基于大概念視角評析2023年全國乙卷物理第25題

摘要：本文基于大概念視角，緊扣《中國高考評價體系》和《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》，對2023年全國乙卷物理第25題進行評析。在此基礎上，本文建議教師用大概念來拓寬學生的科學思維路徑，引導學生像專家一樣思考，提升學生的學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：大概念；情境化試題；模型建構

《中國高考評價體系》主要由“一核”“四層”“四翼”三部分組成，規(guī)定了用情境來承載考查內容，實現(xiàn)考查要求。［1］“情境”是指“問題情境”，是真實的問題背景，是以問題或任務為中心的活動場域。情境化試題不僅能凸顯高考試題的能力立意，還能呈現(xiàn)素養(yǎng)立意。情境化命題必須凸顯價值引領、素養(yǎng)導向、能力為重、知識為基的理念。

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（下文簡稱《課程標準》）明確指出：重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科素養(yǎng)的落實。［2］學業(yè)水平考試與命題建議進一步指出，試題應該有明確的測試目標，立意明確，要指向核心素養(yǎng)一個或多個要素。［3］2023年全國乙卷物理第25題就是典型的一道物理情境試題。

1原題呈現(xiàn)

如圖，一豎直固定的長直圓管內有一質量為M的靜止薄圓盤，圓盤與管的上端口距離為l，圓管長度為20l。一質量為m＝13M的小球從管的上端口由靜止下落，并撞在圓盤中心，圓盤向下滑動，所受滑動摩擦力與其所受重力大小相等。小球在管內運動時與管壁不接觸，圓盤始終水平，小球與圓盤發(fā)生的碰撞均為彈性碰撞且碰撞時間極短。不計空氣阻力，重力加速度大小為g。求：

（1）第一次碰撞后瞬間小球和圓盤的速度大??；

（2）在第一次碰撞到第二次碰撞之間，小球與圓盤間的最遠距離；

（3）圓盤在管內運動過程中，小球與圓盤碰撞的次數(shù)。

2命題評析

2.1大概念體系分析

近年來，教育界都將目光聚焦到了大概念上，形成了大概念是在教學中落實核心素養(yǎng)的關鍵這一共識。大概念通常是一個有用的概念、主題、有爭議的結論或觀點。它具有生活價值，能反映專家思維的特征。特別要強調的是，大概念是學科中比較重要、關鍵和核心的概念。利用大概念進行教學，要把學科內、跨學科之間的知識串聯(lián)起來，這也是打通學校教育和現(xiàn)實世界的重要路徑。專家思維與SOLO分類目標的拓展抽象結構相契合，這是思維的最高層次。具備專家思維的學生在面對真實的情境時能快速調動大腦儲備的知識和方法，快速而高質量地解決實際問題。根據(jù)《課程標準》和教材，本文提取了2023年全國乙卷物理第25題的大概念體系（見圖1）。

2.2情境化分析

“情境”是高考評價體系的創(chuàng)新之一。命題專家通過在高考試題中設置不同層級的情境活動，考查學生在“四層”內容上的表現(xiàn)水平，從而評價學生的素質內涵。［4］此題為學習探索情境，體現(xiàn)了“四翼”考查目標的“基礎性”“綜合性”“應用性”“創(chuàng)新性”。該題包含了四個情境（見圖2），第一個情境是小球做自由落體運動，第二個情境是小球與圓盤發(fā)生彈性碰撞。這兩個情境側重考查基礎性、綜合性。第三、四個情境是小球做豎直上拋運動，同時圓盤勻速下落，之后小球再次與圓盤發(fā)生彈性碰撞并重復上述過程。這些情境側重考查綜合性、應用性、創(chuàng)新性。

3模型建構與解答評析

3.1模型建構分析

《課程標準》中的科學思維要素之一是模型建構［5］，它基于經(jīng)驗事實，抓住主要因素、忽略次要因素，是建構物理模型抽象概括的過程。模型建構能力是物理學科考試的關鍵能力之一，也是學生學習物理學科的必備能力之一。在教學中，教師必須加強對學生模型建構能力的培養(yǎng)。模型建構與融合的一般思路是通過抓主要因素、忽略次要因素，利用轉化、類比、遷移、等效等方法，把實際研究對象（過程、條件）抽象為理想化對象模型（過程模型、條件模型）。該題的模型建構與融合思路如圖3所示。

通過對碰撞模型的建構與融合，筆者把完全非彈性碰撞和完全彈性碰撞進行整合，根據(jù)圖5中的對稱性得出式①和式②。借助共速時的狀態(tài)，碰撞到共速可等效為完全非彈性碰撞，寫出式③，這是學生最熟悉的模型。經(jīng)過這樣的建構與融合得出式④和式⑤。該解答過程不僅避開了傳統(tǒng)復雜的二次方程運算，還直觀展現(xiàn)了碰撞的物理過程，更加突出物理學科核心素養(yǎng)中的科學思維能力。

