基于高考命題的高中物理學(xué)科能力培養(yǎng)的教學(xué)策略
——以“動(dòng)量”主題為例

王洪泠

（福州第二中學(xué)，福建 福州 350001）

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)作為學(xué)生物理學(xué)習(xí)和適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵能力，在受到教育界廣泛關(guān)注的同時(shí)，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也日益成為學(xué)校教學(xué)工作的重點(diǎn)。物理核心素養(yǎng)是學(xué)生物理學(xué)習(xí)過程的內(nèi)化，它決定了學(xué)生面對(duì)物理問題時(shí)的能力表現(xiàn)，而對(duì)學(xué)生能力表現(xiàn)的研究又成為落實(shí)物理核心素養(yǎng)的重要手段。因此，基于學(xué)生行為表現(xiàn)的物理學(xué)科能力理論為我們提供了系統(tǒng)化的研究方法和研究路徑。

20 世紀(jì)末的物理高考說明提出了理解、推理、分析綜合、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題和實(shí)驗(yàn)等五項(xiàng)能力目標(biāo)。［1］21 世紀(jì)初，綜合能力和創(chuàng)新能力得到普遍重視，探究能力、閱讀能力和整合能力也逐漸在物理學(xué)科能力中得到體現(xiàn)。郭玉英、續(xù)佩君、邢紅軍、李春密等都提出了各自的對(duì)物理學(xué)科能力的論述，其中郭玉英、張玉峰和姚建欣提出的物理學(xué)科能力表現(xiàn)理論框架，即學(xué)習(xí)理解能力、應(yīng)用實(shí)踐能力和遷移創(chuàng)新能力等三大維度，以學(xué)生能力表現(xiàn)為載體，繼承國(guó)內(nèi)外對(duì)物理學(xué)科能力的探索，總結(jié)出了物理學(xué)科能力的共性要素［2］。本文將根據(jù)此學(xué)科能力的理論框架進(jìn)行論述。

“學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實(shí)踐、遷移創(chuàng)新”這三個(gè)維度涵蓋了學(xué)生當(dāng)下學(xué)習(xí)生活和應(yīng)對(duì)未來社會(huì)挑戰(zhàn)的基本內(nèi)容。根據(jù)三個(gè)能力維度的解構(gòu)，學(xué)習(xí)理解能力維度可以進(jìn)一步具體分解為A1 觀察記憶、A2 概括論證、A3 關(guān)聯(lián)整合；應(yīng)用實(shí)踐能力維度可以進(jìn)一步具體分解為B1 分析解釋、B2 推論預(yù)測(cè)、B3 綜合應(yīng)用；遷移創(chuàng)新能力維度可以進(jìn)一步具體分解為C1 直覺聯(lián)想、C2遷移與質(zhì)疑、C3 構(gòu)建新模型。［2］我們將以“動(dòng)量”這一高中物理教學(xué)及高考命題的重點(diǎn)知識(shí)為例，基于物理學(xué)科能力理論這一分析工具，對(duì)近幾年高考“動(dòng)量”命題與物理學(xué)科能力的一致性進(jìn)行量化的對(duì)比研究，并據(jù)此提出基于三個(gè)能力維度、九個(gè)一級(jí)指標(biāo)的“動(dòng)量”教學(xué)策略。

一、高考物理試題與物理學(xué)科能力的一致性

基于物理學(xué)科能力的命題細(xì)目表以學(xué)科能力的九個(gè)二級(jí)指標(biāo)和試題所涉及的主要知識(shí)內(nèi)容為橫縱坐標(biāo)建立細(xì)目表，將知識(shí)在具體學(xué)習(xí)過程中的情境對(duì)應(yīng)到表格中，并據(jù)此尋找試題與內(nèi)容、能力維度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。表1 展示的“物理學(xué)科能力與動(dòng)量主題命題細(xì)目表（2017—2020 年的高考全國(guó)卷動(dòng)量命題對(duì)照）”就是基于學(xué)科能力維度，將“動(dòng)量”這一主題按照動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律兩塊內(nèi)容，按照不同的情境分解到表格中。通過對(duì)照2017 年—2020 年高考全國(guó)卷的動(dòng)量試題，整理得出在高考命題中“動(dòng)量”這一主題在三個(gè)學(xué)科能力維度、九個(gè)一級(jí)指標(biāo)中的占比和覆蓋面，并據(jù)此為高中物理教學(xué)提供參考和依據(jù)。

