高中物理核心素養視域下的試題創新策略

于玉和

(江蘇省連云港市和安中學，江蘇 連云港 222100)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》在第6部分“實施建議”中提出的8條“命題建議”應該成為試卷命制、試題創新和改編的綱領性要求．“命題建議”中要求：試題應有明確的測試目標；試題所涉及的知識內容應具有代表性；試題的情境要具有一定的問題性、現實性、探究性或開放性；試題的編制要科學、規范．只有做到“命題建議”中諸項要求才能在教學評價和學業水平考試中落實和滲透核心素養的“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”和“科學態度與責任”等要素．核心素養視域下試題的創新策略從如下5個角度進行了嘗試．

1 情境創新策略

物理來源于生活，又為生活服務．物理試題的情景千差萬別，來源也十分廣泛，新技術、新理論、新器具、熱點新聞、時事政治、體育、烹飪、旅游、閱讀等等都可以作為情景入題．可以說，有用的、新穎的題設情景充滿了我們生活的方方面面，關鍵在于我們物理教師要做個有心人，要有采掘、創造的意識，要有獨到的發現“眼光”和靈敏的“嗅覺”！而且這類試題由于來源于生活、貼近生活，學生倍感親切，對于提高學生學習物理的積極性有很大的幫助．

圖1

例1.如圖1是洛可可(LKK)公司推出一種神奇的杯子：燒開的熱水倒進杯后，搖晃1min就可以降至55 ℃左右，飲用不燙，這種55度杯曾出現“10分鐘售罄”的驕人業績．其專利證書顯示：杯子采用的是相變金屬填充于內部導熱層與外部隔熱層之間，熱水通過導熱層將熱量釋放至相變金屬，相變金屬快速吸熱并熔化，熱水溫度迅速降低．隨后，熱水降溫時，相變金屬凝固放熱，此熱量可長時間保持熱水的溫度于相變金屬的熔點附近，達到保溫效果．

(1) 當杯內水的溫度持續為55 ℃時，對相變金屬的說法正確的是

(A) 是液晶的一種.

(B) 是多晶體.

(C) 內能和分子勢能都不變.

(D) 內能和分子勢能都減小.

(2) 若將溫度為99 ℃的熱水倒入杯中密封(設體積不變)，當溫度達到55 ℃時，杯中水上方空氣的壓強變原來倍，請用壓強成因的微觀含義解釋這一現象：．(保留2位有效數字)

(3) 當99 ℃的熱水達到55 ℃時，某人一口喝去54 g水，則他這一口喝下的水分子個數為多少？如將水在剛降至55 ℃時全部倒出，迅速加入質量為原來1.25倍的0 ℃冰水，在不考慮熱量散失的條件下，能否再次達到55 ℃？說明理由．

核心素養視域觀點：《課程標準》建議中要求考試內容的任務情境應符合學生的心理發展水平和認知規律，反映科學本質，密切聯系社會、經濟、科技、生產與生活實際．本題情境55度杯即是一個生活實際問題，人們認為“神奇”的杯子原理僅是一個簡單的物理問題，使學生感覺物理就在身邊，學好物理可以解決實際問題，切身體會到學好物理是有用的．要求學生通過問題情境中專利證書的內容和生活經驗、物理基礎知識重新加工，抽象出本質特征，完成從日常概念向物理觀念的轉變，促進了科學思維的發展．同時還考查了“科學思維”的邏輯推理、科學假設及“科學態度與責任”等核心素養要素．

2 組合創新策略

“創造的原理，最終是信息的截斷和再排列組合．”排列組合是客觀世界中十分普遍的現象．這里的組合并不是各個要素簡單的羅列、機械的疊加．而是在統一的整體目標下，和諧、有機地進行，并且各個要素之間在某些方面有相互作用和影響．組合法就應該是屬于試題的創新！這種創新法就如同兒童的積木游戲，它是命題人根據要考查的知識點和能力，把組成試題的基本要素進行不同的組合，從而創新出新題的一種方法．

圖2

例2.(2017年江蘇高考題)如圖2所示，一小物塊被夾子夾緊，夾子通過輕繩懸掛在小環上，小環套在水平光滑細桿上，物塊質量為M，到小環的距離為L，其兩側面與夾子間的最大靜摩擦力均為F．小環和物塊以速度v向右勻速運動，小環碰到桿上的釘子P后立刻停止，物塊向上擺動．整個過程中，物塊在夾子中沒有滑動.小環和夾子的質量均不計，重力加速度為g．下列說法正確的是

(A) 物塊向右勻速運動時，繩中的張力等于2F.

(B) 小環碰到釘子P時，繩中的張力大于2F.

