本电路，如图12所示.依据题意，当玻璃温度为45℃时，此时控制电路的电流为0.02A，电功率为0.12W，当玻璃温度为15℃，R1的阻值减小，所以电路的电功率增大，为0.15W，依据R=U21P=（36V）20.15W=240Ω.
因此R1的阻值为90Ω，是对物理“思想和方法”的评价.第（3）小问则评价学生的反思与改进能力.
综上所述，关键能力是指学习者在面对生活实践或学习探索问题情境时，能够在正确的思想价值观念指导下，高质量地认识问题、分析问题、解决问题的能力.在大规模的纸笔测试中，评价需要遵循课程标准的要求，为了科学评价学生的物理关键能力，需要注重试题的情境素材指向物理学科的核心素养，具有实际价值;需要注重知识点的选择，应指向物理学科的必备知识;需要设计好问题，以凸显相关能力在解决问题中的水平层次.
参考文献：
[1]阿尔伯特·爱因斯坦，利奥波德·英费尔德著.张卜天译.物理学的进化[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2019.
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[3]刘汉朋.基于原始物理问题的中考试题设计[J].物理教师，2021，42（01）：49-50+54.
[4]王登建.情境激活思维 探究彰显素养——一道源于课本的中考试题的评析与启示[J].中学物理，2020，38（08）：39-40.
[5]顾鑫，陆建隆.以“情境系数”描绘试题情境质量——以2019年江苏中考物理试卷为例[J].物理教师，2021，42（03）：49-53.
（收稿日期：2021-03-07）
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