《中国高考报告系列》对中国高考评价体系的解读指出,“核心价值金线”贯穿命题始终,创造性地把立德树人根本任务贯穿于考试全过程,体现时代性、彰显方向性、具有价值性。要与高中课程改革深度契合,避免学生“死记硬背”“机械刷题”和“题海战术”,在教学和考试中引导和推动关键能力与核心素养的落地。“能力与素养银线”成为考查的重点。这里的能力,是指在现实情境或学习探究情境中面对问题时,能够高质量地识别问题、分析问题,快速调动学科相关知识解决问题的关键能力。高考评价体系将其概括为:知识获取能力群、实践操作能力群、思维认知能力群。 口语高考评价体系能力群与物理学科考试关键能力的对应关系如图1所示。
“情境载体连接线”是指:情境是实现“价值引领、品质导向、能力本位、知识本位”的综合考试载体,是串联“金线”与“银线”的关键,承载考试内容,实现考试要求。情境分为生活实践情境和学习探索情境,其与物理问题情境的对应关系如图2所示。
情境题是考查学生物理核心素养的重要载体,强调理论联系实际,将学科问题融入情境中,让学生在情境中提取、理解和分析相关信息,综合运用所学知识和技能解决问题。比利时著名教育家伊克萨维尔·罗吉尔( ,以下简称罗吉尔)对情境题进行了深入、系统的研究。他认为,一个情境主要由两部分组成:一是支持工具,是呈现给考生的一组材料因素,如书面文章、插图、照片、视频、音频资料等,这些因素完整、清晰、准确、简洁、有效;二是命令,是在既定的支持工具基础上,给予考生的一组明确的回答指令。[2]问题情境结构的呈现方式如图3所示。
图3右侧显示的是问题情境的pop,这个pop取决于两个参数:一是 ,也就是提出问题的方式;二是 of the ,也就是选择解决问题的方法,力求方法的多样性。[3]
罗日野认为,有效的情境应具备以下四个特点:(1)它是真正有针对性的情境,要求学生在复杂的情境中整合多项以前学过的知识和技能;(2)它是对学习有用的情境,要求目标合适、层次适宜、描述明确高中物理摩擦力重点,具有核心价值;(3)它是能激发学生动机的情境,其特点是易于理解、有意义、有启发性;(4)它是可实现的情境,其特点是易于评价、符合学生实际情况。[2]良好的情境是高质量情景试题的基础,也是试题效度和信度的保证。
基于良好情境的情境化试题具有一定的优势:首先,它不仅有利于知识的掌握和运用,还能培养学生的情感体验和价值取向;其次,它有利于学生知识的迁移和长远发展,使学习变得有意义;第三,它有利于培养高阶思维,为核心素养的发展提供土壤。最后,良好的情境可以触发学生的神经记忆网络,激发学生的好奇心。然而,不良的情境会给学生带来很多困扰,比如学生无法提取有效信息,不知道试题的价值和意义。本文以某市2023年模拟考试题中的刹车问题为例进行评估。
1 原标题呈现
由于三大常规能源的短缺,新能源汽车成为各国主要研发方向。理论上讲,汽车车轮抱死时,制动距离与车速的平方成正比,与动摩擦因数成反比,当摩擦因数一定时,制动距离取决于车速。而在实际生活中,当车速一定时,车辆载荷越重,制动距离越长。为探究这一问题,课题组对一款新能源汽车进行了研究。该车质量m=2t,额定功率Po=60kW,在水平路面以额定功率起步,额定功率保持恒定,阻力Fm=2000N,当时间t=25s过去后,车速达到最大,立即制动(防抱死制动装置ABS启动,不考虑反应时间),测得制动距离为起步到最大车速所经过距离的1/3。 抱死时的动摩擦因数μ=0.71。通过计算发现,防抱死制动时制动系统制动力F小于抱死时车轮与地面之间的滑动摩擦力Fi。可以看出,这就是车辆载荷越重,制动距离越长的原因。求得:
(1)车辆从起步到达到最高速度为止的位移;
(2)上述制动过程中,制动系统产生的制动力F。
2 问题分析
2.1 价值取向
中国高考评价制度指出,教学的核心价值是立德育人,高考的核心功能是立德育人,服务于选拔人才,指导教学,两者是统一的。从这个角度看,这道题的价值取向很好,有利于引导学生关心STSE,即科学、技术、社会、环境。
首先,从汽车的发展我们可以看出,科学技术促进了社会经济的发展,煤炭、石油等能源的大规模开发利用,给社会带来了红利,同时也给生态环境带来了一定的污染。比如温室效应会导致全球气候变暖,气温升高会引起热浪、冰川融化、虫害增多、气候异常、沙漠扩大等,对人类的生存环境造成极大的破坏,从而影响人类的生存和发展。所以,保护环境,人人有责。其次,从汽车发展来看,交通运输的发展给人类带来了便利,但是酒驾、醉驾、超载或者超速行驶却引发了大量的交通事故,造成了人员伤亡和财产损失。可见,利用这样的情景对学生进行道路交通安全法制教育具有十分重要的意义。
2.2 情况分析
从SOLO分类目标来看,本题考查的思维水平介于单点结构和多点结构之间,如图4所示,本题为汽车在直路上行驶的单一情境问题,属于“生产实践情境”。
考试考查学生运用所学知识解释生活中的现象和解决生产中的问题的能力。[5]从情境和“四层”“四翼”来看,本题的考试要求介于基础与综合之间。考查的物理概念包括能量、运动、相互作用的概念;重点考查的是建立模型的能力;考查的内容包括功和功率的关系、动能定理、牛顿运动定律、匀加速直线运动定律等。
2.3 科学分析
首先从能源短缺问题展开话题,但接下来的部分却没有拘泥于这个主题,而是转到汽车刹车问题上,首尾衔接不顺畅,缺乏逻辑性,没能最大程度发挥教育功能,达到修德育人的目的。
其次,题目中有这样一种表述:通过计算发现,防抱死制动时制动系统产生的制动力Fu小于车轮抱死时车轮与地面之间的滑动摩擦力F。因此,这就是车辆载荷越重,制动距离越长的原因。这种说法缺乏科学性,因为汽车安装防抱死制动系统的目的之一就是提高车辆制动的稳定性,有效减少制动距离。通过计算,本题中汽车在防抱死制动系统启动时,制动距离为100m。防抱死制动系统未启动,车轮抱死,根据题目给出的动摩擦系数μ=0.71,制动距离为63.38m。两者相差36.62m。如此大的差距,说明启动防抱死制动系统带来的安全隐患更大。那么汽车安装防抱死制动系统的价值何在呢!这种引导显然是错误的。 另外,题目中还给出了车辆载重越重,刹车距离越长的理由,其实仔细看完并思考之后,你会发现,防抱死制动系统启动和车辆载重越重,刹车距离越长,这两者之间并无逻辑关系。
最后,这道题提到了刹车系统的制动力Fu。笔者认为,刹车系统中的制动力是刹车片与刹车盘或刹车鼓之间的摩擦力,是内力。但从出题人提供的答案来看,制动力Fy是路面对汽车的摩擦阻力。笔者查了人教版2019年版高中物理必修1汽车刹车这道题,名词“阻力”前没有“刹车系统”,说明教材把内力和外力区分开来。
因此,本题的情况虽然看似真实,但实际上却犯了科学性和逻辑性的错误,这是命题中的大忌。作为命题者,我们应使问题出现在真实的、科学的情境中,引导学生有严谨求实的科学态度,培养学生运用所学知识解决实际问题的能力和保护环境、促进可持续发展的责任感。