圖3

(組合創新題)如圖3所示，水平光滑細桿上P點套一小環，小環通過長L=1m輕繩懸掛一夾子，夾子夾有質量m=1 kg的物塊，物塊兩豎直側面與夾子間的最大靜摩擦力均為fm=7 N．現對物塊施加F=8 N的水平恒力作用，物塊和小環一起沿水平方向做初速度為0的勻加速直線運動，小環碰到桿上的釘子Q時立即停止運動，物塊恰好相對夾子滑動，此時夾子立即鎖定物塊，鎖定后物塊仍受恒力F的作用．小環和夾子的大小及質量均不計，物塊可看成質點，重力加速度g=10 m/s2.求：

(1) 物塊做勻加速直線運動的加速度a；

(2)P、Q兩點間的距離s；

(3) 物塊向右擺的最大高度h．

核心素養視域觀點：組合創新題和原題考查的實物模型相似，但運動模型卻完全不同，考查核心素養的維度和深度也大不相同．創新題不僅考查了“物理觀念”素養的相互作用觀念和能量觀念，“科學思維”的科學推理，還考查了運動觀念、模型建構等因素．尤其是夾子鎖定后，物塊做曲線運動的受力分析和運動情況分析是本題的一個難點．

3 類比創新策略

類比創新是把兩類事物加以比較，從中尋找其相似點或不同點，以便在同中求異或異中求同中進行創新的方法．屬于邏輯推理型創新方法，是人們在研究和進行工作的一種思路，是將創新理論轉化為可以操作化手段的功能，它是創新理論與創新實踐之間的一座橋梁．

圖4

例3.(原題)一個足夠長的豎直放置的磁鐵結構如圖4所示．在圖中磁鐵的兩個磁極分別為同心的圓形和圓環形.在兩極之間的縫隙中，存在輻射狀的磁場，磁場方向水平向外，某點的磁感應強度大小與該點到磁極中心軸的距離成反比．用橫截面積一定的細金屬絲制成的圓形單匝線圈，從某高度被無初速釋放，在磁極縫隙間下落的過程中，線圈平面始終水平且保持與磁極共軸.線圈被釋放后

(A) 線圈中沒有感應電流，線圈做自由落體運動.

(B) 在圖4俯視圖中，線圈中感應電流沿逆時針方向.

(C) 線圈有最大速度，線圈半徑越大，最大速度越小.

(D) 線圈有最大速度，線圈半徑越大，最大速度越大.

圖5

(類比創新題)如圖5所示，空間存在著與圓臺母線垂直向外的磁場，各處的磁感應強度大小均為B，圓臺母線與豎直方向的夾角為θ，一個質量為m、半徑為r的勻質金屬環位于圓臺底部．環中維持恒定的電流I不變，圓環由靜止向上運動，經過時間t后撤去該恒定電流并保持圓環閉合，圓環全程上升的最大高度為H．已知重力加速度為g，磁場的范圍足夠大．在圓環向上運動的過程中，下列說法正確的是

(A) 在時間t內安培力對圓環做功為mgH.

(B) 圓環先做勻加速運動后做勻減速運動.

(D) 圓環先有擴張后有收縮的趨勢.

核心素養視域觀點：由圓柱類比圓臺模型，雖然形狀相似，產生的磁場相差不大，但電流的受力情況卻大相徑庭，由本來只有豎直方向的受力變成水平、豎直方向均受力，力的作用效果也不同，對運動和形變的影響更復雜．由原題的圓環下落到創新題的彈跳上升，使運動情境更豐富．創新題考查的核心素養要素有：運動觀念、相互作用觀念、能量觀念、模型建構、分析綜合及推理論證等。

4 遷移創新策略

遷移創新是學生更高層次的物理能力表現，指學生利用物理核心知識和科學方法解決陌生和不確定性問題以及探尋新知識和新方法的能力．遷移創新任務分為：直覺聯想、遷移與質疑、建構新模型三層級．

圖6

例4.(原題)從地面上以初速度v0豎直向上拋出一質量為m的球，若運動過程中受到的空氣阻力與其速率v成正比關系，球運動的速率隨時間變化規律如圖6所示，t1時刻到達最高點，再落回地面，落地時速率為v1，且落地前球已經做勻速運動，求：

(1) 球從拋出到落地過程中克服空氣阻力所做的功;

(2) 球拋出瞬間的加速度大小；

(3) 球上升的最大高度H．

圖7

(遷移創新題)如圖7所示,在豎直平面內有一足夠長的平行光滑導軌MN、PQ，導軌寬L=0.2 m，在導軌間連接電阻R=0.2 Ω，其他電阻不計，導軌間有與導軌平面垂直的勻強磁場，B=0.5 T，方向向里．有一導體棒ab其質量m=0.01 kg，能與導軌始終保持良好接觸并能沿導體移動，現給ab豎直向上的初速度v0=4 m/s，從導軌底端向上運動，經過t=0.2 s到達最高點，然后又沿導軌下滑，在到達底端前已做勻速運動．問：

