創新性思維在高考學業質量評價中的體現

李志剛　田成良　陳偉孟　崔琰

摘 要：2019北京高考理綜第23題在多個方面體現了物理學科核心素養和命題趨勢，突出了實驗考查方式的創新，本文將對該題中涉及的物理觀念、科學思維、科學探究、數形結合思想考查、定量與半定量和定性分析等方面進行解讀.

關鍵詞：2019年北京高考試題;創新思維;實驗考查;等級性考試

文章編號：1008-4134（2019）13-0063 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

作者簡介：李志剛（1982-），男，湖北人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理教學及評價等;

田成良（1974-），男，山東人，本科，中學特級教師，教研員，研究方向：物理過程教學科學方法教育;

陳偉孟（1981-），男，浙江人，博士，中學高級教師，研究方向：物理教學和研究性學習;

崔琰（1982-），男，天津人，博士，海淀區物理教研員，研究方向：中學物理學科教學.

北京市2017級開始全面進入新一輪課程改革，包括考試招生制度改革在內的各項改革正在穩步推進，近兩年北京高考理綜物理試題穩中求進、進中求變，在豐富選材范圍、創新呈現方式方面亮點頗多，尤其是實驗考查方面，在內容、形式和風格上逐漸形成特色的基礎上，在題目數量、分值和廣度上有進一步的突破，23題開拓了新的實驗與理論結合綜合考查考生的核心素養水平的試題形式;2019年北京高考理綜物理試題完成選拔任務的同時，在利用實驗深化學科能力和核心素養考查方面做了更進一步的嘗試，在適當降低難度的同時適度提高區分度做了進一步的評價探索.2019年北京高考理綜第23題涉及2017年版課程標準新的學生實驗—電容器的充放電實驗，此題在多個方面體現了物理學科核心素養和命題趨勢，本文將對該試題中涉及的物理觀念、科學思維、科學探究、數形結合思想考查、定量與半定量和定性分析等方面進行解讀.

1 原題回顧

（2019年北京高考理綜23題）電容器作為儲能器件，在生產生活中有廣泛的應用.對給定電容值為C的電容器充電，無論采用何種充電方式，其兩極間的電勢差u隨電荷量q的變化圖象都相同.

（1）請在圖1中畫出上述u- q圖象.類比直線運動中由v-t圖象求位移的方法，求兩極間電壓為 U時電容器所儲存的電能Ep.

（2）在如圖2所示的充電電路中，R表示電阻，E表示電源（忽略內阻）.通過改變電路中元件的參數對同一電容器進行兩次充電，對應的q- t曲線如圖3中①②所示.

a.①②兩條曲線不同是（選填E或R）的改變造成的;

b.電容器有時需要快速充電，有時需要均勻充電.依據a中的結論，說明實現這兩種充電方式的途徑.

（3）設想使用理想的“恒流源”替換（2）中電源對電容器充電，可實現電容器電荷量隨時間均勻增加.請思考使用“恒流源”和（2）中電源對電容器的充電過程，填寫表1（選填“增大”、“減小”或“不變”）.

2 試題解答及分析

【試題分析】

（1）本問強調的類比遷移方法，是一種極其重要的方法，v-t圖面積表示位移—位置的變化，是一個過程量，結論的得到用到了微元法.關聯類比到u-q圖與橫軸圍成的面積，應表示過程量——電容充電過程中電荷克服電場力做的功，或電容器電勢能的變化量.“u-q圖線與橫軸圍成的面積表示電容器存儲的靜電能”的說法反映的是狀態量，類似人教版教材位移公式中的x和Δx的關系，當狀態起點是零值時，末態的狀態量可以反映對應過程的變化量.本問強調：“對給定電容值為C的電容器充電，無論采用何種充電方式，其兩極間的電勢差u隨電荷量q的變化圖象都相同.”這里，其實隱含確認了“靜電場電場力做功與路徑無關，只與初末位置有關”這一關于保守力做功的特點，又可避免暫態電場是變化電場而非靜電場的麻煩.

（2）本問的q-t圖線的斜率反映充電電流i，圖線有兩個突出的特點：其一，q隨時間t從0開始增加，但是斜率逐漸減小;其二，q存在極限值.

a. 充電過程會存在暫態電流，圖3中①②兩條圖象的電量極限值相同，意味著它們達到靜電平衡時的電量Q相同，而用的是同一個電容器C，根據U=Q/C，應該所用電源的端電壓U相同，故電動勢E相同，利用排除法判斷：斜率的差異應該是暫態過程R的不同導致的.

b.可以從t→0時的q-t圖線的斜率來分析，t→0時，從圖中，可以看出①電流比②電流大，此時電容器可認為暫未帶電，其電壓為0，故電阻的電壓就等于E，因此，根據部分電路歐姆定律，①對應的電阻小;②對應的電阻大.（事實上，任意相同電量（縱坐標）的狀態，電容的電壓相等，從而電阻的電壓相等，但圖上的斜率—電流—都是①的比②的大）

第（2）問對學生實驗能力中的數據分析能力和推理能力有比較高的要求，總體屬于課程標準評價層級四的要求，第（2）a問從實驗數據處理的圖象呈現方式分析推理圖象差異的原因，這一處理方法與19題表格呈現方式分析推理原因的考查相得益彰，第（2）b問要求考生根據a的分析結果解決實際問題，問得恰到好處.

