基于高考命題的高中物理學科能力培養的教學策略
——以“動量”主題為例

王洪泠

（福州第二中學，福建 福州 350001）

物理學科的核心素養作為學生物理學習和適應社會發展的關鍵能力，在受到教育界廣泛關注的同時，對學生核心素養的培養也日益成為學校教學工作的重點。物理核心素養是學生物理學習過程的內化，它決定了學生面對物理問題時的能力表現，而對學生能力表現的研究又成為落實物理核心素養的重要手段。因此，基于學生行為表現的物理學科能力理論為我們提供了系統化的研究方法和研究路徑。

20 世紀末的物理高考說明提出了理解、推理、分析綜合、應用數學處理物理問題和實驗等五項能力目標。［1］21 世紀初，綜合能力和創新能力得到普遍重視，探究能力、閱讀能力和整合能力也逐漸在物理學科能力中得到體現。郭玉英、續佩君、邢紅軍、李春密等都提出了各自的對物理學科能力的論述，其中郭玉英、張玉峰和姚建欣提出的物理學科能力表現理論框架，即學習理解能力、應用實踐能力和遷移創新能力等三大維度，以學生能力表現為載體，繼承國內外對物理學科能力的探索，總結出了物理學科能力的共性要素［2］。本文將根據此學科能力的理論框架進行論述。

“學習理解、應用實踐、遷移創新”這三個維度涵蓋了學生當下學習生活和應對未來社會挑戰的基本內容。根據三個能力維度的解構，學習理解能力維度可以進一步具體分解為A1 觀察記憶、A2 概括論證、A3 關聯整合；應用實踐能力維度可以進一步具體分解為B1 分析解釋、B2 推論預測、B3 綜合應用；遷移創新能力維度可以進一步具體分解為C1 直覺聯想、C2遷移與質疑、C3 構建新模型。［2］我們將以“動量”這一高中物理教學及高考命題的重點知識為例，基于物理學科能力理論這一分析工具，對近幾年高考“動量”命題與物理學科能力的一致性進行量化的對比研究，并據此提出基于三個能力維度、九個一級指標的“動量”教學策略。

一、高考物理試題與物理學科能力的一致性

基于物理學科能力的命題細目表以學科能力的九個二級指標和試題所涉及的主要知識內容為橫縱坐標建立細目表，將知識在具體學習過程中的情境對應到表格中，并據此尋找試題與內容、能力維度的一一對應關系。表1 展示的“物理學科能力與動量主題命題細目表（2017—2020 年的高考全國卷動量命題對照）”就是基于學科能力維度，將“動量”這一主題按照動量定理和動量守恒定律兩塊內容，按照不同的情境分解到表格中。通過對照2017 年—2020 年高考全國卷的動量試題，整理得出在高考命題中“動量”這一主題在三個學科能力維度、九個一級指標中的占比和覆蓋面，并據此為高中物理教學提供參考和依據。

表1 物理學科能力與動量主題命題細目表（2017——2020 年的高考全國卷動量命題對照）

根據統計，我們發現在2017 年—2020 年高考全國卷的動量試題主要涵蓋了學習理解、應用實踐這兩個維度，在遷移創新這個維度基本沒有出現。并且在九個子維度中并不均衡，大量的高考動量試題集中于觀察記憶、推論預測、綜合實踐子維度中，這體現出高考更多的考察的是關于動量最簡單的概念記憶與知識的綜合應用能力。遷移創新的維度中沒有出現對應的高考試題，以及二級子維度中沒有對應的高考試題，這可能基于高考命卷過程中對題量設置和區分度設置的考慮。“動量”的遷移創新維度確實是一個高難度的能力要求，雖然在統計的高考全國卷中沒有體現，但在非高考的試題或部分地方卷中，各個子維度我們都可以找到對應的試題，如在各省市的模擬卷出現了具體的考查維度，這在后面的教學策略中也將舉例說明。

我們將據此將基于學科能力三個維度的學生表現及其教學策略的重點放在前兩個維度，即“學習理解能力”和“應用實踐能力”的分析上。

二、培養學科能力的教學策略

（一）學習理解能力維度

1.基于“觀察記憶”的教學策略

觀察記憶根據任務的不同可以分為“觀察與信息提取”和“信息與知識對應”兩種類型。學生在記憶“動量”“沖量”等概念時存在記憶停留于表面的問題，即信息與知識沒有做到很好的對應。具體表現如“矢量性”這一知識的對應上，學生雖然知道“動量”和“沖量”是矢量，但是在應用過程中依然潛意識地將它們當作標量對待。特別是計算動量的變化量時，學生會更明顯地表現出這種問題。如某質量1kg 的小球以1m/s 的初速度撞擊墻面后以依然以1m/s 的速率反彈，則學生在計算動量變化量時往往會直接用初末速率與質量的乘積相減得出動量的變化量為零的錯誤結論。教師在教學過程中要通過盡可能多的實例和演示實驗來強化學生對矢量性的認知，并且可以通過“試錯”的方式，如設置一些學生容易產生錯誤的實例或習題，暴露出他們錯誤的“潛意識”，進而達到強化認知的教學效果。

