基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高考物理試題情境分析

李 晗 涂友超

(1. 河南省淮陽中學(xué),河南 周口 466700； 2. 河南省信陽師范學(xué)院物理電子工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

2019年11月,教育部考試中心發(fā)布了《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》,該體系由“一核四層四翼”組成,明確了“一核”為考查目的,“四層”為考查內(nèi)容,“四翼”為考查要求,并強(qiáng)調(diào)“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求可通過創(chuàng)設(shè)問題情境和情境活動(dòng)來實(shí)現(xiàn),同時(shí)將問題情境分為學(xué)習(xí)探索問題情境和生活實(shí)踐問題情境,將情境活動(dòng)分為簡(jiǎn)單情境活動(dòng)和復(fù)雜情境活動(dòng).[1]那么,在高考物理中應(yīng)創(chuàng)設(shè)怎樣的試題情境,來考查學(xué)生的必備知識(shí)和關(guān)鍵能力,從而能夠全面有效地反映學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)水平呢?本文擬通過對(duì)近年來高考物理試題情境創(chuàng)設(shè)的分析,初步探討了高考物理試題情境的類型、特征及價(jià)值等.

1 高考物理試題情境概念解析

所謂情境,是指運(yùn)用文字、圖表、數(shù)據(jù)等形式,圍繞一定主題加以設(shè)置的,為呈現(xiàn)解題信息、設(shè)計(jì)問題任務(wù)、達(dá)成測(cè)試目標(biāo)而提供的載體,是為激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與素養(yǎng)表現(xiàn)搭建的平臺(tái),是影響學(xué)生分析與解決問題的策略與表現(xiàn).[2]由于目前高考物理試題的呈現(xiàn)方式主要為純文本(由文字和相關(guān)的物理符號(hào)組成)或混合文本(由純文本和相關(guān)的圖表等組成),[3]為此,結(jié)合物理學(xué)科的特點(diǎn),可將高考物理試題情境定義為:以純文本或混合文本的形式，為呈現(xiàn)相關(guān)信息和設(shè)計(jì)物理問題所選取的情境型材料,是學(xué)生進(jìn)行情境活動(dòng)的場(chǎng)所,是考查和培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的載體.

從現(xiàn)階段物理學(xué)科的高考實(shí)際分析,高考物理試題中的學(xué)習(xí)探索問題情境由物理學(xué)史問題、課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中的典型問題以及科學(xué)探究類問題組成;生活實(shí)踐問題情境由自然現(xiàn)象問題、與生產(chǎn)生活相關(guān)的問題以及科技前沿問題組成.[2]除問題情境外,情境活動(dòng)的復(fù)雜程度也決定著物理試題的難度,簡(jiǎn)單的情境活動(dòng)主要考查基礎(chǔ)知識(shí)和基本能力,學(xué)生只需要啟動(dòng)單一的認(rèn)知活動(dòng)即可;而復(fù)雜的情境活動(dòng)則需要綜合運(yùn)用多個(gè)物理知識(shí)和多種技能,學(xué)生需要啟動(dòng)多個(gè)認(rèn)知活動(dòng).因此,從問題情境和情境活動(dòng)的復(fù)雜程度以及學(xué)生的認(rèn)知實(shí)際出發(fā),筆者嘗試將學(xué)習(xí)探索問題情境和生活實(shí)踐問題情境進(jìn)一步細(xì)分為問題再現(xiàn)情境、問題關(guān)聯(lián)情境、拓展遷移情境、現(xiàn)象解釋情境和模型識(shí)別情境5種類型,從而使得高中物理試題情境的特征表現(xiàn)更加明確、教學(xué)價(jià)值更加突顯、情境創(chuàng)設(shè)更具可操作性.

2 高考物理試題情境創(chuàng)設(shè)分析

2.1 問題再現(xiàn)情境

問題再現(xiàn)情境是通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生已熟悉的試題情境,將學(xué)生在物理課程學(xué)習(xí)中得到的知識(shí)等融入其中,相應(yīng)的情境活動(dòng)也是對(duì)學(xué)生已掌握的物理知識(shí)的回憶性再現(xiàn),此類試題主要是在基礎(chǔ)性的層次上考查“四層”的相關(guān)內(nèi)容.

圖1

例1.(2020年高考全國(guó)Ⅰ卷理綜第16題)如圖1所示,一學(xué)生表演蕩秋千.已知秋千的兩根繩長(zhǎng)均為10 m,該同學(xué)和秋千踏板的總質(zhì)量約為50 kg.繩的質(zhì)量忽略不計(jì).當(dāng)該同學(xué)蕩到秋千支架的正下方時(shí),速度大小為8 m/s,此時(shí)每根繩子平均承受的拉力約為

(A) 200 N. (B) 400 N.