2.4 汽车制动深入分析
以四轮汽车为例,防抱死制动系统(ABS)是车辆在普通路面(除雪、泥地外)紧急制动时,防止车轮抱死的系统。该系统不仅可以提高车辆的制动效能,减少制动距离,还可以保证制动时车辆方向的稳定性,防止车辆侧翻或打滑。如图5所示,如果在转弯时制动,车辆前轮抱死,车辆会失去方向,严重时几乎会直线跑出路面,非常危险;图6所示,制动时车辆后轮抱死,车尾向外摆动,严重时会导致车辆旋转,有翻车的危险;图7所示,车辆前后轮抱死,车辆整体向外滑行,有从路面外侧滚出的危险; 图8表明车辆在转弯制动时ABS系统启动,保证车辆平稳、安全运行。
接下来我们以直路上汽车紧急制动为例,分析一下汽车的制动情况。
构建模型1:将汽车视为点质量,忽略空气阻力,假设轮胎与路面之间的动摩擦系数μ不变,汽车制动时的初速度为vo,忽略制动反应时间。根据牛顿第二定律和运动学公式不难推导出汽车的制动距离为x=vo²/2μg,x与汽车质量无关。该模型是教材中常用的经典模型之一,其最大优点是将复杂的问题简单化,容易理解。利用该模型可以帮助学生构建运动和相互作用的概念,以及能量和动量的概念。但缺点是不能用来解释同一辆车的载重量越重,制动距离越长的问题。该模型不符合实际情况,不利于对学生进行安全教育。为此,需要对模型进行重构。
构建模型2:对模型1进行分析,结合汽车制动的实际情况,将汽车视为一个质点是偏颇的,在制动过程中,汽车的变形和振动很小,可以忽略不计。将汽车视为刚体-质点系统,汽车制动时,忽略空气阻力、车轮质量、滚动阻力矩、转动惯量等。
如果汽车在制动时车轮完全抱死,汽车的动能就被车轮的滑动摩擦所消耗,不难推导出汽车的制动距离为x=v₀²/2μg。由此公式可以看出,汽车的制动距离x似乎与超载无关。但实际情况是,汽车轮胎与地面的动摩擦系数μ与轮胎的温度和压力有关,温度越高、压力越大,动摩擦系数μ越小。因此,当汽车超载时,汽车轮胎的温度和压力比正常负载下要大,导致行驶过程中μ下降,制动距离变长。这与实际情况是一致的。
如果汽车制动时车轮没有完全抱死,刹车片与刹车盘之间的摩擦属于滑动摩擦。设汽车质量为M,车轮半径为r,刹车盘表面摩擦点半径为R。刹车片与刹车盘之间的动摩擦系数为μ,压力为常数FN·。汽车初速度为v,刹车盘在制动过程中相对于刹车片移动的距离为s。设汽车的动能全部被刹车片与刹车盘之间的摩擦所消耗,则可得到函数关系为μFNx=Mv₀²/2。结合汽车的制动距离x=rs/R,将两个关系联立可得出汽车的制动距离x=2Mv₀²R/2rs。可见,在Fx不变的情况下,汽车质量越大,制动距离越长,[61]与实际情况相符。 但还是有差别的,因为汽车的车轮在制动时一般都会滚动和滑行,对模型进行了进一步的修正。
修正模型2:汽车装有ABS系统,以盘式制动器为例,如图9所示。车轮半径仍设为r,车轮受力分析如图10所示。汽车的制动力取决于两个摩擦力,一个是刹车片与刹车盘之间的摩擦力,称为刹车制动力(一种内力)高中物理摩擦力重点,相当于将汽车抬离路面,踩下刹车踏板,推动车轮沿切线方向绕轮胎转动,直至转动,所需的力用Fμ表示(图10中未标注)。在材料和温度不变的情况下,可以近似认为Fμ的大小与踏板力F(也称管线压力,由管线油压P决定)成正比。设制动过程中Fμ的力矩为Mμ,则Fμ=Mμ/r。 另一部分是轮胎与地面的摩擦力,称为路面制动力,是使汽车制动的外力,用F表示。