例谈初中物理良构试题变劣构问题的教学实践探索

摘要

以一道考查机械能守恒定律的良构试题为例，先比较了试题与问题的结构要素，从它们相似的结构要素出发，分析良构试题三要素的具体特征，以此建构良构试题变劣构问题的模型。再以实例为抓手，形成良构试题变劣构问题的3个策略，分别是模式化的情境转化为实际的真情境、单一化的知识转化为融合的概念群、唯一化的解答转化为多重的新表征。

Graphical abstract

关键词

良构试题 / 劣构问题 / 机械能守恒 / 初中物理 / 真实情境

在新时期课程改革的驱动下，试题设计更加强调应用导向，对学生的能力要求正由“解题”向“解决实际问题”转变^［1］。这是对试题设计提出新要求，同时也对教学提出了新挑战，即如何将试题转变为问题。当下，一些试题的真实情境来自教材资源、热点事件、身边生活、科学史料和实践活动^［2］，但还有许多试题是结构良好（良构）的试题，这类试题往往条件确定，答案唯一，解题过程思维单一，没有真实情境，核心的试题设问与应答是在已经被高度概括化后的一种模型中进行的，模式化非常严重。追求“真实情境下解决真问题”的课堂教学，将良构试题转化为以科学核心素养为导向的课堂教学的劣构问题，成为实践新课程理念的迫切需求。

1 试题与问题要素对比

将良构试题转化为劣构问题，首先要明确“试题”与“问题”的特征，特别是两者结构要素之间的区别。两者结构要素对比如表1所示。

试题情境强调真实性，情境本身蕴含要测评的设问，以及设问所需要的信息；试题提倡测量目标从知识立意向核心素养立意的转变；测量目标往往只有通过设问才能得以实现，而设问也往往与情境融合在一起，只有这样才能实现测量目标；设问与应答可作为从试题情境到达测量目标的桥梁。

问题包括三要素，分别是给定、目标和可用算子。给定就是目标的初始状态，可对应于试题中的情境，但两者有很大区别：试题情境需要命题者用文字、图片、表格、图像、流程图、模型图等来呈现，以便试题情境营造劣构的特征，使这种源自非系统的现实情境具备了其劣构性。但试题情境已经过命题者的缜密设计，它往往就是为解决试题的设问服务的，这也决定了试题情境良构的倾向。在教学过程中问题解决时的“给定”，无须教师通过言语或符号去呈现，但教师必须清楚地“知晓”，依此设计的问题目标、应用的“可用算子”等才会有针对性。有时也需要去“唤醒”学生的初始状态，激发学生以结构化的思维方式去解决非结构化的问题。

问题的目标与试题的测量目标有诸多重合之处，如图1所示。问题目标指向课程核心素养，试题测量目标也要求其指向课程核心素养，但还是存在一些试题测量目标只是知识的测评，知识也是课程核心素养的组成部分；同时，试题目标与问题目标适用范畴不同，受到笔纸测试方式的限制，一些指向课程核心素养的目标无法在笔纸测评中获得实现。

问题中的第3个要素是可用算子，它是能在给定和目标之间进行转换的步骤或程序，是问题解决的桥梁与载体，可与试题中的“设问与应答”对应，但两者还是有显著差异：试题中的设问与应答是命题者通过一定指向要求，期望能够检测甄别被测评者的知识技能、能力水平以及价值观等的心理结构；如果把被测评者的心理结构当作一个“黑箱”，则设问就是对“黑箱”的刺激物，而应答则是对“黑箱”刺激后的反应。问题中的可用算子是问题解决的具体方案、步骤或程度，在解决劣构问题中，算子可通过各种各样的教学方法与策略获得表现，以获得最优的解决路径。在劣构问题解决中，算子可以是不确定的，但是可观测的、可调整的；在试题的设问与应答指引下的解答过程，也是测评的重要内容，是进行量化的对象。

2 良构试题模型要素分析

以如下常见的良构试题为例说明良构试题转向劣构问题的方法与策略。如图2所示，通过定滑轮悬挂两个质量为m₁、m₂的物体（m₁>m₂），不计绳子和滑轮质量、绳子与滑轮间的摩擦。同时静止释放两物体，在m₁向下运动一段距离h后，m₁动能的增加量m₂动能的增加量，m₁势能的减少量m₂动能的增加量。（填“>” “<”或“=”）

