基于學科核心素養的高考物理試題情境分析

李 晗 涂友超

(1. 河南省淮陽中學,河南 周口 466700； 2. 河南省信陽師范學院物理電子工程學院，河南 信陽 464000)

2019年11月,教育部考試中心發布了《中國高考評價體系》,該體系由“一核四層四翼”組成,明確了“一核”為考查目的,“四層”為考查內容,“四翼”為考查要求,并強調“四層”考查內容和“四翼”考查要求可通過創設問題情境和情境活動來實現,同時將問題情境分為學習探索問題情境和生活實踐問題情境,將情境活動分為簡單情境活動和復雜情境活動.[1]那么,在高考物理中應創設怎樣的試題情境,來考查學生的必備知識和關鍵能力,從而能夠全面有效地反映學生的物理學科核心素養水平呢?本文擬通過對近年來高考物理試題情境創設的分析,初步探討了高考物理試題情境的類型、特征及價值等.

1 高考物理試題情境概念解析

所謂情境,是指運用文字、圖表、數據等形式,圍繞一定主題加以設置的,為呈現解題信息、設計問題任務、達成測試目標而提供的載體,是為激發學生的認知結構與素養表現搭建的平臺,是影響學生分析與解決問題的策略與表現.[2]由于目前高考物理試題的呈現方式主要為純文本(由文字和相關的物理符號組成)或混合文本(由純文本和相關的圖表等組成),[3]為此,結合物理學科的特點,可將高考物理試題情境定義為:以純文本或混合文本的形式，為呈現相關信息和設計物理問題所選取的情境型材料,是學生進行情境活動的場所,是考查和培養學生物理學科素養的載體.

從現階段物理學科的高考實際分析,高考物理試題中的學習探索問題情境由物理學史問題、課程標準和教材中的典型問題以及科學探究類問題組成;生活實踐問題情境由自然現象問題、與生產生活相關的問題以及科技前沿問題組成.[2]除問題情境外,情境活動的復雜程度也決定著物理試題的難度,簡單的情境活動主要考查基礎知識和基本能力,學生只需要啟動單一的認知活動即可;而復雜的情境活動則需要綜合運用多個物理知識和多種技能,學生需要啟動多個認知活動.因此,從問題情境和情境活動的復雜程度以及學生的認知實際出發,筆者嘗試將學習探索問題情境和生活實踐問題情境進一步細分為問題再現情境、問題關聯情境、拓展遷移情境、現象解釋情境和模型識別情境5種類型,從而使得高中物理試題情境的特征表現更加明確、教學價值更加突顯、情境創設更具可操作性.

2 高考物理試題情境創設分析

2.1 問題再現情境

問題再現情境是通過創設學生已熟悉的試題情境,將學生在物理課程學習中得到的知識等融入其中,相應的情境活動也是對學生已掌握的物理知識的回憶性再現,此類試題主要是在基礎性的層次上考查“四層”的相關內容.

圖1

例1.(2020年高考全國Ⅰ卷理綜第16題)如圖1所示,一學生表演蕩秋千.已知秋千的兩根繩長均為10 m,該同學和秋千踏板的總質量約為50 kg.繩的質量忽略不計.當該同學蕩到秋千支架的正下方時,速度大小為8 m/s,此時每根繩子平均承受的拉力約為

(A) 200 N. (B) 400 N.

(C) 600 N. (D) 800 N.

該題所選取的“蕩秋千”這一情境型材料直接來自于人教版高中物理必修2第五章曲線運動“生活中的圓周運動”一節的課后習題.[4]進行相應情境活動所需要的知識(應用牛頓第二定律求解豎直面內圓周運動最低點的向心力)屬于回憶性再現,因此該題所創設的情境屬于問題再現情境,情境活動也屬于簡單層次.

該題利用“蕩秋千”這一貼近生活、具有親和力的物理情境,將所需要考查的物理知識非常自然地嵌入其中,使得該題的情境呈現方式顯得更加親切靈動,既能夠激發學生的物理學習興趣,又能夠較好地考查學生從真實情境中抓住主要因素、抽象出物理模型、進而解決物理問題的能力和素養.該題在基礎性層次上考查了圓周運動向心力的計算等必備知識,概念理解和模型建構等關鍵能力.