(1)ab棒勻速下滑的速度v1；

(2) 從拋出至下滑到底端的過程中電路產生的焦耳熱；

(3) 上升過程中通過導體棒ab的電量．

核心素養視域觀點：原題和創新題考查的方法、能力幾乎相同，同樣考查了“物理觀念”中的運動觀念、相互作用觀念、能量觀念，“科學思維”的模型建構、分析綜合及推理論證等要素．遷移創新題是抓住原題中空氣阻力與速度成正比關系并巧妙的遷移到安培力與速度的正比關系，順利將力學情境轉換為磁場環境，完成了遷移創新的過程．尤其是原題第3問求的是高度，在創新題中進一步要求計算通過棒的電量，是分析問題的思維升華，是求出上升高度后自然而然的問題．

5 實驗創新策略

物理學是一門實驗科學，物理實驗是物理教學的重要內容．在培養學生的科學思維、探究能力、科學態度和科學精神方面具有特殊的地位．物理實驗也是考查學生創新能力和實踐能力的最好載體．由于中學實驗原理豐富，涉及的器材多種多樣，測量手段靈活多變，數據處理多維度多角度，所以設計實驗是對學生實驗能力的一種綜合性考查，往往具有一定的難度和較好的區分度．設計實驗創新可分為實驗裝置創新和實驗原理創新．

例5.某探究學習小組欲探究物體的加速度與力、質量的關系，他們在實驗室組裝了一套如圖8所示的裝置，圖中小車的質量用M表示，沙和沙桶的總質量用m表示．要順利完成該實驗，則

圖8

(1) 為使小車所受合外力等于細線的拉力，應采取的措施是；

(2) 要使細線的拉力約等于沙和沙桶的總重力，應滿足的條件是．

圖9

(實驗裝置創新題)某實驗小組在“探究加速度與物體受力的關系”實驗中，設計出如下的實驗方案，其實驗裝置如圖9所示．已知小車質量M，所使用的打點計時器交變電流頻率f=50 Hz．其實驗步驟是：

(A) 按圖中所示安裝好實驗裝置.

(B) 調節長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木板向下做勻速運動.

(C) 取下細繩和砝碼盤，記下砝碼和砝碼盤的總質量m.

(D) 將小車置于打點計時器旁，先接通電源，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求得小車的加速度a.

(E) 重新掛上細繩和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質量，重復(B)—(D)步驟，求得小車在不同合外力F作用下的加速度．則

(1) 實驗步驟中“(B)調節長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木板向下做勻速運動”(填“是”或“不是”)為了平衡小車與長木板間的摩擦力，按上述方案做實驗，(填“要求”或“不要求”)砝碼和砝碼盤的總質量遠小于小車的質量．

(2) 若某次實驗步驟“(C)取下細繩和砝碼盤，記下砝碼和砝碼盤的總質量m0”，測出該次小車運動的加速度為a，則“加速度與力、質量”的關系式為(用所給的字母表示，重力加速度為g)．

(實驗原理創新題)某實驗小組應用如圖10所示裝置“探究加速度與物體受力的關系”，實驗步驟如下：

圖10

(A) 按圖所示安裝好實驗裝置，其中與定滑輪及彈簧測力計相連的細線豎直；

(B) 調節長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木板向下勻速運動；

(C) 掛上砝碼盤，接通電源后，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求出小車的加速度；

(D) 改變砝碼盤中砝碼的質量，重復步驟(C)，求得小車在不同合力作用下的加速度．

根據以上實驗過程，回答以下問題：

(1) 對于上述實驗，下列說法正確的是．

(A) 小車的加速度與砝碼盤的加速度大小相等.

(B) 與小車相連的細線與長木板一定要平行.

(C) 砝碼和砝碼盤的總質量應遠小于小車的質量.

(D) 彈簧測力計的讀數應為砝碼和砝碼盤總重力的一半.

(2) 若實驗操作正確，測得小車的質量為M，砝碼及砝碼盤的總質量為m，彈簧秤的示數為F，小車運動的加速度為a，則“加速度與力、質量”的關系式為(用所給的字母表示，重力加速度為g)．

核心素養視域觀點：“實驗：探究加速度與力和質量的關系”應當成為力學實驗的集大成者，是力學實驗的綜合，也是考查頻率最高的力學實驗．裝置創新題和原理創新題均考查了核心素養的四個維度的水平，科學推理、科學論證、證據和解釋均有不同程度的考查，科學態度和科學精神也有一定的體現．學生應當根據實驗裝置，發掘題中信息，理解設計意圖，領會實驗精神，運用科學思維，解決應探究的問題．有效呈現學生從實驗原理、實驗器材、信息收集和處理方面的能力．