像上题一样的良构试题往往具有明确的试题条件、明确的答案、明确的解决设问的路径（算子明确）。如表2所示，试题三要素在良构试题变劣构问题中，成为以科学核心素养为导向的课堂教学新的生长点。

2.1 试题情境

良构试题并非都无情境，只是这种情境往往是基于学科的。对于科学学科来说，许多良构试题的情境来自科学实践活动，尤以科学实验为最。此题中的情境，与电梯配重问题的模型类似，可认为是电梯配重问题的抽象模型。故当将良构试题转化为劣构问题时，首先要解决的就是将试题的情境材料转化为真实问题的情境。

2.2 测量目标

良构试题往往在测评目标上指向内容性知识，而不是能力、方法或素养。此题测评的就是“影响动能大小的因素”和“机械能守恒定律的应用”。像此题既可以从能量角度解答，也可以从“受力分析”角度去分析。故此，此题设问虽只有两小题，但其中包含的知识内容就有两个物体的动能和重力势能大小的变化，以及他们随h变化的规律。此外，还可以从整体法和分割法的角度认识与判断两个物体能量的变化，以相互印证不同方法解决问题的“殊途同归”。当然，还可以从“力改变物体的运动状态”去分析物体的运动情况。试题测评的知识内容，在良构试题转化为劣构问题时，正可以将知识立意拓展为素养要求，这需要将试题的简单学科情境转化为问题的劣构而真实的情境。

2.3 设问与应答

试题中的两个设问是非常明确的，是典型的良构问题。当良构试题转化为劣构问题时，指向性良构的设问只能出现在为学生提供学习支架时，而不能作为达成问题目标的“算子”。故此，对于良构试题转化为劣构问题时的试题设问并没有参考意义，只有在设置真实情境中以科学核心素养作为测评对象时，让学生发现问题，并最终设计方案解决问题。通过对试题三要素的提炼，将良构试题转化为劣构问题，围绕它们的结构三要素，建立图3的转化模型。

如图3所示，在从良构试题转变为劣构问题的过程中，最关键的问题在于良构试题往往是模式化的，考查的对象也往往是一个模式或模型，而不是真实情境。从问题解决的角度看，真实解决问题是从真实场景中提炼与抽象形成模型开始的，当模型建立以后，再利用模型的核心要素和它们之间的相互关系来解决真实的问题。从这一点看，良构试题转向劣构问题，就是从单一的试题模式走向不确定的劣构问题，但是解决劣构问题需要多重而结构化的路径，包括对给定真实情境的信息提炼、加工和应用，对问题解决方案的制订，选择可能而多元的算子。

3 良构试题变劣构问题的转化策略

3.1 模式化的情境转化为实际的真情境

如图2所示的试题情境是学科模型，属于模式化的情境，这种情境限制了科学观念的建构，科学思维变得单一，毫无探究实验能力可言，也就不可能实现科学态度和社会责任的发展。试题中模式化的情境转化为实际的真情境，本质上就是将试题中“模型”与真实情境中的事物的核心模型相匹配的过程，如试题情境中的两个物体的运动情况，与电梯在工作时轿厢和配重的关系类似。真实电梯中的结构比试题中的结构更为复杂、劣构，特别是用电动机代替定滑轮，轿厢与配重的质量大小关系更加多元。在保证安全的情况下，给合理选择配重的质量提供更多更大讨论的空间，造成“问题”的真正劣构。在图4右边的电梯中，轿厢质量为1 000 kg，限载10人（1 000 kg）的电梯，配重多大最合理？这种真实情境下的问题就需要考虑这台电梯乘客的人数，从而考虑配重的质量。问题就与真实生活情境（是居民楼电梯，还是商业楼电梯等）相关，是技术与工程为解决生活真实问题服务的体现。