此類情境型物理試題還有2020年全國Ⅱ卷第16題、2019年全國Ⅰ卷第18題等,它們均是在基礎性層面上對學生物理學科核心素養進行考查,難度上通常屬于容易題范疇.

2.2 問題關聯情境

問題關聯情境是通過設置一定的試題情境,將所需要考查的多個物理知識融入到情境之中,同時這些物理知識之間的關聯并不明顯,情境活動的進行需要學生在試題所考查的物理知識之間進行關聯性聯想.由于此類物理試題的問題情境和情境活動相對比較復雜,因此基于問題關聯情境而命制的物理試題,主要是在綜合性和創新性的層面上考查“四層”的相關內容.

圖2

例2.(2019年高考全國Ⅰ卷理綜第21題)在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上,把物體P輕放在彈簧上端,P由靜止向下運動,物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關系如圖2中實線所示.在另一星球N上用完全相同的彈簧,改用物體Q完成同樣的過程,其a-x關系如圖2中虛線所示.假設兩星球均為質量均勻分布的球體.已知星球M的半徑是星球N的3倍,則

(A)M與N的密度相同.

(B)Q的質量是P的3倍.

(C)Q下落過程中的最大動能是P的4倍.

(D)Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍.

基于問題關聯情境的物理試題一般綜合性較強,對學生的能力要求也較高,在物理學科核心素養的考查上往往集中于科學思維和科學探究等方面.例如,2019年全國Ⅰ卷第17題、2018年全國Ⅰ卷第21題等也同屬此類試題.

2.3 拓展遷移情境

拓展遷移情境是指在命制物理試題時,將所要考查的物理知識遷移到一個全新的情境型材料之中,或通過創設課程標準和教材中的典型問題情境,在學生已學知識的基礎上進行適當的拓展,相應的情境活動必須依賴于對情境型材料的創新解讀與轉換以及相關物理知識和方法的創造性遷移與運用等.拓展遷移情境是復雜的學習探索問題情境,基于拓展遷移情境所設計的物理試題,主要在綜合性和創新性層次上考查“四層”的相關內容.

圖3

例3.(2019年4月浙江物理選考第12題)如圖3所示,A、B、C為3個實心小球,A為鐵球,B、C為木球.A、B兩球分別連接在兩根彈簧上,C球連接在細線一端,彈簧和細線的下端固定在裝水的杯子底部,該水杯置于用繩子懸掛的靜止吊籃內.若將掛吊籃的繩子剪斷,則剪斷的瞬間相對于杯底(不計空氣阻力,ρ木<ρ水<ρ鐵)

(A)A球將向上運動,B、C球將向下運動.

(B)A、B球將向上運動,C球不動.

(C)A球將向下運動,B球將向上運動,C球不動.

(D)A球將向上運動,B球將向下運動,C球不動.

之前學生在解決牛頓第二定律的瞬時性問題時,常見的情境是小球和彈簧均暴露在空氣中(并且不考慮空氣對小球的阻力作用),但該題卻創造性地將彈簧和小球置于水中,并且要考慮水的浮力作用,因此該題所創設的情境屬于拓展遷移情境.學生的情境活動需要依賴于對該情境型材料的創新解讀與轉換,并將相關物理知識創造性地遷移和運用.首先由牛頓第二定律判斷出剪斷繩子瞬間杯子的加速度等于重力加速度g,然后分別對3個小球進行受力分析,并結合剪斷繩子瞬間彈簧的彈力不會發生突變，但拉住小球C的細線彈力會立即突變為0這一特性,由牛頓第二定律計算出小球A、B、C各自的加速度大小與方向,最后再轉換成以杯子為參考系來考查3個小球相對于杯底的運動情況.這樣的情境活動清楚表明,該題在綜合性和創新性層次上考查了受力分析、參考系、牛頓第二定律等必備知識,以及推理論證、模型建構、創新思維等關鍵能力.

此類拓展遷移情境的物理試題還有2020年全國Ⅰ卷第18題、2020年全國Ⅱ卷第17題等.該類試題在高考中往往注重對物理知識、能力和方法的遷移,在物理學科核心素養的考查上一般是依據“四層”中的綜合性和創新性,集中體現在科學思維和科學探究等方面.