3.2基于模型建構的解答評析

第一個過程，小球由靜止落下，建構質點和自由落體運動模型。小球下落高度為l，速度為v0，由機械能守恒定律可得

第二個過程，小球以速度v0與圓盤發(fā)生彈性碰撞。建構不計碰撞時間的小球和圓盤間的彈性碰撞模型。設小球和圓盤在碰撞結束瞬間的速度分別為v1和v2，由動量守恒定律和機械能守恒定律有

利用3.1中的結論可得

即碰撞后小球以v1＝－2gl2豎直上拋，圓盤以v2＝2gl2向下勻速運動。

第三個過程，小球上升，圓盤下降。我們建構豎直上拋和勻速直線運動模型，把小球和圓盤視為追及相遇問題。當小球的速度與圓盤的速度相等時，兩者相距最遠。設在t1時刻小球和圓盤速度相等，此時它們之間的最大距離為dm，則在該過程中有

以小球與靜止的圓盤碰撞結束瞬間為計時起點，設在t0時刻小球和圓盤再次碰撞。根據(jù)它們位移相等可得出t0＝2v0g。然后再次使用彈性碰撞模型，得出圓盤運動過程中第一次碰撞結束瞬間的速度。同理，分析之后的運動過程，規(guī)定向下為正方向，作出小球和圓盤運動的v-t圖像，其中，傾斜直線為小球的運動，平行t軸的線段為圓盤的運動，如圖6所示。

從v-t圖像上可以看出，0時刻小球與靜止的圓盤碰撞。之后，每過t0時間，小球和圓盤發(fā)生一次碰撞，所以t0時刻為運動過程中第一次碰撞。在0～t0時間內圓盤下降的位移為x0＝v02t0＝2l。從v-t圖像可以直接看出，相鄰兩次碰撞的時間內，圓盤的位移按等差數(shù)列增加，公差為2l。在0～4t0時間內，小球與圓盤在運動過程中碰了4次，圓盤下降的總位移為20l。圓管長度也為20l，所以圓盤在管內運動過程中，小球與圓盤碰撞了4次。若碰撞次數(shù)較多，設圓盤在管內運動過程中，小球與圓盤碰撞了n（n＝1，2，3…）次，則圓盤下降的總位移xn＝（2l＋2nl）n2。當xn≥20l時，圓盤滑出長管。

3.3拓展分析

一道經(jīng)典的情境化物理試題，解決的方法一般具有多樣性。在情境中，有許多可以挖掘的物理知識，考查目標指向核心素養(yǎng)的一個或多個要素。教師在備課時可以充分利用試題素材，把原題當母題，拓展出更多問題來引發(fā)學生的思考，促進學生思維的進階。

問題拓展1：原條件不變，整個過程中系統(tǒng)損失的機械能或產生的內能是多少？

問題拓展2：原條件不變，小球從釋放到管下端運動時間為多少？

問題拓展3：變換條件，若把小球與圓盤的碰撞視為完全非彈性碰撞，其余條件不變，圓盤在管中運動的時間是多少？

問題拓展4：變換條件，若把長直圓管的長度變?yōu)?4l，其余條件不變，那么小球和圓盤能發(fā)生多少次碰撞？

問題拓展5：變換條件，若把圓盤運動時所受的摩擦力變?yōu)槠渲亓Φ囊话?，其余條件不變，那么小球和圓盤能發(fā)生多少次碰撞？

4啟示

情境化試題旨在讓學生在面對不同的問題情境時，能夠調取大腦中儲備的物理知識和方法，建立新舊知識之間的聯(lián)系，進行知識與方法的遷移，從而解決實際問題。以大概念為核心，教師可以幫助學生把零碎的知識建構起來，形成有內涵、有深度、有實效、能拓展、可遷移的結構化知識體系。這樣更有利于學生形成整體意識，促進學生解決情境化問題，為學生提升物理學科學習能力和學科核心素養(yǎng)開辟新的途徑。

參考文獻

［1］教育部考試中心.中國高考評價體系［M］.北京：人民教育出版社，2019：6-7.

［2］［3］［5］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：前言4，63，5.

［4］王賢勇，喻斌.基于布魯姆學習目標和SOLO分類理論的試題對比評析［J］.物理教師，2023，44（1）：84-88，92.

［6］王賢勇，喻斌.POE和PBL導向下“彈性碰撞”的深度學習［J］.物理教師，2022，43（10）：8-10.

**基金項目：本文系2022年貴州省畢節(jié)市教育規(guī)劃重點課題“‘三新’背景下基于‘高考評價體系’的物理情境化命題研究”（課題編號：2022A002），2023年畢節(jié)市規(guī)劃課題“基于‘三新’背景下融入HPS理論的深度學習實踐研究”（課題編號： 2023B159）及“基于SOLO分類理論的高中物理深度學習教學實踐研究”（課題編號： 2023A009）研究成果。