当然，在试题转化为真实问题的过程中，为使真实问题情境更具劣构性，并将此问题的解决作为培养学生技术与工程领域的能力，特别是培养学生了解技术与工程实践的一般过程和方法，针对实际需要明确问题，提出有创意的方案，并根据科学原理或限制条件进行筛选；实施计划，利用工具和材料进行加工制作；根据实际效果进行修改迭代；用自制的简单装置及实物模型验证或展示某些原理、现象和设想^［3］。这样，就将良构试题转化为劣构问题指向了技术与工程，要求学生设计更合理的电梯轿厢工作工程设计图。基于学生设计方案的合理性，讨论诸如电动机的节能、绳索的受力大小、轿厢运行平稳等，基于每种方案在工程设计中的科学原理的讨论，都能成为良构试题变劣构问题的重要内容。

3.2 单一化的知识转化为融合的概念群

通过表2的分析可知，试题测评的知识是单一的机械能守恒定律，从试题设置的条件可看出，在解答试题中的设问时，对知识的应用已经有明确的解答知识提示与要求，这是良构试题特征的体现。而当将良构试题转为劣构问题时，特别是在提出让学生设计一个“合理”的电梯工作设计图时，问题解决不仅仅是单一化的知识，而是融合到“电梯”这个实际情境中的概念群，如表3所示。

从良构试题变劣构问题在课堂教学实践的实效来看，并不需要“处处开花”，可以在受限条件下解决一个或多个问题，这受限条件就是将现实问题重新回归到理想化的状态，即不考虑“次要因素”对问题本身的影响，从而用比较理想的物理模型去解决一些具体问题，这样才能比较顺利地进行电流做功、重力做功、受力分析、简单机械分析等方面的应用。

（1） 将电梯的轿厢与配重问题，回归到比较理想的两个物体的机械能守恒问题，即抽象成试题中的情境。

（2） 当对m₁和m₂进行受力分析时，可将m₁和m₂当作一个整体进行分析，此时绳子上的拉力是内力，所以整体只有重力做功，机械能是守恒的；而将m₁和m₂分开进行分析与研究时，则m₁和m₂的机械能都是不守恒的，它们不只是重力做功，还有绳子的拉力对它们做功。此时，拉力就是外力，每个物体的机械能不守恒了。

（3） 初中生对牛顿第一定律中的“外力”理解得不够深刻，特别是“力能改变物体的运动状态”中的“力”指的是“外力”的含义，恰好可以利用此案例加深对其的理解。

3.3 唯一化的解答转化为多重的新表征

当良构试题转化为劣构问题时，劣构问题需要进行多重表征，多重表征需要审视和决策；同时，增加问题情境的主要信息，以图像、模型、流程图等方式进行阐释和论证，从而真实有效地解决劣构问题。并非所有的学科知识内容都能投置于劣构情境，都能获得有效的解决和合理的利用。在新课程理念下，需要在科学实践中充分利用技术与工程，要将良构试题转化为劣构问题，核心的任务是要“理解科学知识”，这不是仅仅依靠技术与工程就能解决的问题。故此，在处处重视和提倡技术与工程的新课程背景下，要重视技术与工程的实践，但绝不能忽视“理解科学知识”的实践。因此，基于探究实践的对“理解科学知识”过程的多重表征显得非常重要，特别是以图像的方式，将相关联的两个变量通过图像联结起来，成为表达唯一化的解答转化为多重的新表征的重要方式。在教学过程中，将图4右图的电梯运行过程，抽象成图4左图中的模型，再组织学生通过合作与交流的方式，画出两个物体的各种机械能随h变化的图像。如表4所示。

将几个“同质化”的曲线放在同一个图像中进行比较，从曲线之间的变化规律就能体现它们遵循的机械能守恒的规律。如图6-e，能体现出机械能守恒定律。此外，图像的纵坐标还可以选择m₁的重力势能减少量（a）、m₂的重力势能增加量（b）、m₁动能增加量（c）和m₂动能增加量（d）中的两个或多个的和或差作为纵坐标，从而从多重表征中深刻理解机械能的变化规律、影响因素和概念内涵等。

参考文献

[1] 史辰羲.基于高考评价体系的地理科考试内容改革实施路径［J］.中国考试，2019（12）：65-70.

[2] 蔡呈腾.例谈初中生物学命题情境设置［J］.中学生物教学，2018（13）：54-57.

[3] 中华人民共和国教育部. 义务教育课程方案（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

基金资助

温州市中小学校科技创新项目“‘瓶’繁系列”(2020ZXX06)