2.4 現象解釋情境

現象解釋情境類試題所選取的情境型材料一般來源于3個方面:一是與自然界相關的物理現象；二是與生產生活緊密聯系的物理現象；三是科技前沿事件.材料中所隱含的物理知識、物理模型都較為直接地源于學生已有的學習儲備,學生的情境活動也相應地表現為材料中物理問題的抽象與獲取、物理模型的建構與解決以及基于物理模型的實際現象解釋等.現象解釋情境屬于較為簡單的生活實踐問題情境,基于此類情境命制的物理試題,一般是在基礎性和應用性層次上考查“四層”的相關內容.

例4.(2020年全國高考Ⅰ卷理綜第14題)行駛中的汽車如果發生劇烈碰撞,車內的安全氣囊會被彈出并瞬間充滿氣體．若碰撞后汽車的速度在很短時間內減小為0,關于安全氣囊在此過程中的作用,下列說法正確的是

(A) 增加了司機單位面積的受力大小.

(B) 減少了碰撞前后司機動量的變化量.

(C) 將司機的動能全部轉換成汽車的動能.

(D) 延長了司機的受力時間并增大了司機的受力面積.

該題所選取的情境型材料源于學生熟悉的生活實際,情境中所隱含的物理知識(動量、動能等)均為學生已有的學習儲備,學生的情境活動是首先從該情境中抽象出碰撞這一物理模型,進而根據氣囊與司機發生碰撞時所滿足的物理規律,判斷各個選項所給出的對現象的解釋是否正確,故該題所創設的情境屬于現象解釋情境.相應的情境活動表明,該題在基礎性和應用性層次上考查了動量定理、動能等必備知識,以及規律理解、模型建構、解釋應用等關鍵能力.

選取與自然現象、生產生活、現代科技等緊密聯系的真實情境型材料,通過將材料情境與所要考查的物理知識有機融合,從而創設出現象解釋情境類物理試題.此類試題貼近學生、貼近生活、貼近時代,既能激發學生的學習興趣、實現“學以致用”,又能提升學生對科學本質的認識.[5]例如2019年北京物理卷第14題、2019年天津物理卷第4題、2018年全國Ⅰ卷第14題等也屬于此類.

2.5 模型識別情境

模型識別情境的創設所選取的情境型材料一般來源于生產生活中的實際問題(例如與工業生產、航空航天、體育運動等相關的情境等),材料中所隱含的物理模型是學生日常學習中的常見模型,相應的情境活動主要表現為對材料中物理模型的建構與解決.

需要指出的是,模型識別情境是較為復雜的生活實踐問題情境,創設此類試題情境,可以考查學生應用所學知識分析并解決生產生活實踐中的實際問題,引導學生要高度關注與日常生產生活實際、科技進步等緊密相關的物理內容與問題,需要具備良好的實際問題解決能力.此類物理試題主要在綜合性和應用性層次上考查“四層”的相關內容,同時還可以幫助學生樹立勞動觀念、厚植愛國情懷等.

圖4

該題所選取的情境型材料源于中醫治療中常見的“拔火罐”療法.材料中所隱含的物理知識(理想氣體狀態方程、玻意耳定律等)、物理模型(理想氣體模型)均直接來自于學生已有的學習儲備.相應的情境活動表明該題在綜合性和應用性層次上考查理想氣體狀態方程、玻意耳定律等必備知識,以及規律理解、模型構建等關鍵能力.

該類試題情境通常來自于生產生活實踐,是對真實生活情境的加工與改造,[6]它可以很好地考查學生從復雜情境中進行模型建構的能力,是落實物理學科核心素養考查的重要途徑之一.例如,2020年全國理綜Ⅰ卷第16題、2020年全國理綜Ⅱ卷第16題、第17題等,都屬于此類.

當然,以上5類高考物理試題情境的呈現并不是孤立的、絕對的,它們有時單獨存在,有時也會交融在一起.

3 結語

“從生活走向物理,從物理走向社會”,物理來源于客觀世界,物理回歸于自然本真,因此物理學習離不開問題情境或情境問題,物理試題的情境化也必然會是高考物理命題的常態與“長態”.

基于高考的示范引領作用,研究高考物理試題情境的類型及特征,勢必會對我們高中物理教學中物理情境的創設產生較深遠的影響,同時,物理情境型問題的解決過程也是引導學生認識問題、分析問題、運用知識、提升能力的過程,更是培養學生有效提高物理學科核心素養的過程．