(C) 600 N. (D) 800 N.

該題所選取的“蕩秋千”這一情境型材料直接來自于人教版高中物理必修2第五章曲線運(yùn)動(dòng)“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”一節(jié)的課后習(xí)題.[4]進(jìn)行相應(yīng)情境活動(dòng)所需要的知識(shí)(應(yīng)用牛頓第二定律求解豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)最低點(diǎn)的向心力)屬于回憶性再現(xiàn),因此該題所創(chuàng)設(shè)的情境屬于問題再現(xiàn)情境,情境活動(dòng)也屬于簡(jiǎn)單層次.

該題利用“蕩秋千”這一貼近生活、具有親和力的物理情境,將所需要考查的物理知識(shí)非常自然地嵌入其中,使得該題的情境呈現(xiàn)方式顯得更加親切靈動(dòng),既能夠激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣,又能夠較好地考查學(xué)生從真實(shí)情境中抓住主要因素、抽象出物理模型、進(jìn)而解決物理問題的能力和素養(yǎng).該題在基礎(chǔ)性層次上考查了圓周運(yùn)動(dòng)向心力的計(jì)算等必備知識(shí),概念理解和模型建構(gòu)等關(guān)鍵能力.

此類情境型物理試題還有2020年全國(guó)Ⅱ卷第16題、2019年全國(guó)Ⅰ卷第18題等,它們均是在基礎(chǔ)性層面上對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行考查,難度上通常屬于容易題范疇.

2.2 問題關(guān)聯(lián)情境

問題關(guān)聯(lián)情境是通過設(shè)置一定的試題情境,將所需要考查的多個(gè)物理知識(shí)融入到情境之中,同時(shí)這些物理知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)并不明顯,情境活動(dòng)的進(jìn)行需要學(xué)生在試題所考查的物理知識(shí)之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)性聯(lián)想.由于此類物理試題的問題情境和情境活動(dòng)相對(duì)比較復(fù)雜,因此基于問題關(guān)聯(lián)情境而命制的物理試題,主要是在綜合性和創(chuàng)新性的層面上考查“四層”的相關(guān)內(nèi)容.

圖2

例2.(2019年高考全國(guó)Ⅰ卷理綜第21題)在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上,把物體P輕放在彈簧上端,P由靜止向下運(yùn)動(dòng),物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關(guān)系如圖2中實(shí)線所示.在另一星球N上用完全相同的彈簧,改用物體Q完成同樣的過程,其a-x關(guān)系如圖2中虛線所示.假設(shè)兩星球均為質(zhì)量均勻分布的球體.已知星球M的半徑是星球N的3倍,則

(A)M與N的密度相同.

(B)Q的質(zhì)量是P的3倍.

(C)Q下落過程中的最大動(dòng)能是P的4倍.

(D)Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍.

基于問題關(guān)聯(lián)情境的物理試題一般綜合性較強(qiáng),對(duì)學(xué)生的能力要求也較高,在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的考查上往往集中于科學(xué)思維和科學(xué)探究等方面.例如,2019年全國(guó)Ⅰ卷第17題、2018年全國(guó)Ⅰ卷第21題等也同屬此類試題.

2.3 拓展遷移情境

拓展遷移情境是指在命制物理試題時(shí),將所要考查的物理知識(shí)遷移到一個(gè)全新的情境型材料之中,或通過創(chuàng)設(shè)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中的典型問題情境,在學(xué)生已學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣?相應(yīng)的情境活動(dòng)必須依賴于對(duì)情境型材料的創(chuàng)新解讀與轉(zhuǎn)換以及相關(guān)物理知識(shí)和方法的創(chuàng)造性遷移與運(yùn)用等.拓展遷移情境是復(fù)雜的學(xué)習(xí)探索問題情境,基于拓展遷移情境所設(shè)計(jì)的物理試題,主要在綜合性和創(chuàng)新性層次上考查“四層”的相關(guān)內(nèi)容.

圖3

例3.(2019年4月浙江物理選考第12題)如圖3所示,A、B、C為3個(gè)實(shí)心小球,A為鐵球,B、C為木球.A、B兩球分別連接在兩根彈簧上,C球連接在細(xì)線一端,彈簧和細(xì)線的下端固定在裝水的杯子底部,該水杯置于用繩子懸掛的靜止吊籃內(nèi).若將掛吊籃的繩子剪斷,則剪斷的瞬間相對(duì)于杯底(不計(jì)空氣阻力,ρ木<ρ水<ρ鐵)

(A)A球?qū)⑾蛏线\(yùn)動(dòng),B、C球?qū)⑾蛳逻\(yùn)動(dòng).