对于车轮来说,由于忽略滚动阻力矩,地面作用于车轮的法向力F与车轮的垂直载荷G相平衡,在水平方向上,车轴作用于车轮的推力为Fr,则Fi-Fr=ma。忽略车轮质量,故F=Fr。以轮胎中心O建立转动方程Fbr-Mμ=Jdω/dt,忽略转动惯量J,则路面制动力F=Mμ/r。可见,车轮滚动时,忽略车轮质量、滚动阻力矩、转动惯量,地面制动力F的大小等于制动器制动力Fμ。F的大小取决于轮胎半径和制动器的摩擦力矩M,但Fμ的极限值受轮胎与地面的附着力F限制。 地面附着力F=G即为路面附着系数。同种轮胎与地面的附着系数与汽车轮胎制动时的滑移率、滑移率有关。汽车在制动过程中,启动ABS防抱死制动系统,可使滑移率、滑移率保持在合适的值,使附着系数ψ达到峰值,从而有效提高汽车制动时的制动性能和方向稳定性。F、F、F与踏板力F的大小关系如图11所示。[]
从图11可以看出,在0~F范围内,F=F,
当脚踏力达到Fo时,地面制动力达到最大值F,若再次增加脚踏力Fo,车轮抱死,Fm=F.保持不变,F0随着F的增加而继续增大。
装有ABS的汽车在紧急制动时,一旦检测到车轮抱死,ABS系统就会自动介入,适当松开制动,然后迅速收紧,反复自动调节,使车轮在地面滚动、滑行。最后汽车的动能被滑行阶段车轮与地面间的最大制动力F,以及滚动阶段刹车片与刹车盘间的双摩擦所消耗。因此结合前面的分析可知,汽车的制动距离会比没有安装ABS时短,所以ABS系统能有效提高汽车的制动性能,提高行驶稳定性。
当然,以上分析只是提供了一种解决问题的模型、思路和方法,并不完善,例如汽车制动初速度大,风阻大,制动时前后轮载荷会发生变化,附着系数会随着路况、温度的变化而变化,这些因素作者都没有考虑到。
3 结论
《中国高考评价体系》《普通高中物理课程标准(2017年版、2020年修订)》是指导一线教师出题、教学的纲领性文件,作为一线教师一定要认真学习,熟记“一个核心”“四个层次”“四个翅膀”; “熟记情况”要具有科学性、问题性、真实性、探索性或开放性留学之路,要符合学科核心素养知识水平要求。出题是教师教学的重要任务,出题素养是一线教师应具备的基本素养之一。一线教师要能充分领会课程改革精神,明确考试的目标和价值观念;有一定的命题理论水平和写作能力,能以规范、自洽、科学的方式表达,有利于阅读;掌握学科主要概念、必备知识、必备能力、评价标准和学业水平要求;设置的试题要指向核心素养,体现德育,难易度适中,能检测学生的素养水平,符合效度和信度理论,能指导教学,促进“招考教学评”无缝衔接、良性发展。
参考:
1 中国高考报告学术委员会. 高考评价制度解读[M]. 北京: 现代教育出版社, 2021.
2 张俊兵. 的情境化命题思维的启示
3 ,《面向学习习得的整合:情景设计和开发》[M].王玲译.上海:华东师范大学出版社
社会,2010 年。
4 王先勇, 余斌. 基于布卢姆学习目标与SOLO分类理论的测试试题对比分析[J]. 物理教师, 2023, 44(1); 84-88, 92.
5 唐建勋. 汽车超载危害的力学分析[J]. 物理学报, 2011(9):122-124,126.
6 周志礼, 徐斌, 韦耀. 汽车ABS原理与结构[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.
7 中华人民共和国教育部.中国普通高等学校招生考试评价制度说明[M].北京:人民教育出版社,2019.