從高考的解題策略看物理核心素養(yǎng)

任敬國

摘 要：以2017年高考理綜卷Ⅰ第25題為例，巧用運(yùn)動(dòng)分解的觀點(diǎn)，把質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程的分析加以簡化，使物理學(xué)科思維內(nèi)化成個(gè)人能力，在課堂教學(xué)中注重物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高考試題解析；運(yùn)動(dòng)分解；物理核心素養(yǎng)

【原題】真空中存在電場強(qiáng)度大小為E1的勻強(qiáng)電場，一帶電油滴在該電場中豎直向上，速度大小為v0，在油滴處于位置A時(shí)，將電場強(qiáng)度的大小突然增大到某值，但保持其方向不變。持續(xù)一段時(shí)間t1后，又突然將電場反向，但保持其大小不變；再持續(xù)同樣一段時(shí)間后，油滴運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。重力加速度大小為g。

（1）油滴運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)的速度；

（2）求增大后的電場強(qiáng)度的大小；為保證后來的電場強(qiáng)度比原來的大，試給出相應(yīng)的t1和v0應(yīng)滿足的條件。已知不存在電場時(shí)，油滴以初速度v0做豎直上拋運(yùn)動(dòng)的最大高度恰好等于B、A兩點(diǎn)間距離的兩倍。

限于篇幅，原卷的參考答案筆者在此不再贅述。通過對本題解題的策略分析，思考在物理教學(xué)中所應(yīng)體現(xiàn)的科學(xué)核心素養(yǎng)。

1 第一問分析與解答呈現(xiàn)的物理核心素養(yǎng)

第一問的問題體現(xiàn)以下兩個(gè)方面素養(yǎng)：

（1）需要建立正確的物理情境。題中沒有給出質(zhì)點(diǎn)（油滴）的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，需要一定的空間想象力，才能夠在具體的物理情景中去概括、抽象、分析出題中要用到的物理概念和規(guī)律。

（2）需要良好的物理建模能力。沒有給出油滴的帶電性質(zhì)和具體的電場方向，雖然解題過程與這些信息無關(guān)，但想在短時(shí)間正確的地構(gòu)建物理模型、明確運(yùn)動(dòng)過程、選擇合適的物理規(guī)律、建立有效的物理方程還是比較困難。

過程分析：設(shè)向上為正，電場強(qiáng)度增大后的場強(qiáng)大小為E2，油滴在增大電場E2后的的運(yùn)動(dòng)過程中，受到先向上t1時(shí)間qE2和再向下t1時(shí)間qE2的力作用，在2t1時(shí)間內(nèi)受到的電場力沖量剛好抵消，即：qE2t1-qE2t1=0，在2t1時(shí)間內(nèi)受到有向下的恒力mg，那么整個(gè)過程可以用動(dòng)量定理的規(guī)律來處理，相比用動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來求B點(diǎn)的速度大小，會更顯得方便且更高效。

解答如下：令到達(dá)B點(diǎn)的速度為vB，則有：

-2mgt1+qE2t1-qE2t1=mvB-mv0

即可求得： vB=v0-2gt1

以上分析可知，試題所設(shè)置的問題能體現(xiàn)學(xué)生解題的能力和思維習(xí)慣，能體現(xiàn)選拔性考試所關(guān)注的個(gè)人發(fā)展能力，也能較好地了體現(xiàn)教師在日常的教學(xué)中對解決問題能力的培養(yǎng)。題的多解性恰是檢驗(yàn)學(xué)生對物理基本概念、基本規(guī)律、基本分析能力、重要思維方法、關(guān)鍵執(zhí)行能力等的應(yīng)用。能夠通過梳理知識構(gòu)架，讀取恰當(dāng)?shù)奈锢硪?guī)律合理地解決實(shí)際問題，是對學(xué)生具有內(nèi)在物理科學(xué)品質(zhì)的綜合檢驗(yàn)。

2 第二問分析與解答呈現(xiàn)的物理核心素養(yǎng)

第二問的問題體現(xiàn)以下五個(gè)方面素養(yǎng)：

（1）需要良好閱讀理解能力。題中使用了條件后置法來設(shè)置問題，問題關(guān)鍵句之一“已知不存在電場時(shí)，油滴以初速度v0做豎直上拋運(yùn)動(dòng)的最大高度恰好等于B、A兩點(diǎn)間距離的兩倍”寫在最后，與日常的條件信息基本都是先入為主地呈現(xiàn)，有較大的反差；這種較大差別的語言表述，強(qiáng)化了考查學(xué)生閱讀和理解問題的能力。問題的關(guān)鍵條件不易讀懂，需要考生認(rèn)真閱讀，根據(jù)題意理解。

