高考評價體系“應(yīng)用性與創(chuàng)新性”要求下的物理試題命制方向*

呂俊君

(九江市同文中學 江西 九江 332000)

2019年12月，教育部考試中心發(fā)布《中國高考評價體系》.高考評價體系由3個要素構(gòu)成，即“一核”“四層”“四翼”，如圖1 所示.“一核”指“立德樹人、服務(wù)選才、引導教學”,是高考的核心功能，回答“為什么考”的問題；“四層”指“核心價值、學科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識”,是高考的考查內(nèi)容，回答“考什么”的問題；“四翼”指“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”，是高考的考查要求，回答“怎么考”的問題.同時，高考評價體系還規(guī)定了高考的考查載體——情境，以此承載考查內(nèi)容、實現(xiàn)考查要求[1].

圖1 “一核”“四層”“四翼”

“四翼”要求命題突出基礎(chǔ)性；加強綜合性；體現(xiàn)應(yīng)用性；重視創(chuàng)新性，明確了試題命制的具體方向.基礎(chǔ)性是基石，無視基礎(chǔ)的測試相當于空中樓閣；綜合性是對基礎(chǔ)性的組合與延伸；應(yīng)用性體現(xiàn)了知識與生活的關(guān)聯(lián)；創(chuàng)新性突破了傳統(tǒng)試題的束縛，是命題改革的方向.四者相輔相成，共同服務(wù)于“立德樹人、服務(wù)選才、引導教學”這一核心目標的實現(xiàn).本文從應(yīng)用性與創(chuàng)新性的角度出發(fā)探討高中物理試題的命制方向.

1 情境

高考評價體系中所謂的“情境”即“問題情境”，指的是真實的問題背景，是以問題或任務(wù)中心構(gòu)成的活動場域[2].物理試題中的情境由文字、圖片、表格、符號等元素構(gòu)成，個體需要在大量的信息中進行想象、辨別、篩選、判斷、應(yīng)用、創(chuàng)造，從而形成解決問題的思路.由于不同個體腦海中的信息存儲類別和加工方式存在差異，因此即便面臨同樣的情境個體也會產(chǎn)生不同的解決辦法.

在高考評價體系“應(yīng)用性與創(chuàng)新性”的要求下，情境應(yīng)當貼近生活，注重創(chuàng)新，以此為基礎(chǔ)考查“核心價值、學科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識”.

2 試題體現(xiàn)應(yīng)用性

2.1 以生活化情境為載體

試題應(yīng)與生活息息相關(guān).物理規(guī)律是對物理現(xiàn)象的總結(jié)與提煉，物理現(xiàn)象源于生活的觀察與實踐，而物理學的發(fā)展最終為生活帶來便利，推動社會與經(jīng)濟的發(fā)展.以生活化情境為載體命制試題有利于搭建理論與實踐的橋梁，增強學以致用的意識，提高解決實際問題的能力.

生活化情境的試題命制常見角度包括：

(1)以自然現(xiàn)象為背景，如針對太陽光通過棱鏡產(chǎn)生的色散現(xiàn)象，可以考查不同顏色光的頻率和波長，進而擴展至光的干涉、衍射和光電效應(yīng)等知識點.

(2)以體育運動為背景，如跳水運動中蘊含豎直上拋、勻變速運動，能量轉(zhuǎn)化等物理模型與規(guī)律.

(3)以交通出行為背景，如通過計算ETC系統(tǒng)與人工收費系統(tǒng)的時間，體會ETC系統(tǒng)為生活帶來的便利.

(4)以生活娛樂為背景，如圍繞游樂場中的摩天輪游戲設(shè)置圓周運動，受力分析，能量轉(zhuǎn)化等考點.

(5)以社會熱點為背景，如高空墜物現(xiàn)象已經(jīng)成為社會公共安全隱患，然而高空墜物的殺傷力究竟達到什么程度，大部分學生對此缺乏定量的認識，針對這一現(xiàn)狀可設(shè)計例1.

