踐行能力立意,體現核心素養(yǎng)
——北京高考理綜卷第20題的分析和思考

楊 君 付鸝娟

(1. 北京教育考試院，北京 100087; 2. 北京市一〇一中學，北京 100091)

1 問題的提出

日前,教育部公布了《普通高中物理課程方案》(2017版)[1](下文簡稱新課標)．基于物理學科的學科本質,新課標凝練了物理學科的核心素養(yǎng)．核心素養(yǎng)理念的提出,以及在此基礎上確立的課程理念和課程培養(yǎng)目標,對中學物理教學和評價工作提出了新的要求．新課標在等級性考試的考試內容要求中明確提出:試題的任務情境要與生產生活、科技發(fā)展等緊密聯系,要關注物理學前沿與成果應用;要探索設計與現實相關的問題情境,加強對考生應用物理學知識綜合解決實際問題的考查;要強調創(chuàng)新精神和實踐能力的考查,能較好的區(qū)分考生物理學科核心素養(yǎng)的水平．結合學業(yè)質量標準的研制以及學業(yè)水平考試制度的貫徹實施,可見,新課標對等級性考試的考試內容提出了明確要求同時對等級性考試的能力考查和核心素養(yǎng)的區(qū)分也提出了具體要求．

學科核心素養(yǎng)是考生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力．可見,核心素養(yǎng)是對知識和技能、過程和方法、情感態(tài)度和價值觀三維目標的重新整合和提升．因此,高考命題在堅持“能力立意”同時,必然會涉及到學科核心素養(yǎng)的考查．為實現高考命題向等級考命題的平穩(wěn)過渡,研究梳理物理試題在核心素養(yǎng)考查上的實踐,在此基礎上總結經驗,凝練方法,可為即將到來的等級考命題提供理念借鑒和實踐依據．

自2013年起,北京高考理綜卷物理試題第20題注重以學科前沿研究和成果應用、生產生活中的真實情境為素材,考查考生獲取信息,分析問題和解決問題的能力(如表1所示)．本文將對上述試題從試題設計理念、能力及核心素養(yǎng)考查特點等方面加以分析,為等級性考試提供可供借鑒的經驗積累,實現高考向等級考的平穩(wěn)過渡．

表1 2013—2017選擇題第20題試題素材及參數統計

2 設計理念

2.1 試題素材的選取

北京高考物理命題體現物理學在探索自然規(guī)律,推動科技發(fā)展等方面的基礎性地位．從學科發(fā)展的前沿及成果應用,學科知識在生產生活實際中的應用等方面提取素材,注重實際問題的真實性和考查的公平性．

如表1所示,2013年以來,北京高考理綜卷第20題涉及的素材包括學科前沿知識如多光子光電效應、負折射率材料,生活中的實際問題如霧霾天氣、公交IC卡,以及物理原理在生產生活中的科技應用如飛機著陸導航,這些豐富多彩的素材都來源于科技前沿和生活生產實際,旨在引導考生從物理學的視角認識自然,理解自然,建構關于自然界的物理圖景,思考物理與社會,物理與技術的關系,展現了物理的魅力．

在選取素材的過程中,還應基于考生的生活和學習實際,體現首都特色,關注考試公平．如公交IC卡素材的選用,前提是北京的城區(qū)和郊區(qū)均已普及公交一卡通的使用,考生對公交IC卡都有相應的認知．這一素材可用于北京卷,卻未必可用于其他省市及全國卷．

2.2 試題情境的打磨

(1) 突出本質.

聯系實際類問題[2]往往十分復雜,在設置情境時,應結合中學教學實際．高中物理課程是普通高中自然科學領域的一門基礎課程,涉及的是物理學的最基礎最普遍的原理．聯系實際類問題,即便是學科前沿及其技術應用,其本質也往往是物理學的基礎的原理,因此,在對實際問題進行整體把握的前提下,應對情境進行合理剪裁,確保科學性的同時,突出對其基礎原理的考查．