表1 物理學(xué)科能力與動(dòng)量主題命題細(xì)目表（2017——2020 年的高考全國(guó)卷動(dòng)量命題對(duì)照）

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)在2017 年—2020 年高考全國(guó)卷的動(dòng)量試題主要涵蓋了學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實(shí)踐這兩個(gè)維度，在遷移創(chuàng)新這個(gè)維度基本沒有出現(xiàn)。并且在九個(gè)子維度中并不均衡，大量的高考動(dòng)量試題集中于觀察記憶、推論預(yù)測(cè)、綜合實(shí)踐子維度中，這體現(xiàn)出高考更多的考察的是關(guān)于動(dòng)量最簡(jiǎn)單的概念記憶與知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。遷移創(chuàng)新的維度中沒有出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的高考試題，以及二級(jí)子維度中沒有對(duì)應(yīng)的高考試題，這可能基于高考命卷過程中對(duì)題量設(shè)置和區(qū)分度設(shè)置的考慮?！皠?dòng)量”的遷移創(chuàng)新維度確實(shí)是一個(gè)高難度的能力要求，雖然在統(tǒng)計(jì)的高考全國(guó)卷中沒有體現(xiàn)，但在非高考的試題或部分地方卷中，各個(gè)子維度我們都可以找到對(duì)應(yīng)的試題，如在各省市的模擬卷出現(xiàn)了具體的考查維度，這在后面的教學(xué)策略中也將舉例說明。

我們將據(jù)此將基于學(xué)科能力三個(gè)維度的學(xué)生表現(xiàn)及其教學(xué)策略的重點(diǎn)放在前兩個(gè)維度，即“學(xué)習(xí)理解能力”和“應(yīng)用實(shí)踐能力”的分析上。

二、培養(yǎng)學(xué)科能力的教學(xué)策略

（一）學(xué)習(xí)理解能力維度

1.基于“觀察記憶”的教學(xué)策略

觀察記憶根據(jù)任務(wù)的不同可以分為“觀察與信息提取”和“信息與知識(shí)對(duì)應(yīng)”兩種類型。學(xué)生在記憶“動(dòng)量”“沖量”等概念時(shí)存在記憶停留于表面的問題，即信息與知識(shí)沒有做到很好的對(duì)應(yīng)。具體表現(xiàn)如“矢量性”這一知識(shí)的對(duì)應(yīng)上，學(xué)生雖然知道“動(dòng)量”和“沖量”是矢量，但是在應(yīng)用過程中依然潛意識(shí)地將它們當(dāng)作標(biāo)量對(duì)待。特別是計(jì)算動(dòng)量的變化量時(shí)，學(xué)生會(huì)更明顯地表現(xiàn)出這種問題。如某質(zhì)量1kg 的小球以1m/s 的初速度撞擊墻面后以依然以1m/s 的速率反彈，則學(xué)生在計(jì)算動(dòng)量變化量時(shí)往往會(huì)直接用初末速率與質(zhì)量的乘積相減得出動(dòng)量的變化量為零的錯(cuò)誤結(jié)論。教師在教學(xué)過程中要通過盡可能多的實(shí)例和演示實(shí)驗(yàn)來強(qiáng)化學(xué)生對(duì)矢量性的認(rèn)知，并且可以通過“試錯(cuò)”的方式，如設(shè)置一些學(xué)生容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的實(shí)例或習(xí)題，暴露出他們錯(cuò)誤的“潛意識(shí)”，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化認(rèn)知的教學(xué)效果。