（2）需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思辨能力。雖兩個(gè)問題需要考生回答，題目中只是輕描淡寫地用一個(gè)“；”分開，原題的表述需要多次重復(fù)讀題才能抓住關(guān)鍵詞、清楚題目的要求，顯然在考試的緊張狀態(tài)下考生不易思辨，這是考查學(xué)生個(gè)人在日常學(xué)習(xí)中，養(yǎng)成對問題鉆研恒心和毅力、良好科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。當(dāng)然整個(gè)問題如果用以下方式的表述則會大有不同，問題的指向性明確且更加有效；若已知不存在電場時(shí)，油滴以初速度v0做豎直上拋運(yùn)動(dòng)的最大高度恰好等于B、A兩點(diǎn)間距離的兩倍，求增大后的電場強(qiáng)度E2的大小。并討論為保證改變前后的電場強(qiáng)度大小E2>E1，試給出相應(yīng)的t1和v0間應(yīng)滿足的條件。

（3）需要縝密的物理思維能力。審題中對“距離”一詞的隱含條件，容易忽略質(zhì)點(diǎn)（油滴）在重力場中豎直上拋時(shí)的最大高度AC間距離H與它在復(fù)合場中2t1時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的AB間位移大小h的關(guān)系，要考慮矢量的方向性，考生需要在有限的時(shí)間內(nèi)分辨出B點(diǎn)可以在A點(diǎn)的上方，也可以在A點(diǎn)的下方的兩種情況（如圖1所示，H=2h或H=-2h），是對物理思維縝密性的考察，如果稍有不慎容易造成漏解情況，這種縝密的物理科學(xué)思維能力也是日常物理教學(xué)中最具特性的追求之一。

（4）需要良好的運(yùn)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力。為保證后來的電場強(qiáng)度比原來的大（E2>E1），試給出相應(yīng)的t1和v0應(yīng)滿足的條件，討論過程對數(shù)學(xué)運(yùn)算能力提出較高的要求，這也對應(yīng)了考綱中對能夠利用數(shù)學(xué)工具解決物理問題的核心能力地提出的要求，體現(xiàn)了高校選拔性考試在核心能力要求上是一個(gè)不落的。

（5）需要良好解題策略能力。物理的核心素養(yǎng)中應(yīng)用物理規(guī)律解決實(shí)際問題的能力在這里體現(xiàn)，也是最難能力目標(biāo)之一。參考答案中整個(gè)過程用勻變速運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)來解題，這個(gè)對考生的臨場考試心里及運(yùn)算能力的有很高的要求，平時(shí)要能在題海中能夠踏浪的學(xué)生才有可能安全地渡過該“漩渦”，順利、完整地答好本題。但是物理學(xué)科素養(yǎng)中最終的目標(biāo)是培養(yǎng)成適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力[1]，良好的解題方法、解題策略是體現(xiàn)這一目標(biāo)在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)情況的關(guān)鍵依據(jù)之一。

過程分析：本題中所給的參考答案中，需要聯(lián)立8個(gè)式子才能算出來，這對一個(gè)普通考生來說在短時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的計(jì)算量是難以承受之重，一般列完式子會直接選擇放棄，這樣對物理知識的考察單純地轉(zhuǎn)變成數(shù)學(xué)計(jì)算的能力的要求上，這本不是物理學(xué)習(xí)的本意所在。是否能通過改變解題方法策略從根本上扭轉(zhuǎn)這一情況呢。筆者細(xì)致研究后發(fā)現(xiàn)如果能用“運(yùn)動(dòng)的合成與分解”的方法來求相應(yīng)的問題，則會輕松許多，甚至它并不算是一個(gè)難題了。

首先，合成與分解之間是等效替代的，一個(gè)合力可以分解成無數(shù)對分力，同樣的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)也可以分解成多種的運(yùn)動(dòng)的合成，若本題中以質(zhì)點(diǎn)（油滴）在重力場中運(yùn)動(dòng)過程看做豎直上拋運(yùn)動(dòng)和在電場中的加速運(yùn)動(dòng)兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的合成，那么問題便可迎刃而解。