2.基于“概括論證”的教學策略

概括論證包括“抽象概括”和“指向知識獲得的推理”兩種類型。學生理論推導“動量定理”“動量守恒定律”的公式的過程就屬于“指向知識獲得的推理”。學生的困難主要表現為用舊知識推導新規律的不熟悉，即無法建立起新舊物理量間的關聯，在論證過程中對矢量性應用不當等。教師在教學過程中應積極地發揮學生的主觀能動性，讓學生自主完成公式的論證的全過程，如果有困難教師可以給予提示性的建議，應盡可能避免教師全過程的演算式推導和自問自答式的提問式教學。為提升學生的“概括論證”能力，教師應當積極放手，通過學生上臺講解，學生間互相討論等方式，讓學生充分地參與到概括論證的學習過程中。教師還可以通過投影展示、當場批閱等方式生動展示學生在論證過程中出現的問題，以點帶面地將“概括論證”的細節、技巧、注意事項展示給所有學生，達到總體提升的教學效果。

3.基于“關聯整合”的教學策略

“關聯整合是學習理解維度中對學生最高層次的要求，可以分為‘知識關系建構’和‘核心概念整合’兩類?！保?］學生在關聯整合“動量”的各類知識時，表現出的問題是類似物理量之間的混淆和錯用。特別是在“動量”與“動能”“沖量”和“功”“動量定理”和“動能定理”“動量守恒”和“機械能守恒”等概念、規律間的迷失。具體表現為將某一物理量的特性套用在其他物理量上，如水平面上移動的物體重力不做功，但是重力有沖量，學生有時就會誤認為重力的沖量也是零。功是力對空間的積累，需要考慮力和位移的方向問題；而沖量是力對時間的積累，求沖量直接可以用力和時間的乘積。為更好地解決學生對動量“關聯整合”的學習，教師在課堂教學中可以充分采用對比教學的策略，將類似物理量和物理規律間的異同通過表格醒目的表達出來。同時，教師通過引導學生自主建立動量地思維導圖，由學生來闡述思維導圖的關聯，也是一種快速幫助學生建構知識間關聯，提升核心概念、整合效率的有效策略。

（二）應用實踐能力維度

1.基于“分析解釋”的教學策略

分析解釋可以根據任務情境分為“分析問題情境”和“解釋物理現象”兩類。學生存在的困難主要表現為不能從生活現象中提煉出物理規律，或者在提煉出物理規律后不能很好解釋現象。教師在教學過程中應多向學生展示生活中的實例，例題應該多一些生活情境的描述，不應一直選用理想化模型。比如打籃球時接球緩沖的動作和彈簧減震的例子都可以解釋“動量變化相同時力的作用時間越長作用力越小”，但是打籃球的例子更貼近學生的生活。只有選擇恰當的情境才激發學生的自主意識，進而幫助學生從物理走向生活，從生活中感受物理，為他們分析問題情境提供創造條件。在教學過程中，教師應當積極肯定并鼓勵學生的自我思考，允許他們犯錯，必要時可以對某一問題開展充分的交流和討論，有步驟地培養學生完整的物理分析和表達的能力，即從用物理術語描述生活現象，到用物理規律闡述物理量關系，最后能夠用有邏輯的分析串接整個過程。

2.基于“推論預測”的教學策略

“推論預測可以根據最終結果分為‘推理論證’和‘推理預測’兩類，兩者都是科學理論的實踐應用過程?！保?］其中推理論證與學習理解維度下“概括論證”比較類似，但二者依然有明顯的區別。“推理論證”側重于解決問題的推理能力，“概括論證”特指獲得新知識的輸入型思維過程。學生在這方面的困難主要表現為因推理過程中涉及的對象選擇、受力分析、規律應用、分析推導等都對學生有較高的要求，學生對過程分析不到位或沒能掌握推理的全過程，導致推理中斷或者推理錯誤。以“稱米問題”為例，設問自動稱米機切斷“米流”后，空中“米流”因對容器有沖擊力而對稱量的影響問題。學生要能夠以“取在極短時間Δt內，落到米堆上的一小部分米Δm 為研究對象”，通過對這一微小單元應用動量定理，推導出沖擊力大小與空中的“米流”質量相等，最后預測買賣公平的結論。一旦學生沒有選擇合適的分析對象，推理就會遇到困難。