如2013年第20題,金屬在普通光源照射下,多光子光電效應發(fā)生的概率很小．而在強激光照射下能發(fā)生多光子光電效應,這不僅超出了考生已有的認知范圍,也拓展了考生對光電效應的認識．愛因斯坦光電效應方程的本質是能量守恒,能量觀也是物理核心素養(yǎng)提出的四個物理基本觀念之一．試題把考查重點放在運用能量守恒解決多光子光電效應問題,貼近考生學習實際的同時,突出了對問題本質的認識和運用所學知識探究深層問題的能力的考查．

2017年理綜卷第20題[3，4]也是如此,飛機著落導航在技術上十分復雜,試題避開了技術細節(jié),將考查重點放在著陸導航過程中的基本原理即干涉原理的理解,引導考生類比雙縫干涉進行知識遷移,理解飛機著陸過程中的導航過程．

(2) 適度建模.

物理模型是由客觀物質世界過渡到物理概念、物理規(guī)律的中間環(huán)節(jié),是對自然現象的高度概括．建模過程就是在對實際問題本質認識的基礎上進行合理簡化,抽取物理概念從而解決問題的過程．因此,建立合理的物理模型是問題解決的前提．

歷年理綜卷第20題以生產生活中的實際情境為素材,引導考生把實際問題轉化成物理問題,考查考生從題干獲取信息并理解情境,依據信息建立模型解決問題的能力．試題充分考慮到中學的教學實際以及考生的認知特點,依據試題情境合理、適度建模,這對于試題的科學性、區(qū)分的高效性及難度的合理性至關重要．

如公交IC卡一題,試題交代了起因——公交車上的讀卡機向外發(fā)射某一特定頻率的電磁波,明確了結果——“IC卡內的線圈L中產生感應電流,給電容C充電,達到一定的電壓后,驅動卡內芯片進行數據處理和傳輸”,但從原因到結果的中間過程,需要考生建立模型．公交卡的實際電路非常復雜,考生可依據“IC卡內部有一個由電感線圈L和電容C構成的LC振蕩電路”,根據LC振蕩電路的原理建立公交IC卡工作的物理模型,分析電感線圈產生感應電流的原因．讀卡機發(fā)出的電磁波引起了線圈中磁通量的變化,從而產生電磁感應,形成感應電流,據此即可正確作答．生活現象——模型表征——規(guī)律論證,題干信息對考生思維有清晰的引導,試題難度不大．

“霧霾天氣”一題,試題第一句話對霧霾天氣進行了概述,“霧霾天氣是對大氣中各種懸浮顆粒物含量超標的籠統表述,是特定氣候條件與人類活動相互作用的結果”．表明霧霾產生于人類活動的區(qū)域,明確霧霾形成的源頭．“霧霾中,各種懸浮顆粒物形狀不規(guī)則,但可視為密度相同、直徑不同的球體”,這是建立霧霾微粒的模型．“PM10的濃度隨高度的增加略有減小,大于PM10的大懸浮顆粒物的濃度隨高度的增加明顯減小,且兩種濃度分布基本不隨時間變化．”這是給出不同霧霾顆粒的分布規(guī)律．自然現象——科學表述——建立模型——總結規(guī)律——分析原因,試題給出了把原始問題轉化成物理問題的清晰路徑,同時也展現了一個完整的科學探究過程．

飛機著陸導航一題,要求考生依據結論“飛機降落過程中,當接收到的信號都保持最強時,表明飛機已對準跑道”分析原理,這是逆向思維過程．題中雖然提示“兩個可發(fā)射無線電波的天線類似于楊氏干涉實驗中的雙縫”,引導考生進行知識的遷移,但由于考生在進行知識遷移的同時還要進行情境的類比,且建模路徑比較隱蔽,因此作答難度較大．考生首先要遷移雙縫干涉的知識,呈現如圖1的干涉圖樣,在此基礎上根據題中所給的信息“兩天線同時都發(fā)出波長為λ1和λ2的無線電波．”得出如圖2的強度分布,兩波長產生的兩組彼此獨立的干涉只有一個共同的加強區(qū)域,就是波源連線的中垂線,即跑道的中心．因此,只要飛機接收的信號始終保持最強,即表明已對準跑道．題中無線電波干涉和雙縫干涉都是波的疊加,原理相同．區(qū)別在于題中無線電波是兩組不同波長的波干涉．從單色光的雙縫干涉到兩組不同波長的無線電波干涉,經歷建立模型——對模型進行修正完善——應用模型的過程,這對建模能力的要求更高了．

圖1 單色光的雙縫干涉

圖2 復色光的雙縫干涉

(3) 把握細節(jié).

