賞析一道突出考查運動與相互作用觀核心素養的創新題

湖北

(作者單位：湖北省監利市第一中學)

自八省聯考以來，物理考試時間調為75分鐘，湖北連續幾次大型聯考平均分都不理想，師生普遍覺得時間太緊，難度過大。武漢市四月聯考試卷卻獲得了老師們的普遍好評，題目新穎但不超綱，考查主干知識和創新思維。我覺得其中有代表性的是選擇題第7題。

此題具有新高考考查創新能力的特點，通過物理知識在生活情境中的應用，考查了如何靈活選取物理學規律來解決實際問題，不僅能引導學生關注主干知識的理解和運用，還能促進學生回歸教材；本題考查了類比創新思維，通過對常見模型的變式拓展，考查學生在新情景中模型建構的能力，是一道考查科學思維的好題；同時，又能幫助學生歸納運動性質與受力條件的對應關系，即建立清晰的運動與相互作用觀，更能培養學生的物理學科核心素養。

一、試題

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二、試題賞析

(一)以生活情景為載體，考查學生運用創新思維靈活選取物理學原理解決問題的能力

【素材情景】本題屬于應用類試題，以紅血球受粘滯阻力下落這一實際情境，考查隨速度成正比的阻力作用下物體的運動規律。

遇到新情景問題的正確解決方法，一是從必備知識的最根本原理出發，找到最合適的規律、方法解決問題；二是從創新思維出發，找到以前學過的與之條件相似、運動規律相似的物理模型，用相似的規律去解決新問題。

學生無論用哪一種方法解決問題，都是必備知識、關鍵能力和物理核心素養的良好體現。

此題通過應用性的考查，巧妙的兼顧了基礎性、綜合性、創新性。

(二)考查力與運動關系的主干必備知識，幫助學生認清錯誤認識，培養運動與相互作用觀的學科素養

題干已知力的特點，選項考查運動關系。教學中可引導學生學會通過審題歸納考點：力與運動的關系。

力與運動的關系是高中物理的主干必備知識，也是新高考評價體系中的物理學科核心素養中最核心的物理觀念：運動與相互作用觀。那么高中物理的運動與相互作用觀又包括哪些呢？此題的研究對象只涉及單個物體，對單個物體的力學三大規律即是：牛頓第二定律、動量定理、動能定理。因為此題合力是變力，又是求位移這種過程量的比例，應該優先選用表達過程的規律，即從動量定理和動能定理中選擇。

在選用規律時，此題暴露了學生概念不清的問題。

覺得此題無從下手的同學，就是因為沒找到最合適的規律來解決問題。有的同學雖然選出答案C，其實沒有真正弄懂，是碰巧出選了正確答案。

因為此題涉及力、位移、始末速度，很多同學按常規思路優先選用動能定理列方程。

然后因為F與v成正比，就說F均勻變化，認為平均作用力為始末力的一半，得表達式

可知x與v0成正比。

選出答案C，恰好是正確選項。這也是此題得分率不算低的一個原因。

但是此題是已知F與v成正比，并不是已知F與x成正比，要先證明F與x成線性關系，才能在求功時認為平均作用力等于始末力的平均。

而且，這些學生認為畫出的v-x圖應該是彎曲的，斜率是減小的，理由是因為速度變化、阻力變化，所以加速度是變化的。

以上都是因為學生沒有把物理量對時間的變化率和對位移的變化率區分清楚，沒有分清對時間取平均值和對位移取平均值是兩個不同的概念。

混淆這兩個概念會出現一些典型錯誤，比如機車以恒定功率啟動的問題中，把加速度減小的加速過程用平均力、平均加速度看成勻變速運動，用牛頓第二定律和運動學公式聯立求解，學生發現結果與參考答案不一樣，與老師交流才知道，對時間取平均值和對位移取平均值是兩個不一樣的概念。

只是武漢四月聯考第7題的模型恰好是運動的總位移x與初速度v0成正比。

【解題思路】選取一個極短暫的時間Δt，假設紅血球的質量為m，在時間Δt之后，紅血球的速度變為v，則在該段時間內可將紅血球的受力近似認為kv，運用動量定理，有-FΔt=mv-mv0，F=kv，則在紅血球達到最大位移時，有kx1=mv0，kx2=mv0/n，可得C項正確。

【答案】C

所以，命題人想考查的必備知識：動量和動量定理。

(三)以關鍵能力和核心素養的考查促進學生回歸課本，有效地培養關鍵能力和核心素養

【關鍵能力】本題考查的關鍵能力主要是理解能力、模型建構能力、分析推理能力。需要考生理解題意，建立正確的物理模型，以微元的思想將變力問題轉化成恒力問題。

【學科素養】本題考查的物理核心素養主要是科學思維。主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等。

【學科思想方法】模型思維、極限思維

1.理解、分析推理等關鍵能力的考查，利于培養學生科學推理、科學論證的科學思維

能否快速選擇合適的規律解決問題是物理關鍵能力和學科核心素養的表現。

已知力求運動時，力學三大規律選哪個規律最方便？此題是描述一個過程的規律，而速度對時間的累積正是位移！所以，動量定理解決此題最簡潔！

命題人的意圖是希望考生理解題意，建立正確的物理模型，以微元的思想將變力問題轉化成恒力問題。

我認為，微元法會增加學生的心理負擔。高考中對關鍵能力和科學思維的考查其實都是可以在課本找到原型的。

此題回歸課本的根本原理和思維方法，是變力的沖量問題。課本有例題“棒球擊球的動量定理應用”情景，一段過程中方向不變只有大小變化的變力的沖量可用平均作用力與時間的乘積來表示，而過程中的位移可用平均速度與時間的乘積來表示，兩個平均值都是對時間取平均。