2.基于“概括論證”的教學(xué)策略

概括論證包括“抽象概括”和“指向知識(shí)獲得的推理”兩種類型。學(xué)生理論推導(dǎo)“動(dòng)量定理”“動(dòng)量守恒定律”的公式的過程就屬于“指向知識(shí)獲得的推理”。學(xué)生的困難主要表現(xiàn)為用舊知識(shí)推導(dǎo)新規(guī)律的不熟悉，即無法建立起新舊物理量間的關(guān)聯(lián)，在論證過程中對(duì)矢量性應(yīng)用不當(dāng)?shù)取＝處熢诮虒W(xué)過程中應(yīng)積極地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生自主完成公式的論證的全過程，如果有困難教師可以給予提示性的建議，應(yīng)盡可能避免教師全過程的演算式推導(dǎo)和自問自答式的提問式教學(xué)。為提升學(xué)生的“概括論證”能力，教師應(yīng)當(dāng)積極放手，通過學(xué)生上臺(tái)講解，學(xué)生間互相討論等方式，讓學(xué)生充分地參與到概括論證的學(xué)習(xí)過程中。教師還可以通過投影展示、當(dāng)場(chǎng)批閱等方式生動(dòng)展示學(xué)生在論證過程中出現(xiàn)的問題，以點(diǎn)帶面地將“概括論證”的細(xì)節(jié)、技巧、注意事項(xiàng)展示給所有學(xué)生，達(dá)到總體提升的教學(xué)效果。

3.基于“關(guān)聯(lián)整合”的教學(xué)策略

“關(guān)聯(lián)整合是學(xué)習(xí)理解維度中對(duì)學(xué)生最高層次的要求，可以分為‘知識(shí)關(guān)系建構(gòu)’和‘核心概念整合’兩類。”［1］學(xué)生在關(guān)聯(lián)整合“動(dòng)量”的各類知識(shí)時(shí)，表現(xiàn)出的問題是類似物理量之間的混淆和錯(cuò)用。特別是在“動(dòng)量”與“動(dòng)能”“沖量”和“功”“動(dòng)量定理”和“動(dòng)能定理”“動(dòng)量守恒”和“機(jī)械能守恒”等概念、規(guī)律間的迷失。具體表現(xiàn)為將某一物理量的特性套用在其他物理量上，如水平面上移動(dòng)的物體重力不做功，但是重力有沖量，學(xué)生有時(shí)就會(huì)誤認(rèn)為重力的沖量也是零。功是力對(duì)空間的積累，需要考慮力和位移的方向問題；而沖量是力對(duì)時(shí)間的積累，求沖量直接可以用力和時(shí)間的乘積。為更好地解決學(xué)生對(duì)動(dòng)量“關(guān)聯(lián)整合”的學(xué)習(xí)，教師在課堂教學(xué)中可以充分采用對(duì)比教學(xué)的策略，將類似物理量和物理規(guī)律間的異同通過表格醒目的表達(dá)出來。同時(shí)，教師通過引導(dǎo)學(xué)生自主建立動(dòng)量地思維導(dǎo)圖，由學(xué)生來闡述思維導(dǎo)圖的關(guān)聯(lián)，也是一種快速幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)間關(guān)聯(lián)，提升核心概念、整合效率的有效策略。

（二）應(yīng)用實(shí)踐能力維度

1.基于“分析解釋”的教學(xué)策略

分析解釋可以根據(jù)任務(wù)情境分為“分析問題情境”和“解釋物理現(xiàn)象”兩類。學(xué)生存在的困難主要表現(xiàn)為不能從生活現(xiàn)象中提煉出物理規(guī)律，或者在提煉出物理規(guī)律后不能很好解釋現(xiàn)象。教師在教學(xué)過程中應(yīng)多向?qū)W生展示生活中的實(shí)例，例題應(yīng)該多一些生活情境的描述，不應(yīng)一直選用理想化模型。比如打籃球時(shí)接球緩沖的動(dòng)作和彈簧減震的例子都可以解釋“動(dòng)量變化相同時(shí)力的作用時(shí)間越長(zhǎng)作用力越小”，但是打籃球的例子更貼近學(xué)生的生活。只有選擇恰當(dāng)?shù)那榫巢偶ぐl(fā)學(xué)生的自主意識(shí)，進(jìn)而幫助學(xué)生從物理走向生活，從生活中感受物理，為他們分析問題情境提供創(chuàng)造條件。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)積極肯定并鼓勵(lì)學(xué)生的自我思考，允許他們犯錯(cuò)，必要時(shí)可以對(duì)某一問題開展充分的交流和討論，有步驟地培養(yǎng)學(xué)生完整的物理分析和表達(dá)的能力，即從用物理術(shù)語描述生活現(xiàn)象，到用物理規(guī)律闡述物理量關(guān)系，最后能夠用有邏輯的分析串接整個(gè)過程。

