深化考試內容改革背景下高考物理壓軸題命題特點與啟示
——以2021年“八省聯考”中物理學科電磁壓軸題為例

張一馳 周文釗

(廣東省深圳中學,廣東 深圳 518000)

2021年初,河北、遼寧、江蘇、福建、湖北、湖南、廣東、重慶等第三批高考綜合改革省份為全力做好新高考落地的各項工作,進行了全流程全員模擬高考演練．教育部考試中心和各省教育考試院精心制定命題并進行適應性測試,網稱“八省聯考”．2021年2月26日《教育部關于做好2021年普通高校招生工作的通知》中強調,為深化考試內容改革,2021年高考命題要堅持立德樹人．要優化情境設計,增強試題開放性、靈活性,充分發揮高考命題的育人功能和積極導向作用,引導減少死記硬背和“機械刷題”現象．

在此背景下,深入研究“八省聯考”的試題,對于深入理解考試內容改革方向具有重要意義．本文將以“八省聯考”中物理學科電磁壓軸題為例,系統研究新高考改革背景下物理壓軸題命題的趨勢與特點,給一線教師教學、備考和命題以啟示．

1 例題呈現

以一線物理教師使用較多的力學、電磁學兩大傳統模塊為分類依據,可以簡單地將“八省聯考”中物理學科壓軸題進行劃分,結果如表1．

表1 “八省聯考”物理學科壓軸題分類

從表1可知,湖南、廣東省物理試卷選擇以力學綜合問題為背景設計壓軸題,其余省份選擇以電磁場為背景設計壓軸題．應該說,不管是力學背景還是電磁學背景,每一道壓軸題都為各省教育考試院與命題專家精心命制,體現了深化考試內容改革的趨勢．這里,我們選擇相對更具特色的河北卷和江蘇卷為例,進行原題展示與分析．

例1.(河北卷)在弗蘭克-赫茲實驗中,電子碰撞原子,原子吸收電子的動能從低能級躍遷到高能級．假設改用質子碰撞氫原子來實現氫原子的能級躍遷,實驗裝置如圖1所示．緊靠電極A的O點處的質子經電壓為U1的電極AB加速后,進入兩金屬網電極B和C之間的等勢區．在BC區質子與靜止的氫原子發生碰撞,氫原子吸收能量由基態躍遷到激發態．質子在碰撞后繼續運動進入CD減速區,若質子能夠到達電極D,則在電流表上可以觀測到電流脈沖．已知質子質量mp與氫原子質量mH均為m,質子的電荷量為e,氫原子能級圖如圖2所示,忽略質子在O點時的初速度,質子和氫原子只發生一次正碰．

圖1

圖2

(1) 求質子到達電極B時的速度v0;

(3) 要使碰撞后氫原子從基態躍遷到第一激發態,求U1的最小值．

例2.(江蘇卷)跑道式回旋加速器的工作原理如圖3所示.兩個勻強磁場區域Ⅰ、Ⅱ的邊界平行,相距為L,磁感應強度大小相等、方向垂直紙面向里.P、Q之間存在勻強加速電場,電場強度為E,方向與磁場邊界垂直.質量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場,多次經過電場加速和磁場偏轉后,從位于邊界上的出射口K引出,引出時的動能為Ek.已知K、Q的距離為d.

圖3

(1) 求粒子出射前經過加速電場的次數N;

(2) 求磁場的磁感應強度大小B;

(3) 如果在Δt時間內有一束該種粒子從P點連續飄入電場,粒子在射出K之前都未相互碰撞,求Δt的范圍.

2 例題特點分析

特點1:試題情境新穎.

情境作為試題的重要組成部分,其目的就是針對知識的習得、實際運用、對客觀外在環境以及內在教育價值(特別是情感的挖掘)提供的問題解決背景、活動場景和資源條件．例1屬于綜合情境,結合了物理學史情境和實驗情境,而例2屬于現代科技情境．我們根據情境類型學的分析框架,從8大維度進行討論總結,定性得到如表2所示分析結果．

表2 基于情境類型學的分析框架的案例分析

由此易知,新高考模式下試題情境會更加新穎,主要體現在情境從傳統的完全建構走向“半真實”,對已知條件和信息和模型變化的處理走向“隱蔽需變化”,情境本身與試題結合度更高,而非有一些傳統壓軸題為了情境而情境．

特點2:試題開放靈活.