為了考生更好地理解題意,試題注重對情境細節(jié)的把握．如對于比較復雜的實際問題配以相應的示意圖加以說明,飛機導航一題的配圖簡潔而且重點突出．對于關鍵的信息通過不同方式加以強調．如“兩天線同時都發(fā)出波長為λ1和λ2的無線電波”用重點符號突出重要信息．對于可能引起歧義的地方加以說明,如負折射率一題,“折射線與入射線位于法線的同一側(此時折射角取負值)”;霧霾天氣一題“(PM是顆粒物的英文縮寫)”;“公交車上的讀卡機(刷卡時“嘀”的響一聲的機器)向外發(fā)射某一特定頻率的電磁波”．

(4) 表述精練.

聯系實際問題通常需要用較多的文字描述新的情境,為了便于考生獲取信息,避免語言敘述的干擾,試題在文字表述上力求準確、精練、清晰、完整．

多光子光電效應一題,情境表述信息完整,邏輯清晰．題干分兩個層次．第一層次是對原理的介紹,簡要闡述了單光子光電效應現象,借助考生熟悉的單光子光電效應理解思考多光子光電效應,使考生快速進入情境,找到思考問題的角度．第二層次是對實驗裝置的介紹．首先結合圖示說明實驗裝置,示意圖突出光電管工作電路,可避免考生分散注意力．接著對實驗現象進行描述,用普通光源實驗結果做鋪墊,介紹強激光的實驗結果,引導考生思考多光子光電效應產生的原因．試題語言邏輯的清晰不僅表現在對試題情境的描述上的層層遞進,更表現在對考生思維的啟發(fā)上的逐步深入．

飛機著陸導航一題對試題情境的表述可分為三個層次．第一層次是對原理介紹,明確飛機降落導航應用的知識是波的干涉．第二層次是對裝置的介紹．從示意圖可以看出跑道的中心軸線是發(fā)射裝置連線的中垂線,這對問題解決至關重要．對于這一關鍵信息,題中還給出了文字說明“兩個可發(fā)射無線電波的天線對稱地固定于飛機跑道兩側,它們類似于楊氏干涉實驗中的雙縫．”提示考生可以通過類比楊氏雙縫干涉思考并解決問題,這是試題情境對考生方法的指導．第三層次描述導航過程,“兩天線同時都發(fā)出”“都保持最強時”這些關鍵詞簡潔但信息量大,是解題的關鍵．

2.3 設問的設計

(1) 貼近情境,符合實際,體現能力.

理綜卷第20題設置的都是真實的問題情境．“真實”不僅體現在情境描述的問題來源于真實的生活,更體現在情境和設問有機融合．試題情境不是一個與設問無關的大帽子,問題是基于情境設計的,解決問題的線索隱藏于情境中．考生解決問題的手段不是機械地套用知識,而是基于對情境的分析,獲取并加工信息,遷移知識,深入思考,在探究過程中達成任務．

以2013年理綜卷第20題為例,試題的設問為“光電流恰好減小到零時,所加反向電壓U”可能的表達式．試題如何通過問題情境逐層深入設計問題呢? 情境給出的第一層信息是“一個電子在極短時間內吸收多個光子成為可能”,這個信息有助于考生在理解愛因斯坦的光子說(電子吸收光子的能量E=nhν)的基礎上理解多光子光電效應．情境給出的第二層信息為“用頻率為ν的普通光源照射陰極K,沒有發(fā)生光電效應．換用同樣頻率ν的強激光照射陰極K,則發(fā)生了光電效應;”,這條信息從實驗的角度闡述了多光子光電效應．普通光源照射,電子只能吸收一個光子,其能量不足以克服逸出功,沒有光電效應;而用強激光照射時,電子可以吸收多個光子,應用愛因斯坦光電效應方程可得Ek=nhν-W,這是正確作答的關鍵．如果基于 “光電子的最大初動能的表達式” 設計問題,則對考生思維的要求是順向的,能力要求并不高．情境的第三個層次是對多光子光電效應實驗的細節(jié)呈現,要求考生在前兩個層次的基礎上進一步思考反向電壓和最大初動能的關系,需要考生從微觀角度對光電效應的整個過程有完整的認識,對知識的考查更加深入,思維的長度以及復雜程度都在提高,對能力的考查也從推理能力上升到了探究能力．

