評價物理觀念的高考試題剖析與應(yīng)對策略

浙江 劉銀奎

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱新課標(biāo))在命題建議中指出：“試題應(yīng)有明確的測試目標(biāo)。試題的立意要明確，要清楚地指向物理學(xué)科核心素養(yǎng)某個或多個方面，盡量明確到對具體要素的測試。”本文對2021年全國各地高考試卷中評價物理觀念的試題進(jìn)行深度剖析，總結(jié)出可以借鑒的命題規(guī)律與應(yīng)對策略。

1 物理觀念的深度理解

1.1 物理觀念的內(nèi)涵

新課標(biāo)中關(guān)于“物理觀念”的說明有以下三句話：“‘物理觀念’是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量等的基本認(rèn)識；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。”新課標(biāo)研制組專家黃恕伯老師對這三句話做了深入的解讀：第一個分句告訴我們物理觀念是一種基本認(rèn)識；第二個分句告訴我們物理觀念不是概念和規(guī)律的簡單堆砌，而是把所學(xué)的概念和規(guī)律組合成富有邏輯的合理的知識結(jié)構(gòu)；第三個分句告訴我們物理觀念還是解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。很顯然，掌握基本認(rèn)識、構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)只是物理觀念形成的初步，而解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問題才是物理觀念的課程目標(biāo)。

1.2 物理觀念包含的素養(yǎng)要素分析

“物理觀念”包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念、能量觀念三個要素，可以看出，這三個要素的分類是按照知識層面進(jìn)行的，而“科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的要素分類是按照素養(yǎng)要素進(jìn)行的，如：科學(xué)探究就分為“問題、證據(jù)、解釋、交流”等四個素養(yǎng)要素。顯然物理觀念的分類方法與其他三個方面是不同的。

要真正有效地落實(shí)物理觀念目標(biāo)，教學(xué)中還需要從素養(yǎng)層面上認(rèn)識物理觀念的要素。黃恕伯老師認(rèn)為，從素養(yǎng)層面上看，物理觀念應(yīng)包括“形成觀念”和“解決問題”兩個要素。原因有以下兩個：第一，新課標(biāo)的第一條就是“形成物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念、能量觀念等，能用其解釋自然現(xiàn)象和解決問題?！钡诙?，在新課標(biāo)的物理觀念五級水平劃分表中，每級水平的描述中均包括“形成觀念”和“解決問題”兩個要素，如下表所示。

物理觀念五級水平劃分

基于以上分析，我們就可以用如圖1所示的框架結(jié)構(gòu)來表示物理學(xué)科核心素養(yǎng)，它包括4個方面素養(yǎng)和13個素養(yǎng)要素。

圖1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)結(jié)構(gòu)圖

2 評價物理觀念的高考試題剖析

由前面的分析可知，從素養(yǎng)層面來看，物理觀念包括了“形成觀念”和“解決問題”兩個素養(yǎng)要素。下面就從這兩個方面對2021年的高考試題進(jìn)行分析，探究評價物理觀念的命題規(guī)律。

2.1 評價學(xué)生的物理知識結(jié)構(gòu)是否完善

要評價學(xué)生物理觀念的形成情況，實(shí)際上就是評價學(xué)生頭腦中的物理知識的結(jié)構(gòu)是否完善，即學(xué)生能否把所學(xué)的概念和規(guī)律組合成富有邏輯的合理結(jié)構(gòu)，使其成為解決實(shí)際問題的關(guān)鍵視角和分析物理問題的思維指南。

2.1.1 評價學(xué)生小范圍內(nèi)知識結(jié)構(gòu)是否完善

【例1】(2021年6月浙江省普通高校招生選考科目考試第4題)2021年5月15日，天問一號著陸器在成功著陸火星表面的過程中，經(jīng)大氣層290 s的減速，速度從4.9×103m/s減為4.6×102m/s；打開降落傘后，經(jīng)過90 s速度進(jìn)一步減為1.0×102m/s；與降落傘分離，打開發(fā)動機(jī)減速后處于懸停狀態(tài)；經(jīng)過對著陸點(diǎn)的探測后平穩(wěn)著陸。若打開降落傘至分離前的運(yùn)動可視為豎直向下運(yùn)動，則著陸器

(B)

圖2

A.打開降落傘前，只受到氣體阻力的作用

B.打開降落傘至分離前，受到的合力方向豎直向上

C.打開降落傘至分離前，只受到浮力和氣體阻力的作用

D.懸停狀態(tài)中，發(fā)動機(jī)噴火的反作用力與氣體阻力是平衡力

【試題說明】本題是考查受力分析的一道簡單題，是針對小范圍內(nèi)的知識結(jié)構(gòu)的考查，旨在評價學(xué)生對著陸器在火星表面降落過程中受力分析是否清晰，尤其是對著陸器處在不同狀態(tài)對應(yīng)不同受力情況能否區(qū)分。