2.基于“推論預(yù)測(cè)”的教學(xué)策略

“推論預(yù)測(cè)可以根據(jù)最終結(jié)果分為‘推理論證’和‘推理預(yù)測(cè)’兩類，兩者都是科學(xué)理論的實(shí)踐應(yīng)用過程。”［1］其中推理論證與學(xué)習(xí)理解維度下“概括論證”比較類似，但二者依然有明顯的區(qū)別?！巴评碚撟C”側(cè)重于解決問題的推理能力，“概括論證”特指獲得新知識(shí)的輸入型思維過程。學(xué)生在這方面的困難主要表現(xiàn)為因推理過程中涉及的對(duì)象選擇、受力分析、規(guī)律應(yīng)用、分析推導(dǎo)等都對(duì)學(xué)生有較高的要求，學(xué)生對(duì)過程分析不到位或沒能掌握推理的全過程，導(dǎo)致推理中斷或者推理錯(cuò)誤。以“稱米問題”為例，設(shè)問自動(dòng)稱米機(jī)切斷“米流”后，空中“米流”因?qū)θ萜饔袥_擊力而對(duì)稱量的影響問題。學(xué)生要能夠以“取在極短時(shí)間Δt內(nèi)，落到米堆上的一小部分米Δm 為研究對(duì)象”，通過對(duì)這一微小單元應(yīng)用動(dòng)量定理，推導(dǎo)出沖擊力大小與空中的“米流”質(zhì)量相等，最后預(yù)測(cè)買賣公平的結(jié)論。一旦學(xué)生沒有選擇合適的分析對(duì)象，推理就會(huì)遇到困難。

［推理預(yù)測(cè)實(shí)例——稱米問題］“目前自動(dòng)稱米機(jī)已被許多大糧店廣泛使用，但使用過程中卻遇到這樣的尷尬問題：買者認(rèn)為，因米流落到容器中時(shí)有向下的沖力不劃算；賣者則認(rèn)為，當(dāng)預(yù)定米的質(zhì)量數(shù)滿足時(shí)，自動(dòng)裝置即刻切斷米流時(shí)，此刻尚有一些米仍在空中，這些米是多給賣者的，因而雙方爭(zhēng)執(zhí)起來，究竟哪方說法對(duì)呢？用物理學(xué)原理分析空中米流的總重量恰等于米流對(duì)米堆的沖擊力，或者說磅秤的示數(shù)恰好等于磅秤上米堆和空中米流的質(zhì)量和，根本不存在劃算、不劃算的問題?！保?］

圖1

因此，教師培養(yǎng)學(xué)生的“推理預(yù)測(cè)”能力，要注重過程的引導(dǎo)。幫助學(xué)生先掌握好推理的各個(gè)分步驟，即對(duì)象選擇、受力分析、規(guī)律應(yīng)用、分析推導(dǎo)的具體過程；再幫助他們熟悉簡(jiǎn)單問題到復(fù)雜問題的轉(zhuǎn)換和過渡，即理想化模型過渡到生活化問題，從單一對(duì)象過渡到多個(gè)物體；進(jìn)而學(xué)生就能循序漸進(jìn)地掌握推理分析的全過程。