例1對于常見的、固定的關于電場、磁場的考察進行了一些形式調整,將考題改編成一個結合勻強電場、完全非彈性碰撞以及粒子物理能級躍遷的問題．舉例來說,題目中“假定質子和氫原子碰撞時,質子初動能的1/3被氫原子吸收用于能級躍遷”考察了將碰撞損失能量用于氫原子受激躍遷時,能量值需恰好等于能級差這一知識點．“要使碰撞后氫原子從基態躍遷到第一激發態,求U1的最小值”,用求U1的最小值代替考察在損失能量全部用于能級躍遷的條件下,碰撞損失能量最大的情況．問法新穎,模型處理和轉變非常靈活．

例2考題結合了圓周運動以及追及相遇問題對電磁場進行考察,通過靈活的變化與調整,充分挖掘與再利用傳統問題,增強趣味性．轉變固定的封閉性的提問方式,通過提問的疊加來拓寬問題的維度,增強開放性和思維性．同時,第3問將運動學中一個簡單的相遇追及問題設置成兩粒子經電場加速和電磁場作用偏轉的模型,需要學生靈活變通,將不同模型聯系到一起．

特點3:思維能力考察突出.

新課標指出高中物理學科的核心素養之一是科學思維,是基于經驗事實的抽象概括,是具體運用推理論證等科學思維方法的過程．經分析,兩題考察模型與知識點如表3所示．

如表3所示,在復雜情景下應用物理理論,對學生的分析能力與思維的嚴密性要求很高,題目中物理量隨運動過程發生變化,學生需找出物體運動規律得出結論．

表3 例題考察模型與知識點匯總

兩道例題主要從理解(閱讀題目、建立模型),推理(分析過程、物理量的矢量性)以及分析綜合(空間思維能力、變化物理量之間的聯系)3個方面考察學生物理思維能力,在數學的應用上考察難度相對不大,但物理思維方面的考察尤其是臨界思維的考察上很有特色．對兩道例題詳細的能力分析與題目解讀見表4、表5．

表4 例1題目解讀與能力要求

特點4:育人功能強大.

新高考改革背景下另一個命題趨勢與特點便是育人功能．物理試題的育人功能,主要體現在能夠對課堂內容有所補充,促使學生在題目中進一步學習,提升自身科學精神,引導實踐創新和責任擔當,塑造科學的價值觀．

例1以物理學中的弗蘭克-赫茲實驗為背景,但不拘泥于真實的歷史過程,而是將其變化并抽象出質子碰撞氫原子的物理過程,通過對新模型定量計算,讓學生進一步理解碰撞模型中核外電子躍遷的本質．以筆者多年高三備考經驗來看,這個模型是很多教師略過(甚至講錯)的．因此,例題一能夠讓學生在做題之余進一步拓展了對氫原子躍遷的認知．

例2則以有別于課本中普通回旋加速器的跑道式回旋加速器為內容進行展開,這是對課本中回旋加速器的一種補充．有興趣的學生,自然也會在課余去了解傳統回旋加速器與跑道式回旋加速器的實際應用情型以及優缺點,個別學生也會發現醫用電子回旋加速器其實主要是跑道式的．學生一旦被激發興趣,必然有助于拓寬視野,提升實踐能力．

3 啟示

兩道例題的特點鮮明,充分體現了物理學科不僅是一門基礎學科,也是一門實踐性很強的學科．這要求教師在授課過程一方面應該強調基礎,幫助學生搭建知識點之間的聯系,構建學科知識的“樹形圖”．另一方面也應注重情境設置,將物理學史結合現代科技,激發學生學以致用的興趣．就習題教學而言,教師應在平時的練習與測試中,增加試題的開放性,鼓勵學生討論與多角度作答,側重學生信息加工、邏輯推理、分析和解決問題的能力的培養,指導學生靈活使用所學的基礎知識解決實際問題、通過分析在復雜情境下抽象出多個簡單模型、注重知識點與模型之間的遷移與聯系．另外,協調物理題中對數學應用的難度,重點突出物理學科思維能力．