【素養(yǎng)要素】(僅針對物理觀念素養(yǎng)，下同)著陸器是否受到重力、大氣阻力、大氣浮力的判斷，合力、反作用力、平衡力等概念的理解，受力分析、力的合成的應(yīng)用?？疾閷W(xué)生力的概念與受力分析的局部知識結(jié)構(gòu)是否完善，運(yùn)動與相互作用觀念是否已初步形成。

【學(xué)業(yè)質(zhì)量】水平2：形成初步的物理觀念。

2.1.2 評價學(xué)生大范圍內(nèi)知識結(jié)構(gòu)是否完善

【例2】(山東省2021年普通高中學(xué)業(yè)水平等級考試第8題)迷你系繩衛(wèi)星在地球赤道正上方的電離層中，沿圓形軌道繞地飛行。系繩衛(wèi)星由兩子衛(wèi)星組成，它們之間的導(dǎo)體繩沿地球半徑方向，如圖3所示。在電池和感應(yīng)電動勢的共同作用下，導(dǎo)體繩中形成指向地心的電流，等效總電阻為r。導(dǎo)體繩所受的安培力克服大小為f的環(huán)境阻力，可使衛(wèi)星保持在原軌道上。已知衛(wèi)星離地平均高度為H，導(dǎo)體繩長為L(L?H)，地球半徑為R，質(zhì)量為M，軌道處磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于赤道平面。忽略地球自轉(zhuǎn)的影響。據(jù)此可得，電池電動勢為

圖3

(B)

【試題說明】本題是把萬有引力定律與電磁感應(yīng)等知識綜合起來的一道中等難度試題，旨在評價學(xué)生對力、電綜合知識的掌握與運(yùn)用能力，是針對力學(xué)與電磁學(xué)大范圍內(nèi)的知識結(jié)構(gòu)的考查。

【素養(yǎng)要素】萬有引力定律、電磁感應(yīng)定律、閉合電路歐姆定律、安培力公式、左手定則、右手定則、二力平衡等要素，考查學(xué)生的大范圍內(nèi)搭建物理知識結(jié)構(gòu)是否完善，運(yùn)動與相互作用觀念是否已經(jīng)形成。

【學(xué)業(yè)質(zhì)量】水平4：具有清晰、系統(tǒng)的物理觀念。

2.2 評價學(xué)生是否會用物理觀念解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題

物理觀念既包括重要的物理概念、物理規(guī)律，同時，也包括在概念和規(guī)律基礎(chǔ)上提煉出的觀點(diǎn)；但無論是基本認(rèn)識還是升華后的觀點(diǎn)，它們共同的目標(biāo)均指向解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題。

2.2.1 評價學(xué)生是否會從物理學(xué)的視角解釋現(xiàn)象

【例3】(2021年廣東省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試第3題)唐代《耒耜經(jīng)》記載了曲轅犁相對直轅犁的優(yōu)勢之一是起土省力，設(shè)牛用大小相等的拉力F通過耕索分別拉兩種犁，F(xiàn)與豎直方向的夾角分別為α和β，α<β，如圖4所示，忽略耕索質(zhì)量，耕地過程中，下列說法正確的是

圖4

(B)

A.耕索對曲轅犁拉力的水平分力比對直轅犁的大

B.耕索對曲轅犁拉力的豎直分力比對直轅犁的大

C.曲轅犁勻速前進(jìn)時，耕索對犁的拉力小于犁對耕索的拉力

D.直轅犁加速前進(jìn)時，耕索對犁的拉力大于犁對耕索的拉力

【試題說明】本題選取了我國古代曲轅犁相較直轅犁的優(yōu)勢對比情境，旨在評價學(xué)生能否應(yīng)用學(xué)過的物理知識來分析和解釋曲轅犁起土省力的原因。

【素養(yǎng)要素】受力分析、力的分解、牛頓第三定律?？疾閷W(xué)生能否從物理學(xué)的視角解釋一些生活現(xiàn)象。

【學(xué)業(yè)質(zhì)量】水平2：能從物理學(xué)視角解釋一些生活或生產(chǎn)中的現(xiàn)象。

2.2.2 評價學(xué)生能否用物理知識解決問題

【例4】(2021年1月浙江省普通高校招生選考科目考試第15題)為了提高松樹上松果的采摘率和工作效率，工程技術(shù)人員利用松果的慣性發(fā)明了用打擊桿、振動器使松果落下的兩種裝置，如圖5所示。則

甲

(AD)