3.基于“綜合應(yīng)用”的教學(xué)策略

綜合應(yīng)用是應(yīng)用實(shí)踐維度對(duì)學(xué)生的最高能力要求，它包括“多過程的問題解決”和“多知識(shí)的綜合應(yīng)用”。在高考考題中大部分的動(dòng)量命題都基于對(duì)學(xué)生這種能力的考查，而學(xué)生表現(xiàn)出的問題主要集中在不能厘清復(fù)雜的情境和不能將物理情境轉(zhuǎn)化為物理模型上。如“2021 年1 月福建省新高考適應(yīng)性考試物理試題第15 題”，此題屬于非常典型的動(dòng)量和能量問題的綜合應(yīng)用。第一次碰撞時(shí)，學(xué)生要熟悉“一動(dòng)一靜”的彈性碰撞的模型，綜合利用動(dòng)量和能量的關(guān)系求解問題。第二次、第三次碰撞就需要學(xué)生找出每次碰撞前后的物理量，再結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)綜合求解。學(xué)生在此題的解答過程中表現(xiàn)出的問題有對(duì)常見模型（如“一動(dòng)一靜”彈性碰撞）不熟悉，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)的規(guī)律聯(lián)系多個(gè)碰撞過程有困難，對(duì)多過程的分析不夠細(xì)致等。

［2021 年1 月福建省新高考適應(yīng)性考試物理試題第15 題］如圖2 所示，光滑絕緣水平桌面位于以ab、cd為邊界的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，電場(chǎng)方向垂直邊界向右。兩小球A 和B 放置在水平桌面上，其位置連線與電場(chǎng)方向平行。兩小球質(zhì)量均為m，A 帶電荷量為q（q＞0），B 不帶電。初始時(shí)小球A 距ab 邊界的距離為L(zhǎng)，兩小球間的距離也為L(zhǎng)。已知電場(chǎng)區(qū)域兩個(gè)邊界ab、cd 間的距離為10L，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E。現(xiàn)釋放小球A，A 在電場(chǎng)力作用下沿直線加速運(yùn)動(dòng)，與小球B 發(fā)生彈性碰撞。兩小球碰撞時(shí)沒有電荷轉(zhuǎn)移，碰撞的時(shí)間極短。求：

圖2

（1）兩小球發(fā)生第一次碰撞后，B 獲得的動(dòng)量大小；

（2）兩小球發(fā)生第一次碰撞后至第二次碰撞前，A、B 間的最大距離；

（3）當(dāng)小球B 離開電場(chǎng)區(qū)域時(shí)，A 在電場(chǎng)中的位置。［4］

教師在教學(xué)過程中可以通過精選典型模型，并輔以同類模型的情境來加深學(xué)生對(duì)常見模型的熟悉程度。針對(duì)多次碰撞前后物理量間規(guī)律的尋找和聯(lián)系，教學(xué)過程中可以引導(dǎo)學(xué)生“由果溯因”，逆向分析問題，倒尋物理量的關(guān)系。教學(xué)過程中讓學(xué)生在此處多花些時(shí)間去比較已有物理量和待求物理量間的關(guān)系，自主得出結(jié)論是有意義的，教師千萬不能替代學(xué)生完成這個(gè)分析過程。多過程問題對(duì)學(xué)生能力有較高要求，學(xué)生在分析中不夠細(xì)致是正?，F(xiàn)象，平時(shí)教師要對(duì)學(xué)生的獨(dú)立分析的意愿以及過程中表現(xiàn)出的微小進(jìn)步給予充分的鼓勵(lì)和肯定，讓學(xué)生產(chǎn)生積極的態(tài)度。

緊密聯(lián)系社會(huì)生活與科技發(fā)展，要求學(xué)生抽象出物理模型，明確其中的物理規(guī)律、物理量之間的變化，并用自己的語言進(jìn)行表達(dá)。物理知識(shí)和技能的教學(xué)是培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的重要載體，過多挖掘非主干知識(shí)不一定有助于課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。物理學(xué)科核心素養(yǎng)共有四個(gè)要素，難以在一節(jié)課上體現(xiàn)得面面俱到，教師應(yīng)當(dāng)基于物理的學(xué)科能力，整體規(guī)劃并設(shè)計(jì)好每節(jié)課的教學(xué)，關(guān)注學(xué)生每個(gè)維度的發(fā)展，促進(jìn)課堂教學(xué)與高考命題的一致性。