以評價促課堂變革 抓本質提升學生素養
——2017年北京高考理綜第24題的啟示

詹 凱 田成良

（1.首都師范大學附屬中學，北京 100089；2.海淀區教師進修學校，北京 100080）

·高考命題研究·

以評價促課堂變革 抓本質提升學生素養
——2017年北京高考理綜第24題的啟示

詹 凱1田成良2

（1.首都師范大學附屬中學，北京 100089；2.海淀區教師進修學校，北京 100080）

在新一輪考試招生制度改革的大背景下，2017年北京高考物理試卷在豐富試題選材范圍、創新試題呈現方式、深化學科能力考查以及探索核心素養的考查方式等方面進行了有益的嘗試.高考試題的評價方向，必將推進課堂變革，進一步實現學科育人的功能.2017年北京高考第24題在多個方面體現了物理學科核心素養.本文對該題目中關于對稱思想的滲透、能量觀念的深入、宏微觀規律的統一性以及學生建模與推理能力這4個方面進行了解讀.

學科本質；物理思想；北京高考題

1 原題回顧

例題.（2017年北京高考題）發電機和電動機具有裝置上的類似性，源于他們機理上的類似性.直流發電機和直流電動機的工作原理可以簡化為如圖1、圖2所示的情景.

圖1

圖2

在豎直向下的磁感應強度為B的勻強磁場中，兩根光滑平行金屬導軌MN、PQ固定在水平面內，相距為L，電阻不計.電阻為R的金屬導體棒ab垂直于MN、PQ放在導軌上，與軌道接觸良好，以速度v（v平行于MN）向右做勻速運動.

圖1軌道端點MP間接有阻值為r的電阻，導體棒ab受到水平向右的外力作用.圖2軌道端點MP間接有直流電源，導體棒ab通過滑輪勻速提升重物，電路中的電流為I.

（1）求在Δt時間內，圖1“發電機”產生的電能和圖2“電動機”輸出的機械能.

（2）從微觀角度看，導體棒ab中的自由電荷所受洛侖茲力在上述能量轉化中起著重要作用，為了方便，可認為導體棒中的自由電荷為正電荷.

①請在圖3（圖1的導體棒ab），圖4（圖2的導體棒ab），分別畫出自由電荷所受洛侖茲力的示意圖.

②我們知道，洛倫茲力對運動電荷不做功，那么，導體棒ab中的自由電荷所受洛侖茲力是如何在能量轉化過程中起到作用的呢？請以圖2“電動機”為例，通過計算分析說明.

2 試題解答

（1）圖1中ab桿向右運動時，兩端產生的電動勢為

E1＝BLv.

PMab回路中產生的電流，即流過ab桿的電流滿足

I1（R＋r）＝E1.

Δt內，“發電機”產生的電能為

圖2中ab桿向右運動時，其輸出的機械能全部轉化為重物上升時的重力勢能改變量，

E2＝mgvΔt.

桿ab水平方向受力平衡，且重物豎直方向受力平衡，可得

F安－T＝0，

T－mg＝0.

桿ab受到的安培力的大小為

F安＝BIL.

Δt內，“電動機”輸出的機械能為

E2＝BILvΔt.

（2）①洛侖茲力示意圖如圖3、圖4所示.

圖3

圖4

Fx＝Bqvy，Fy＝Bqvx.

x方向的分力與電荷在x方向運動同向，對電荷做正功，

W1＝FxvxΔt＝BqvyvxΔt.

y方向的分力與電荷在y方向運動反向，對電荷做負功，

W2＝－FyvyΔt＝－BqvxvyΔt.

可見，雖然洛侖茲力對電荷的總功為0，但y方向洛侖茲力的負功將電能轉化為了x方向洛侖茲力的正功，進而轉化為了物體被提升過程中機械能的改變量.洛侖茲力在該問題中起到了能量轉化的“橋梁”作用.

3 命題剖析

該題目緊密圍繞物理學科核心素養，注重物理觀念與科學思維的考查，從學生熟悉的基本模型出發，深挖物理內涵，深刻剖析基本物理概念.具體體現在下面4個方面.

3.1 注重體現物理學的對稱美

題目所給的發電機和電動機模型，從裝置構成來說本身具有很強的相似性，而兩種裝置的能量轉化方向也具有對稱性，發電機將外力的機械能轉化為電能，而電動機將電能轉化為機械能.這樣“天生一對”的模型，帶給考生一種物理學的對稱美感，能夠引發人們的敬畏感以及探究精神，對該問題進行深入研究.