（3）對恒流源，電源電流恒定，根據能量守恒定律，其兩端電壓UI等于R兩端電壓UR=IR與電容器兩極板電壓UC=It/C之和，故UI=It/C+IR，U隨時間線性增加.（2）中電源，內阻為0、電動勢恒定，實質是恒壓源，即輸出電壓UV（=E）恒定，UV等于R兩端電壓UR=IR與電容器兩極板電壓UC=q/C之和，由部分電路歐姆定律得I=（UV-q/C）/R，故I隨q增大而減小.

本問深度考查了考生的能量觀念，要求考生在遇到新概念、新情景時，甄別和利用能量守恒定律解決問題，考生必須弄清楚能量守恒定律及由之得來的歐姆定律的適用條件.

3 試題的核心素養分析和能力素養導向下的亮點品味

該試題緊密圍繞物理學科核心素養，以科學探究為背景，注重物理觀念、科學思維的考查，從學生熟悉的基本物理概念出發，多角度深刻剖析基本物理概念和規律.

3.1 物理學科核心素養視角的分析

3.2 能力素養導向下的亮點品味

3.2.1 注重模型構建意識的培養

對象模型上，本題涉及電容器、恒壓源、恒流源、靜電平衡狀態等概念對象的構建有隱性要求.方法模型上，本題強調類比遷移與關聯整合的方法.過程模型上，本題要求學生比較好地理解電容器的充電過程本質上是導體達到靜電平衡的暫態過程.

3.2.2 注重物理規律的深度考查

本題體現了物理規律普適性，題干開宗明義指出，電場力做功、電容器充電的具體過程與方式無關;（1）（3）都涉及到能量的轉化與守恒，能量守恒是物理學中最引人入勝的規律之一，高中教材中，力、熱、電、光中都有能量守恒定律的體現，比如力學中的機械能守恒定律，熱學中的熱力學第一定律，電學中的歐姆定律、楞次定律，光學中的愛因斯坦光電效應方程，等等，也是物理教學的重點、難點所在.題目第（2）問圍繞靜電平衡狀態及其暫態過程規律考查.

3.2.3 注重數形結合思想的滲透

本題以兩個圖象：u-q圖和q-t圖，考查了圖象問題的識別圖象、運用圖象、創造圖象三個層次中的兩個，較為全面地考查了圖象的六大要素——軸、點、線、斜、截、面.

3.2.4 注意實驗考查方式的創新

本題三問設問層次鮮明，注意評價層級的遞進，多處體現了創新.創新點主要體現在：一、全面要求考生進行定量推導、半定量和定性分析;二、首次綜合考查實驗與理論相結合進而解決實際生活問題;三、從“電源”到“恒流源”概念考查的過程，再現了新知構建的過程，也是過往高考中沒有的.本題的設問，知識跨度大，并非一般問題的單線設問，而是多角度、非線性設問，要求考生具有將知識和方法關聯整合的能力，體現了濃濃的物理味道，體現了命題者對于評價層次和尺度的把握水平，展現了命題者的創新意識，對于引導物理教學有非常好的導向作用.

4 試題給我們的教學啟示

基于以上試題評價的分析和問題解決策略的分析，筆者認為，給我們的教學啟示如下：

（1）教師在平時教學中，應注意加強對課程標準和教材的研讀和研究，研究課程標準的內容標準和評價標準，研究教材中的例題、習題等，做教材比較分析，引領學生重視和使用教材，引導和幫助學生整合碎片化的知識、方法，形成有機的體系，提高關聯整合和思辨能力.

（2）教師在教學中要重視實驗的基礎性地位，充分利用演示實驗、自創實驗和學生實驗，在直觀觀察基礎上，深化思維、建立概念、構建規律.比如利用平均速度的測量建立瞬時速度的概念，利用自制電容器的演示建立電容器的概念，利用電容器的充放電建立電容的概念.

（3）教師應幫助學生全面提升實驗能力.在高一、高二足額做好演示實驗、扎實落實學生實驗的基礎上，幫助學生認識到實驗在物理學科中的基礎性地位，拓展實驗能力發展的邊界和方向，提升圖象法和列表法處理數據等的實驗數據分析能力，品味物理學史上的經典實驗所蘊含的深邃的物理思想，利用實驗數據分析方法和結論解決生活中的實際應用問題等，引導學生在運用數學工具定量分析物理問題之后，進行半定量、定性的討論并構建其對應的物理圖景，形成內在的、深刻的物理學科核心素養.

（4）增加理論與實驗相結合的問題的供給形式，豐富新知類問題的考查方式，更加顯性地展示創造性勞動，通過討論、剖析和練習等措施，幫助學生增強在信息提取、邏輯思維和質疑創新等方面的能力，提升科學思維水平.教師在素材的選取上對基礎較好的學生可以適當多開些窗口，同時也引導學生關注科學、技術、環境和社會.

（收稿日期：2019-06-13）