［推理預測實例——稱米問題］“目前自動稱米機已被許多大糧店廣泛使用，但使用過程中卻遇到這樣的尷尬問題：買者認為，因米流落到容器中時有向下的沖力不劃算；賣者則認為，當預定米的質量數滿足時，自動裝置即刻切斷米流時，此刻尚有一些米仍在空中，這些米是多給賣者的，因而雙方爭執起來，究竟哪方說法對呢？用物理學原理分析空中米流的總重量恰等于米流對米堆的沖擊力，或者說磅秤的示數恰好等于磅秤上米堆和空中米流的質量和，根本不存在劃算、不劃算的問題?！保?］

圖1

因此，教師培養學生的“推理預測”能力，要注重過程的引導。幫助學生先掌握好推理的各個分步驟，即對象選擇、受力分析、規律應用、分析推導的具體過程；再幫助他們熟悉簡單問題到復雜問題的轉換和過渡，即理想化模型過渡到生活化問題，從單一對象過渡到多個物體；進而學生就能循序漸進地掌握推理分析的全過程。

3.基于“綜合應用”的教學策略

綜合應用是應用實踐維度對學生的最高能力要求，它包括“多過程的問題解決”和“多知識的綜合應用”。在高考考題中大部分的動量命題都基于對學生這種能力的考查，而學生表現出的問題主要集中在不能厘清復雜的情境和不能將物理情境轉化為物理模型上。如“2021 年1 月福建省新高考適應性考試物理試題第15 題”，此題屬于非常典型的動量和能量問題的綜合應用。第一次碰撞時，學生要熟悉“一動一靜”的彈性碰撞的模型，綜合利用動量和能量的關系求解問題。第二次、第三次碰撞就需要學生找出每次碰撞前后的物理量，再結合運動學的知識綜合求解。學生在此題的解答過程中表現出的問題有對常見模型（如“一動一靜”彈性碰撞）不熟悉，利用運動學的規律聯系多個碰撞過程有困難，對多過程的分析不夠細致等。

［2021 年1 月福建省新高考適應性考試物理試題第15 題］如圖2 所示，光滑絕緣水平桌面位于以ab、cd為邊界的勻強電場中，電場方向垂直邊界向右。兩小球A 和B 放置在水平桌面上，其位置連線與電場方向平行。兩小球質量均為m，A 帶電荷量為q（q＞0），B 不帶電。初始時小球A 距ab 邊界的距離為L，兩小球間的距離也為L。已知電場區域兩個邊界ab、cd 間的距離為10L，電場強度大小為E?，F釋放小球A，A 在電場力作用下沿直線加速運動，與小球B 發生彈性碰撞。兩小球碰撞時沒有電荷轉移，碰撞的時間極短。求：

圖2

（1）兩小球發生第一次碰撞后，B 獲得的動量大小；

（2）兩小球發生第一次碰撞后至第二次碰撞前，A、B 間的最大距離；

（3）當小球B 離開電場區域時，A 在電場中的位置。［4］

教師在教學過程中可以通過精選典型模型，并輔以同類模型的情境來加深學生對常見模型的熟悉程度。針對多次碰撞前后物理量間規律的尋找和聯系，教學過程中可以引導學生“由果溯因”，逆向分析問題，倒尋物理量的關系。教學過程中讓學生在此處多花些時間去比較已有物理量和待求物理量間的關系，自主得出結論是有意義的，教師千萬不能替代學生完成這個分析過程。多過程問題對學生能力有較高要求，學生在分析中不夠細致是正?，F象，平時教師要對學生的獨立分析的意愿以及過程中表現出的微小進步給予充分的鼓勵和肯定，讓學生產生積極的態度。

緊密聯系社會生活與科技發展，要求學生抽象出物理模型，明確其中的物理規律、物理量之間的變化，并用自己的語言進行表達。物理知識和技能的教學是培養物理核心素養的重要載體，過多挖掘非主干知識不一定有助于課程目標的實現。物理學科核心素養共有四個要素，難以在一節課上體現得面面俱到，教師應當基于物理的學科能力，整體規劃并設計好每節課的教學，關注學生每個維度的發展，促進課堂教學與高考命題的一致性。