【例1】如圖2所示是一則安全警示廣告，描述了高空墜物對人傷害的嚴重性，現(xiàn)假設(shè)一個50 g的雞蛋從25樓掉落，與地面撞擊時間約為20 ms，則雞蛋對地面的沖擊力大約為多少？( )

A.1 N B.10 N

C.100 N D.1 000 N

圖2 例1題圖

題干從安全警示廣告“一個雞蛋的威力”出發(fā)強調(diào)高空墜物的危害，隨后創(chuàng)設(shè)雞蛋與地面沖擊的問題，通過計算發(fā)現(xiàn)沖擊力高達1 000 N，讓學生對高空墜物的殺傷力有了更清晰的認識.這種命題方式不僅考查了應(yīng)用動量定理解決問題的“必備知識與關(guān)鍵能力”，而且有助于引導學生關(guān)注社會問題，培養(yǎng)學生的社會責任感，促進“立德樹人”核心目標的實現(xiàn).

2.2 滲透科學技術(shù)的發(fā)展

試題應(yīng)滲透科學技術(shù)的發(fā)展.近年來我國綜合國力不斷提升，在科研、工程、醫(yī)療、航天等各領(lǐng)域均獲得了重大突破，位居世界各國前列.2017年我國自主研發(fā)的航空母艦在大連舉行下水儀式，2018年世界上最大的跨海大橋港珠澳大橋正式通車，2019年70周年閱兵式上東風-41洲際戰(zhàn)略核導彈驚艷亮相[3]，2020年嫦娥五號探測器完成我國首次地外天體采樣任務(wù)，2021年天問一號探測器首次進入環(huán)火軌道.在試題中滲透這些元素有利于樹立民族自信心與自豪感.雖然這些科技成果離中學生很遙遠，但只要埋下了一顆種子，未來將成長為參天大樹.

【例2】2021年2月10日，我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器成功實施近火捕獲制動，順利進入環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實現(xiàn)了本次任務(wù)“繞、著、巡”中第一步“繞”的目標.“天問一號”被火星捕獲之后，需要在近火星點P變速，進入環(huán)繞火星的橢圓軌道，該過程簡化為如圖3所示，則下列說法中正確的是( )

A.由軌道Ⅰ進入軌道Ⅱ需要在P點加速

B.在軌道Ⅰ上經(jīng)過P點時的加速度大于在軌道Ⅱ上經(jīng)過P點時的加速度

C.在軌道Ⅰ上運行周期大于在軌道Ⅱ上運行周期

D.在軌道Ⅰ上運行時的機械能大于在軌道Ⅱ上運行時的機械能

圖3 例2題圖

衛(wèi)星變軌過程中速度、加速度、能量等物理參數(shù)的比較一直是各類考試的熱點，“天問一號”承擔我國首次自主火星探測任務(wù)，其成功是我國航天領(lǐng)域的里程碑.該試題情境對增強民族自信心，民族認同感，社會責任感起到積極作用.

2.3 適度引入物理原始問題

物理原始問題是指自然界及社會生活生產(chǎn)中未被抽象加工的典型現(xiàn)象，它是對現(xiàn)象的描述，沒有對現(xiàn)象做任何程度的抽象[4].原始問題以某一開放生動的實際問題為情境，條件具有隱蔽性，通常不提供相應(yīng)的物理量與數(shù)值，需要學生查閱資料進行自主探究，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，通過模型建構(gòu)、合理賦值、分析、推理等一系列活動解決問題，對高階思維能力有較高要求.

與原始問題對應(yīng)的是抽象習題，抽象習題是由命題者將原始問題人為加工生成，其特征是條件明顯、問題指向性明確、數(shù)據(jù)充分，當前考試環(huán)境下大部分試題屬于此類.從原始問題到抽象習題的關(guān)鍵在于模型建構(gòu)，如果學生長期接觸抽象習題，必然缺失模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)，一旦面臨實際問題常常束手無策.因此,在試題評價過程中適度引入原始問題是值得推行的一項措施.

【例3】(抽象習題)如圖4所示，將一小球從地面位置以初速度v拋出，速度方向與水平面成θ角，重力加速度為g且不計空氣阻力，求小球落回地面的水平位移.