(B)A、B球?qū)⑾蛏线\(yùn)動(dòng),C球不動(dòng).

(C)A球?qū)⑾蛳逻\(yùn)動(dòng),B球?qū)⑾蛏线\(yùn)動(dòng),C球不動(dòng).

(D)A球?qū)⑾蛏线\(yùn)動(dòng),B球?qū)⑾蛳逻\(yùn)動(dòng),C球不動(dòng).

之前學(xué)生在解決牛頓第二定律的瞬時(shí)性問題時(shí),常見的情境是小球和彈簧均暴露在空氣中(并且不考慮空氣對(duì)小球的阻力作用),但該題卻創(chuàng)造性地將彈簧和小球置于水中,并且要考慮水的浮力作用,因此該題所創(chuàng)設(shè)的情境屬于拓展遷移情境.學(xué)生的情境活動(dòng)需要依賴于對(duì)該情境型材料的創(chuàng)新解讀與轉(zhuǎn)換,并將相關(guān)物理知識(shí)創(chuàng)造性地遷移和運(yùn)用.首先由牛頓第二定律判斷出剪斷繩子瞬間杯子的加速度等于重力加速度g,然后分別對(duì)3個(gè)小球進(jìn)行受力分析,并結(jié)合剪斷繩子瞬間彈簧的彈力不會(huì)發(fā)生突變，但拉住小球C的細(xì)線彈力會(huì)立即突變?yōu)?這一特性,由牛頓第二定律計(jì)算出小球A、B、C各自的加速度大小與方向,最后再轉(zhuǎn)換成以杯子為參考系來考查3個(gè)小球相對(duì)于杯底的運(yùn)動(dòng)情況.這樣的情境活動(dòng)清楚表明,該題在綜合性和創(chuàng)新性層次上考查了受力分析、參考系、牛頓第二定律等必備知識(shí),以及推理論證、模型建構(gòu)、創(chuàng)新思維等關(guān)鍵能力.

此類拓展遷移情境的物理試題還有2020年全國(guó)Ⅰ卷第18題、2020年全國(guó)Ⅱ卷第17題等.該類試題在高考中往往注重對(duì)物理知識(shí)、能力和方法的遷移,在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的考查上一般是依據(jù)“四層”中的綜合性和創(chuàng)新性,集中體現(xiàn)在科學(xué)思維和科學(xué)探究等方面.

2.4 現(xiàn)象解釋情境

現(xiàn)象解釋情境類試題所選取的情境型材料一般來源于3個(gè)方面:一是與自然界相關(guān)的物理現(xiàn)象；二是與生產(chǎn)生活緊密聯(lián)系的物理現(xiàn)象；三是科技前沿事件.材料中所隱含的物理知識(shí)、物理模型都較為直接地源于學(xué)生已有的學(xué)習(xí)儲(chǔ)備,學(xué)生的情境活動(dòng)也相應(yīng)地表現(xiàn)為材料中物理問題的抽象與獲取、物理模型的建構(gòu)與解決以及基于物理模型的實(shí)際現(xiàn)象解釋等.現(xiàn)象解釋情境屬于較為簡(jiǎn)單的生活實(shí)踐問題情境,基于此類情境命制的物理試題,一般是在基礎(chǔ)性和應(yīng)用性層次上考查“四層”的相關(guān)內(nèi)容.

例4.(2020年全國(guó)高考Ⅰ卷理綜第14題)行駛中的汽車如果發(fā)生劇烈碰撞,車內(nèi)的安全氣囊會(huì)被彈出并瞬間充滿氣體．若碰撞后汽車的速度在很短時(shí)間內(nèi)減小為0,關(guān)于安全氣囊在此過程中的作用,下列說法正確的是

(A) 增加了司機(jī)單位面積的受力大小.

(B) 減少了碰撞前后司機(jī)動(dòng)量的變化量.

(C) 將司機(jī)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)換成汽車的動(dòng)能.

(D) 延長(zhǎng)了司機(jī)的受力時(shí)間并增大了司機(jī)的受力面積.