可見,試題設問緊扣情境,考生的解答必須從情境出發(fā),提煉并理解關鍵信息,逐步深入思考問題情境的物理本質,才可正確作答．

(2) 層次性和針對性.

選項的設計不僅切合情境,而且要有針對性地指向能力考查目標,體現思考問題的多種角度和不同層級能力的考查．

2017年20題,選項的設置圍繞飛機著陸導航的原理分為兩個層次展開．(A)、(B)選項是第一個層次,考查考生對波的干涉知識的理解能力．(C)、(D)選項是第二個層次,不僅要求對波的疊加原理、波的獨立傳播原理有深刻的認識,還要能理解干涉形成的過程,構建雙波長干涉的動態(tài)圖景,對知識的考查更加深入．霧霾天氣一題,4個選項分別是從4個角度設問．(A)選項考查考生是否能從情境中直接提取有效信息,(B)選項考查考生對霧霾顆粒受力情況的分析,(C)選項考查霧霾顆粒的運動情況,(D)選項考查霧霾顆粒的濃度分布情況．

(3) 難度特點.

試題的難度受到多種因素的影響,如考查知識點的深入程度,情境的復雜程度和新穎程度、設問角度的綜合程度,設問方式的常規(guī)程度、是否需要建模及建模的復雜程度、文字量的多少等．這些因素決定了考生在解決問題時思維的復雜程度．通常情境新穎,設問角度非常規(guī),需要建模的試題對考生思維的邏輯性、深刻性、靈活性和創(chuàng)新性的要求較高,難度較大．

2016年霧霾天氣一題,要求考生對布朗運動的概念和形成原因有清晰的認識,并能從原始問題中抽取布朗運動的物理模型．四個選項涉及了四個角度,設問復雜．要求考生在提取有效信息的基礎上對其進行分析和推理,要求考生邏輯清晰,思維靈活,屬于中檔題．

2017年飛機著陸導航一題,試題的情境新穎,信息量少,考生要憑借扎實的物理知識,對實際問題進行綜合分析．試題要求考生類比光的雙縫干涉分析雙波長無線電波的干涉,得到“兩組波長不同的波,各自穩(wěn)定干涉,強弱分布的位置彼此獨立”的推斷,在對干涉的本質缺少認識的情況下,這種推斷幾乎是不可能完成的．這道題考查考生對生活情境的物理本質的深刻理解,對考生思維能力要求很高,屬于難題．

3 考查特點

3.1 三類聯系實際問題的考查特點

(1) 以學科前沿知識為背景的試題(多光子光電效應、負折射率),要求考生能通過對新情境的學習獲取信息,運用中學階段的基本規(guī)律理解學科前沿．

這類試題雖然情境新穎,甚至貌似“超綱”,但試題考查的知識點并沒有超出教材內容．試題通過對背景材料的詳細介紹和補充說明,要求考生要能結合物理學基本原理解決新情境問題,考查的是考生的應用能力和探究能力．因此,這類問題對考生的能力考查和知識要求并不“超綱”．

科學始終在不斷發(fā)展,任何規(guī)律均有其相應的適用條件．愛因斯坦曾經思考過多光子光電效應問題,但是他認為“光電效應中一個電子吸收兩個光子的幾率不會大于下雨天兩個雨滴同時打在一個螞蟻身上的幾率”．強激光的出現從技術上解決了這一難題,使人們對光電效應的認識在理論和實驗上都更加豐富和完善．科學促進了技術的進步,技術的革新反過來又促進了科學的發(fā)展,科學和技術共同推動了社會文明的進程．這類試題旨在引導考生以發(fā)展的眼光理解物理規(guī)律,在一定意義上,也是對考生科學素養(yǎng)和創(chuàng)新思維能力的考查．