圖4 抽象習題

(原始問題)如圖5所示，鉛球比賽中的成績會受到緯度的影響.已知迄今鉛球世界紀錄為 23.12 m(鉛球運動中最高點約 8 m).請分析并說明在運動員體能和技巧都確定的情況下，比賽在高緯度地區(qū)和低緯度地區(qū)進行相比，哪里更容易創(chuàng)造世界紀錄？

圖5 原始問題

運動的分解是高中物理的核心知識，抽象習題中設(shè)定了小球的初速度，給出相應(yīng)的條件，考查了學生對運動的分解的應(yīng)用熟練度與計算能力.然而該問題是經(jīng)過抽象后的模型題，缺乏與實際生活的聯(lián)系，學生通過機械式訓練就可以解決.

改編后的原始問題創(chuàng)設(shè)了鉛球比賽的情境，鉛球的運動與哪個物理模型相對應(yīng)？鉛球比賽成績與哪些物理量有關(guān)？運動員體能和技巧影響了哪些物理量？不同緯度地區(qū)什么物理量有差別，又是如何影響比賽成績的？這些都是應(yīng)該思考的問題.在思考過程中首先突出鉛球運動的主要因素加強學生模型建構(gòu)的能力，其次需要綜合運用運動的分解與天體運動等知識解決問題，能夠更全面地對學生判斷、分析、推理能力進行評價，促進“學科素養(yǎng)”的形成.

通過對比不難發(fā)現(xiàn)，原始問題凸顯知識的應(yīng)用性，強調(diào)從“解題”向“解決問題”的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學以致用的能力.近年高考中原始問題頻頻出現(xiàn)，如2017年高考理綜全國卷Ⅰ第18題以掃描隧道顯微鏡(STM)為背景考查電磁阻尼現(xiàn)象；2017年高考理綜全國卷Ⅱ第21題以自制簡易電動機為背景考查安培力，這一現(xiàn)象引導教師關(guān)注原始問題的編制，體現(xiàn)了高考“引導教學”這一核心目標.

3 試題重視創(chuàng)新性

3.1 以創(chuàng)新情境為載體

創(chuàng)新情境類試題是高層次的智力活動，對學生而言要充分理解文字與圖片的含義，挖掘題中關(guān)鍵信息，準確把握考查方向.對命題者而言，創(chuàng)新不是無限制提高難度，依舊要在創(chuàng)新中突出對基本概念規(guī)律的考查.如2015年高考理綜全國卷Ⅱ第16題要求計算同步衛(wèi)星從轉(zhuǎn)移軌道調(diào)整到同步軌道的附加速度，表面上考查天體運動，實際上考查速度的合成與分解，這種“聲東擊西”的情境設(shè)計正是該題的新意所在.再如通過中學課本“科學足跡”“科學漫步”“STS”等欄目探尋創(chuàng)新情境的源泉.

【例4】量子理論是20世紀物理學發(fā)展的重大成就之一，玻爾提出的原子結(jié)構(gòu)理論推動了量子理論的發(fā)展.玻爾理論的一個重要假設(shè)是原子能量的量子化，1914年，弗蘭克和赫茲利用粒子碰撞的方式證明了原子能量的量子化現(xiàn)象.弗蘭克-赫茲實驗原理如圖6(a)所示，燈絲K發(fā)射出初速度不計的電子，K與柵極G間加有電壓為U的電場使電子加速，GA間加0.5 V的反向電壓使電子減速.當電子通過K-G 空間加速后進入G-A空間時，如果能量較大，就可以克服G-A間的反向電場到達接收極A，形成電流通過電流表.在原來真空的容器中充入汞蒸氣，當電子的動能小于汞原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量時，由于汞原子的能量不能連續(xù)變化，電子與汞原子發(fā)生彈性碰撞；當電子的動能大于汞原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量時，電子與汞原子發(fā)生非彈性碰撞，汞原子吸收電子的一部分動能，使自己從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài).已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e，汞原子質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量.

(1)證明一個運動的電子與一個靜止的汞原子發(fā)生彈性正碰時，電子幾乎不會因碰撞損失能量；(證明過程中需要用到的物理量請自行設(shè)定)

(2)實驗得到如圖6(b)所示的I-U圖像，從圖中看出，每當KG間電壓增加4.9 V時，電流就會大幅下降，請解釋這一實驗結(jié)果.