對稱的表象之下，往往蘊藏著重要的物理規律.在教學中，我們應當注重培養學生對于“對稱”的認識和理解.比如守恒律就是對稱性的體現，再比如推導太陽與行星之間的引力時，也通過對稱的思想得出該力與兩個星體的質量均成正比的結論.

3.2 注重滲透能量守恒思想

題目從第一問就圍繞著能量的轉化與守恒進行探究，實則抓住了該問題的實質.能量守恒是物理學中最引人入勝的規律之一，也是物理教學的重點、難點所在.守恒的背后是各種能量之間的相互轉化或者各個物體之間的相互轉移.本題的實例就是機械能與電能之間的相互轉化過程.

圖5

高中教材中，較為深入地對機械能守恒進行了研究，對于一般情況下的守恒情況淺嘗輒止.在教學中，我們不僅僅要讓學生了解和理解能量守恒，還能通過多種實例來論證能量守恒，而且不僅僅限于機械能守恒.當然，在教學中還應當避免亂用守恒律，比如碰撞的過程，機械能就不一定守恒.也就是說，需要對守恒的條件加以強調和分析，不能唯守恒而論.

對于“能源耗散”問題，課本雖然僅僅點到，但筆者以為該部分恰是畫龍點睛之筆.課本中的思考與討論“既然能量是守恒的，不可能消失，為什么我們還要節約能源”，在討論的過程中，就可以給學生滲透熱力學第二定律的思想，給學生打開思路的同時，也落實了STSE的教學要求.

3.3 注重突出宏微規律的統一性

宏觀和微觀規律的統一性是高考的熱點之一.2013年北京高考理綜第24題直接以“對于同一物理問題，常?？梢詮暮暧^與微觀兩個不同角度進行研究，找出其內在聯系，從而更加深刻地理解其物理本質.”為開場白，在第一小題中考查了安培力與洛侖茲力的關系，第二小題中建立了一維氣體模型，推導了一維氣體壓強與氣體分子平均動能的關系；2014年北京高考理綜第24題考查了電流的微觀表達問題；在本題中，微觀電荷受到的洛侖茲力與導體桿ab受到的安培力這個宏觀表象有著千絲萬縷的聯系，更進一步，洛侖茲力分量的功與安培力所做功也相互對應.

關于宏觀與微觀規律的關系，在物理課程中的多個部分均有體現.比如在動量中，就可以引入流體的流體柱模型；在恒定電流中，課本直接利用電荷的流體柱模型推導出了電流的微觀表達式；在熱力學中，系統的多個熱力學參量，如氣體壓強p、氣體溫度T都有相應的微觀表達式.

在教學中，應當注重宏觀和微觀兩個層面的相互呼應，一般來說宏觀現象較為直觀，但不反應問題本質；微觀規律不僅僅能夠解釋宏觀現象，也是物理本質規律的體現.教學中要強化學生的這方面意識.

4 注重培養模型構建意識

本題并沒有在建模問題上難為學生，但是建模問題始終是教學的重點和難點.就電磁感應部分來說，課本上就有多個模型值得討論，比如“搖繩發電”、“法拉第圓盤”、“動圈式揚聲器”、“延時繼電器”、“金屬探測器”等.有條件的學校應讓學生動手組裝這些實驗，將儀器結構細致地展現給學生，讓學生能夠將實物與模型很好地結合起來，培養學生的建模能力.讓學生進行科學的歸納與推理，能夠避免思維空洞，真正做到能力的提升.

近年來，北京高考理綜物理試題愈發注重對于物理規律的本質性探究，尤其是第24題，不拘泥于求解復雜模型，而是要求學生像“動外科手術”一樣，將模型進行深入剖析，從多角度進行研究.在教學中，我們時常注重訓練學生對于各種模型的辨別和求解，避免“搞題海戰術”，盲目應試，這樣難免舍本求末.相反，我們恰恰不能放過看似簡單的基本物理模型，要引導學生有意識的分析和探究，甚至提出懷疑，真正做到授之于漁.通過對簡單問題的思考，再去認識和分析新的模型，學生就會有思路和方法，才能逐步領悟物理學科的真諦，才能真正提升學生的物理核心素養.

2017－06－11）