(2) 以生活實際為背景的試題(霧霾、IC卡),要求考生在對實際問題的物理本質深入理解的基礎上對情境進行簡化和抽象,建立模型,運用物理規(guī)律解釋現象,引導考生從物理學的視角認識生活現象,理解生活現象．

新課標提出“應用物理知識解決具體問題應結合具體的實際情境．運用物理知識解決實際問題的能力,往往取決于考生將情境與知識相聯系的水平．”“我們常說某個問題很“活”,其“活”的本質之一在于情境的轉化,能不能把問題中的實際情境轉化成解決問題的物理情境,建立相應的物理模型,這是應用物理觀念思考問題、應用物理知識分析問題的關鍵．”霧霾天氣一題中,要求考生通過建立霧霾顆粒的球狀模型,將霧霾現象轉化為物理問題,在此基礎上,運用熱力學知識從統計的角度對大量霧霾顆粒的運動和分布進行分析．可見深入理解物理學的思想和研究方法,建立合理的物理模型,構建實際生活中的物理學圖景,是靈活解決實際問題的關鍵．

(3) 以科技應用為背景的試題(飛機著陸導航),考查中學物理知識的在科技中的實際應用．

飛機著陸導航技術巧妙地應用了雙波長干涉來標識空間方位．把這一原理用于飛機著陸導航中,前提是對波的相干疊加和非相干疊加基本原理的深刻理解．這類試題注重引導考生運用中學物理學習的普遍原理理解科技應用．

3.2 科學思維核心素養(yǎng)的考查

新課標指出:“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式;是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判、檢驗和修正,進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格．“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素．

如表2所示,根據新課標學業(yè)質量標準,可以把新課標核心素養(yǎng)的幾個方面分成不同的層級．2013年以來的北京高考理綜卷第20題突出體現了對考生高水平核心素養(yǎng)的考查．

如多光子光電效應一題對核心素養(yǎng)的考查達到了水平4(側重對科學推理的考查)．考生要篩選信息,遷移知識,組織邏輯,得出結論,并循環(huán)這一個過程得到更進一步的結論,最終把分析結果進行物理表征,這就是推理過程(有時這樣的推理過程可能需要多次循環(huán)才能得到最終結果)．對綜合性物理問題進行分析和推理,獲得結論,符合科學推理中水平4的表述．

霧霾天氣一題對核心素養(yǎng)的考查達到了水平5(側重對物理建模和科學論證的考查)．對模型建構素養(yǎng)的考查體現在要求考生建立霧霾顆粒的球狀模型和三類小球做布朗運動的圖景．能將較復雜的實際問題中的對象轉換成物理模型,符合模型建構中水平5的表述．科學論證指的是圍繞同一論題,收集證據并運用一定的論證方法解釋、評價,達成結論．論證過程要通過科學建模、分析推理、批判反駁錯誤觀點等一系列思維活動來完成．當考生不能確定PM2.5和大于PM10的大懸浮顆粒物的濃度隨高度增加的變化情況時,要利用“PM10的濃度隨高度的增加略有減小”這一證據,進行推理和解釋．考慮證據的可靠性,合理使用證據進行推理,這符合科學論證中水平5的表述．

表2 科學思維及其要素的學業(yè)水平質量標準

4 結論

新課標指出,高中物理課程在義務教育的基礎上,幫助學生從物理學的視角認識自然,理解自然,建構關于自然界的物理圖景……,引導學生認識科學的本質以及科學·技術·社會·環(huán)境(STSE)的關系．這不僅是高中物理課程的培養(yǎng)目標,同時也是高考乃至等級性考試的考核目標．北京高考物理試題在堅持并不斷深化能力立意的命題實踐中,通過選擇與生產生活、科技發(fā)展及成果應用等實際情境,實現對考生分析問題解決問題能力的考查,同時也實現了對考生科學思維這一物理核心素養(yǎng)不同水平的考查,這也為等級考命題的平穩(wěn)過渡打下了堅實基礎．