圖6 例4題圖

本題情境的創(chuàng)新在于：

(1)背景素材的創(chuàng)新.弗蘭克-赫茲實驗在人教版選修3-5第18章第4節(jié)“科學足跡”欄目中有介紹，但大多數(shù)教師容易忽視這塊內(nèi)容，對學生而言是全新的情境.雖然情境陌生，但是題干對實驗做了詳細解釋，學生完全可以通過題干條件與知識儲備理解原理進而解決問題，對學生處理新問題的能力起到很好的檢測效果，可謂“源于課本，高于課本”.

(2)設(shè)問方式的創(chuàng)新.題目第一問要求學生證明電子與汞原子發(fā)生彈性正碰時幾乎不損失能量，第二問需要根據(jù)所學知識解釋圖像產(chǎn)生的原因，這兩問均擺脫了傳統(tǒng)計算題的形式，改為以證明題和簡答題形式呈現(xiàn).

(3)知識綜合的創(chuàng)新.該題巧妙地將碰撞與能級躍遷結(jié)合，考查不同知識的綜合應(yīng)用能力的同時更凸顯出能量量子化的本質(zhì).

3.2 增強探究性與開放性

物理新課程積極倡導學生掌握物理學科的一些科學探究方法，發(fā)展自主學習能力，養(yǎng)成良好的思維習慣，能夠運用物理知識和科學探究方法解決一些問題[5].科學探究能力的培養(yǎng)扎根于課堂教學，實踐于實驗操作，滲透于試題評價.命制試題時突破傳統(tǒng)的“已知求解”這類單進程命題模式，改為引導學生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，設(shè)計答案不唯一的開放式問題，全面檢測學生的發(fā)散思維能力與創(chuàng)造力.

【例5】電動勢和內(nèi)阻是電池的重要參數(shù)，如圖7所示小明同學將銅片和鋅片插入蘋果中制作電池，將蘋果電池正負兩極連接至額定電壓為1.5 V的小燈泡兩端發(fā)現(xiàn)小燈泡不發(fā)光，于是小明對該問題進行探究.

圖7 蘋果電池

(1)用電壓表直接連接蘋果電池測電壓，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)為0.97 V，可以猜想小燈泡不發(fā)光的原因是什么？

(2)為了驗證猜想，請你幫助小明選擇實驗器材測量蘋果電池的電動勢和內(nèi)阻，并畫出電路圖，簡述實驗原理與步驟.

(3)小明改變金屬片的間距與插入深度，測量了多種水果電池的電動勢內(nèi)阻如表1所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)金屬片間距與深度對電動勢和內(nèi)阻有什么影響？

表1 多種水果電池的電動勢和內(nèi)阻

第一問提出問題，為什么小燈泡不發(fā)光？根據(jù)電壓表讀數(shù)，學生很容易猜想到蘋果電池內(nèi)阻可能很大.接下來引導學生選擇實驗器材，設(shè)計實驗方案測量電動勢和內(nèi)阻，驗證猜想.實驗方案可以采用電流表和電壓表配合，也可以用電流表與電阻箱配合或電壓表與電阻箱配合，只要設(shè)計方案合理均為正確答案，具有一定的開放性.最后將研究問題擴大到不同水果電池的電動勢和內(nèi)阻，要求學生根據(jù)表格數(shù)據(jù)分析影響電動勢和內(nèi)阻的因素，考查了學生獲取證據(jù)的意識與交流解釋的能力.試題設(shè)計圍繞著提出問題→猜想假設(shè)→獲取證據(jù)→解釋交流的流程展開，體現(xiàn)出科學探究核心素養(yǎng)的滲透.

4 結(jié)束語

習近平總書記指出，社會主義現(xiàn)代化強國教育必須“全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務(wù)……培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人”[6].高考作為最公平的考試承擔著“立德樹人、服務(wù)選才，引導教學”核心任務(wù).在高考評價體系的指導下，加強應(yīng)用性與創(chuàng)新性培養(yǎng)對人才選拔起到重要的推動作用，是廣大教育工作者命制試題的主要方向.