A.針對不同樹木，落果效果最好的振動頻率可能不同

B.隨著振動器頻率的增加，樹干振動的幅度一定增大

C.打擊桿對不同粗細(xì)樹干打擊結(jié)束后，樹干的振動頻率相同

D.穩(wěn)定后，不同粗細(xì)樹干的振動頻率始終與振動器的振動頻率相同

【試題說明】本題以利用共振原理來提高松樹上松果的采摘率和工作效率為背景，旨在評價學(xué)生能否運(yùn)用學(xué)過的物理知識來解決具體問題，體現(xiàn)學(xué)以致用、聯(lián)系實(shí)際、關(guān)注STSE的物理學(xué)科特點(diǎn)。

【素養(yǎng)要素】受迫振動、自由振動、共振現(xiàn)象、共振條件、慣性概念、生活常識等，考查學(xué)生能否應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題，考查“運(yùn)動與相互作用觀念”是否已經(jīng)形成。

【學(xué)業(yè)質(zhì)量】水平3：能應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題。

3 應(yīng)對策略

從上面列舉的四個例題可以看出，2021年評價物理觀念的高考題大多從“形成觀念”和“解決問題”這兩個要素來命制題目。因此，我們的課堂教學(xué)首要任務(wù)是促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成；在這個基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題解決的訓(xùn)練，最終提升學(xué)生物理觀念素養(yǎng)。

3.1 優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，形成物理觀念

高中物理課程的學(xué)習(xí)，不是知識的堆砌，而是要讓學(xué)生構(gòu)建一個優(yōu)化的知識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。教師在幫助學(xué)生習(xí)得大量的物理知識之后，還要不失時機(jī)地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化，形成知識網(wǎng)絡(luò)，從而使學(xué)生形成清晰、系統(tǒng)的物理觀念。

學(xué)生學(xué)習(xí)完牛頓運(yùn)動定律之后，教師要引導(dǎo)學(xué)生畫出力與運(yùn)動的知識結(jié)構(gòu)圖，教師可以綜合多個學(xué)生的作品，然后匯總成一張優(yōu)化的結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示，用一條中軸線把重點(diǎn)知識塊串起來，兩邊再聯(lián)結(jié)上知識細(xì)節(jié)部分，從而把相關(guān)知識連成一棵“知識樹”。又如，必修2的第八章“機(jī)械能守恒定律”是形成能量觀念的重要章節(jié)，章內(nèi)概念繁雜、規(guī)律眾多，學(xué)生難以掌握，如果能引導(dǎo)學(xué)生建立如圖7所示的結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖，那就事半功倍了。這個結(jié)構(gòu)圖把四個概念(功、功率、動能、勢能)、兩條規(guī)律(動能定理、機(jī)械能守恒定律)、一個綜合關(guān)系(功能關(guān)系)梳理得清晰明白，把相關(guān)的知識結(jié)成一張“知識網(wǎng)”。通過優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，學(xué)生實(shí)現(xiàn)“腦中有結(jié)構(gòu)”，夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)，形成物理觀念，奠定“解決問題”的基礎(chǔ)。

圖6 力與運(yùn)動知識結(jié)構(gòu)圖

圖7 機(jī)械能知識結(jié)構(gòu)圖

3.2 重視情境創(chuàng)設(shè)，訓(xùn)練問題解決

新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的第二條教學(xué)建議：“在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過程中重視情境的創(chuàng)設(shè)”，并指出“創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用?！比舭盐锢碇R比喻成“鹽”，則教師創(chuàng)設(shè)的情境就是“湯”，鹽只有溶于湯才好入口，知識只有融入情境才好理解和消化。例如在訓(xùn)練求解星球的質(zhì)量問題時，可以采用以下兩個題目：

【例5】宇航員在月球表面上用一彈簧秤稱質(zhì)量為m的物體時的讀數(shù)為F，設(shè)引力常量為G，月球半徑為R，則月球的質(zhì)量為

(A)

【例6】如圖8所示，2013年12月14日21時許，嫦娥三號攜帶玉兔探測車在月球虹灣成功軟著陸。在實(shí)施軟著陸過程中，嫦娥三號離月面4米高時最后一次懸停，確認(rèn)著陸點(diǎn)。已知總質(zhì)量為m的嫦娥三號在最后一次懸停時，發(fā)動機(jī)對其提供的推力為F，引力常量為G，月球半徑為R，則月球的質(zhì)量為

圖8

(A)

4 結(jié)束語

在新課標(biāo)的指引下，一線教師要充分理解物理觀念的內(nèi)涵與外延，在教學(xué)中注重學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的形成，要有意識地以試題為載體去引導(dǎo)學(xué)生形成物理觀念。同時還要注重真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，讓學(xué)生在豐富的情境中訓(xùn)練問題的解決、提煉物理概念和規(guī)律，最終形成物理觀念。