2.模型建構等關鍵能力的考查，有利于促進學生形成歸納總結的習慣，培養模型建構、質疑創新的科學思維

遇到新模型，我們可以引導學生歸納新結論。

質疑創新：難道只有初速度與總位移有正比關系嗎？此題答案如此簡潔，是否暗含一個更簡潔的規律？有沒有什么量不變？怎樣尋找不變量？

教學中可以引導學生進一步思考：此題的難點在于加速度是變化的，即速度對時間的變化率是變化的，用牛頓運動定律不好判斷；但根據以上分析，此題的運動模型似乎有什么特點？如果從運動過程中任意時刻開始計時，以后的運動，是不是都可以同理推出剩下要運動的位移與此刻的速度成正比？那么此題的運動模型有什么特點，能否畫出運動過程中的v-t圖？

由前文分析可知，運動速度與位移的關系如圖。

此題結論：若是合外力與速度成正比的減速運動，則運動總位移與初速度成正比。

創新結論1：若是合外力與速度成正比的減速運動，則從任意時刻算起，后面還需要運動的總位移都與該時刻的速度成正比。

創新結論2：若是合外力與速度成正比的減速運動，則運動的速度隨位移均勻減少。即整個運動過程都符合規律——單位位移內速度的減少量相同。

另類加速度概念可回歸課本：伽利略對自由落體運動的研究。最開始就猜想速度是否隨位移均勻變化？不過最后發現自由落體的速度是隨時間均勻變化。所以大家熟知的勻變速運動是合外力不變、速度隨時間均勻變化的運動。

但并不表示速度隨位移均勻變化的運動不常見。我們稍加引導就會讓學生回憶起相關常見模型，比如電磁感應中的水平光滑單桿模型。所以，此題的模型建構有其重要意義。

3.特殊值法、極限法、排除法的運用也可巧妙得出答案，體現了題目的開放性，利于培養學生的創新能力

有的同學用特殊值代入的排除法也選出了正確答案。排除法也是創新能力的體現，此題的題型是選擇題，學生對題目情境蘊含的本質規律還不是很清楚時，應鼓勵學生運用特殊值、極限法、排除法等巧解妙解。

創新思維的一個重要功能是化繁為簡，有很多單選題可以運用創新思維化復雜模型為簡單模型，單位是否符合？用極限法變為理想模型時表達式是否符合？取特殊值變為對稱模型時表達式是否符合？極限外推理模型、特殊值法、對稱模型等是解決選擇題中復雜問題的常用創造性思維。

三、對課堂教學的指導意義：以創新思維能力的培養帶動必備知識的鞏固、關鍵能力的強化、核心素養的培養，有事半功倍的效果

筆者認為，此題最大的亮點就是考查了類比思維這種重要的創新思維能力，此題能讓學生更深刻地認識類比思維的妙用。單純從理論上指導如何選擇規律，顯得比較枯燥，學生不容易在短時間找到突破難題的方法。教學中可以用以前熟悉的模型類比，讓學生親身感受到化陌生為熟悉，變未知為已知的神奇，讓他們自己得出解題方法，讓他們感知物理的智慧，這種興奮的刺激會讓他們記憶深刻。這樣學生既有成功的快樂感，又覺得順其自然的理解沒有難度，而且還容易形成從特殊到一般、普遍聯系的哲學思想，養成歸納總結的好習慣，對培養學生的科學素養有好處。

類比思維能力是高考常考的創新思維能力，是解決新問題常用的思維方式。我猜想出題人可能就是受某常規題的啟發，創造性地變式出的這個原創題。

筆者是按這樣的程序講解這道題：

先要同學們說出此題中紅細胞的受力特點，學生說出力與速度成正比。

筆者再要學生們回憶以前學的哪些力與此相似。

學生很快答出洛倫茲力、機車啟動的牽引力、空氣阻力等；因為有空氣阻力的拋體和機車啟動模型比較復雜，受牽引力還受阻力、受空氣阻力還受重力，還有什么模型與這個更接近？馬上就有學生說：“電磁感應中的安培力！”

筆者畫出光滑水平面上只有初速度的單棒模型，提問：我們當時是用什么規律列方程分析的？

學生很快答出動量定理。

筆者問如果還是用電磁感應的情景出題，你們是不是會做？

學生們回答會做！因為已經多次講過這種動量定理在電磁感應中綜合應用的模型。

筆者又問你們是只滿足于做對這一個題目，還是總結了一類問題的解決方法呢？有沒有總結這種受力條件與運動性質的對應關系呢？

此題是合外力與速度成正比的減速運動，運動特點應該是速度與位移是線性關系。

雖然這不是課本上專門講過的一種運動，卻也是一種很簡潔很有特點的運動。而且是電磁感應中的一類常見運動，研究并記住它很有必要。

如果熟練總結了各類運動特點對應的受力條件(必備知識)，我們就可以用類比的科學思維(核心素養、關鍵能力)來應對新情景問題，輕松找到解決新問題的思路方法。這就是高考專家出題要考查創新思維的出發點。也是高考出創新題的常見方式！

四、對原創或改編習題的啟示

利用新情景考查科學思維和主干知識的根本原因是新高考考題的重要特點，我們在習題教學中也要讓學生適應。模型建構、類比、等效、比較、極限等都是高考常考的創新思維，是科學研究中對發明發現有關鍵作用的能力，所以幾乎每一次高考都會考查。命題人希望學生能學以致用、舉一反三，我們也希望我們的課堂教學“有事半功倍”的效果。