該題所選取的情境型材料源于學(xué)生熟悉的生活實(shí)際,情境中所隱含的物理知識(shí)(動(dòng)量、動(dòng)能等)均為學(xué)生已有的學(xué)習(xí)儲(chǔ)備,學(xué)生的情境活動(dòng)是首先從該情境中抽象出碰撞這一物理模型,進(jìn)而根據(jù)氣囊與司機(jī)發(fā)生碰撞時(shí)所滿足的物理規(guī)律,判斷各個(gè)選項(xiàng)所給出的對(duì)現(xiàn)象的解釋是否正確,故該題所創(chuàng)設(shè)的情境屬于現(xiàn)象解釋情境.相應(yīng)的情境活動(dòng)表明,該題在基礎(chǔ)性和應(yīng)用性層次上考查了動(dòng)量定理、動(dòng)能等必備知識(shí),以及規(guī)律理解、模型建構(gòu)、解釋應(yīng)用等關(guān)鍵能力.

選取與自然現(xiàn)象、生產(chǎn)生活、現(xiàn)代科技等緊密聯(lián)系的真實(shí)情境型材料,通過將材料情境與所要考查的物理知識(shí)有機(jī)融合,從而創(chuàng)設(shè)出現(xiàn)象解釋情境類物理試題.此類試題貼近學(xué)生、貼近生活、貼近時(shí)代,既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實(shí)現(xiàn)“學(xué)以致用”,又能提升學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí).[5]例如2019年北京物理卷第14題、2019年天津物理卷第4題、2018年全國(guó)Ⅰ卷第14題等也屬于此類.

2.5 模型識(shí)別情境

模型識(shí)別情境的創(chuàng)設(shè)所選取的情境型材料一般來源于生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題(例如與工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、體育運(yùn)動(dòng)等相關(guān)的情境等),材料中所隱含的物理模型是學(xué)生日常學(xué)習(xí)中的常見模型,相應(yīng)的情境活動(dòng)主要表現(xiàn)為對(duì)材料中物理模型的建構(gòu)與解決.

需要指出的是,模型識(shí)別情境是較為復(fù)雜的生活實(shí)踐問題情境,創(chuàng)設(shè)此類試題情境,可以考查學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析并解決生產(chǎn)生活實(shí)踐中的實(shí)際問題,引導(dǎo)學(xué)生要高度關(guān)注與日常生產(chǎn)生活實(shí)際、科技進(jìn)步等緊密相關(guān)的物理內(nèi)容與問題,需要具備良好的實(shí)際問題解決能力.此類物理試題主要在綜合性和應(yīng)用性層次上考查“四層”的相關(guān)內(nèi)容,同時(shí)還可以幫助學(xué)生樹立勞動(dòng)觀念、厚植愛國(guó)情懷等.

圖4

該題所選取的情境型材料源于中醫(yī)治療中常見的“拔火罐”療法.材料中所隱含的物理知識(shí)(理想氣體狀態(tài)方程、玻意耳定律等)、物理模型(理想氣體模型)均直接來自于學(xué)生已有的學(xué)習(xí)儲(chǔ)備.相應(yīng)的情境活動(dòng)表明該題在綜合性和應(yīng)用性層次上考查理想氣體狀態(tài)方程、玻意耳定律等必備知識(shí),以及規(guī)律理解、模型構(gòu)建等關(guān)鍵能力.

該類試題情境通常來自于生產(chǎn)生活實(shí)踐,是對(duì)真實(shí)生活情境的加工與改造,[6]它可以很好地考查學(xué)生從復(fù)雜情境中進(jìn)行模型建構(gòu)的能力,是落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)考查的重要途徑之一.例如,2020年全國(guó)理綜Ⅰ卷第16題、2020年全國(guó)理綜Ⅱ卷第16題、第17題等,都屬于此類.

當(dāng)然,以上5類高考物理試題情境的呈現(xiàn)并不是孤立的、絕對(duì)的,它們有時(shí)單獨(dú)存在,有時(shí)也會(huì)交融在一起.

3 結(jié)語

“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”,物理來源于客觀世界,物理回歸于自然本真,因此物理學(xué)習(xí)離不開問題情境或情境問題,物理試題的情境化也必然會(huì)是高考物理命題的常態(tài)與“長(zhǎng)態(tài)”.

基于高考的示范引領(lǐng)作用,研究高考物理試題情境的類型及特征,勢(shì)必會(huì)對(duì)我們高中物理教學(xué)中物理情境的創(chuàng)設(shè)產(chǎn)生較深遠(yuǎn)的影響,同時(shí),物理情境型問題的解決過程也是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)問題、分析問題、運(yùn)用知識(shí)、提升能力的過程,更是培養(yǎng)學(xué)生有效提高物理學(xué)科核心素養(yǎng)的過程．