其次，本題中電場的場強(qiáng)大小不變，只是電場力先向是向上再向下，因此由電場引起的分運(yùn)動(dòng)就是先向上加速再向上減速，而且向上和向下運(yùn)動(dòng)過程是具有對稱性的，由第（1）問可知，這一分運(yùn)動(dòng)在這一過程的初末狀態(tài)的速度均為0。

兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的v—t圖像，如圖2-a，和圖2-b所示。

通過對同一個(gè)問題換個(gè)角度再認(rèn)識，把本題涉及多個(gè)重要的概念和知識點(diǎn)（有質(zhì)點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、牛二定律、動(dòng)量定理、運(yùn)動(dòng)的合成與分解等）的整合，不僅呈現(xiàn)清晰的物理概念、解題思路等科學(xué)思維，還體現(xiàn)出對運(yùn)動(dòng)完美的對稱性美的理解。這種方法看似不在中學(xué)教科書中明確地呈現(xiàn)或要求掌握，但教學(xué)的目的是為的培養(yǎng)具有一定的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力新興人才，使他們能夠根據(jù)學(xué)習(xí)的知識經(jīng)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、尋找合理解決方案和策略、通過論證分析、最終解決問題等探究能力，也是實(shí)現(xiàn)物理科學(xué)核心素養(yǎng)的目標(biāo)之一。

最后討論E2>E1的條件，根據(jù)題目的要求，看似只要使⑤或⑥兩式前面的系數(shù)大于1即可，但在本題中實(shí)際則要考慮到物體上拋過程的需要，向上初速度至少要大于0的隱含條件，同時(shí)要用到數(shù)學(xué)工具解決實(shí)際物理問題的能力，題中可以用配方法來完成。

結(jié)合第⑤式的情況是：

其中⑩式舍去的原因是小于0部分不合題意，而大于0部分已經(jīng)在⑨描述到了，所以最終有三種相應(yīng)的v0和t1間所滿足的條件。從題中分析挖掘出隱含條件，也是發(fā)現(xiàn)問題能力的要求，還要結(jié)合數(shù)學(xué)工具處理物理問題能力，這里主要是解不等式，是易錯(cuò)點(diǎn)也是難點(diǎn)。

3 教學(xué)中應(yīng)融入物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

綜上所述，從高考的能力要求來看，本題注重從建立物理情境、物理建模、閱讀理解能力、思辨推理能力、綜合分析能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力、根據(jù)已有知識儲備進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用能力等多方面考察物理學(xué)科核心素養(yǎng)，體現(xiàn)了高考作為高校選拔性考試在能力區(qū)分方面的良苦用心。總體來說，本題緊扣考綱，考點(diǎn)相對靈活，通過分析巧解的方法不僅體現(xiàn)物理科學(xué)對復(fù)雜問題處理中常用的化繁為簡策略，還可以把看似繁雜的問題極大簡約化，且從運(yùn)動(dòng)過程、位移表達(dá)式及討論的結(jié)果的表達(dá)無不反應(yīng)了對稱的美感。這樣的分析與解答過程還能對學(xué)生產(chǎn)生一種震撼心靈感受：良好物理科學(xué)思維方法可在處理現(xiàn)實(shí)問題的過程中產(chǎn)生藝術(shù)般的效果，對養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)和思維習(xí)慣，提升學(xué)習(xí)物理的興趣，克服畏難情緒增強(qiáng)解決復(fù)雜問題的信心。這些能力是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)形成內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分。

因此，在日常物理教學(xué)中應(yīng)融入各種科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，注重通過物理現(xiàn)象的探究獲得正確的物理觀念。充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，鼓勵(lì)和尊重學(xué)生的通過課堂活動(dòng)過程中，思考和生成的結(jié)論的交流碰撞，讓他們的科學(xué)思維達(dá)到自然生成的目的。關(guān)注和肯定每位同學(xué)參與的科學(xué)探究過程，讓他們建立自信，形成具有獨(dú)立處理問題能力和初步的創(chuàng)新能力的個(gè)體，只有掌握科學(xué)分析問題的方法，在考試中遇到比較復(fù)雜的計(jì)算題時(shí)，才不會產(chǎn)生畏難情緒，而是學(xué)會冷靜地思考、獨(dú)立分析[2]。在學(xué)習(xí)成長的過程中逐漸地確立正確的人生觀和科學(xué)的探究精神，成為適應(yīng)社會發(fā)展的要求的各種人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[S].北京：人民教育出版社，2003：2-3.

[2]楊永忠.2016年高考理綜新課標(biāo)卷Ⅲ第25題評析暨核心素養(yǎng)培養(yǎng)研究[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016（8）：63.