評價物理觀念的高考試題剖析與應對策略

浙江 劉銀奎

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱新課標)在命題建議中指出：“試題應有明確的測試目標。試題的立意要明確，要清楚地指向物理學科核心素養某個或多個方面，盡量明確到對具體要素的測試。”本文對2021年全國各地高考試卷中評價物理觀念的試題進行深度剖析，總結出可以借鑒的命題規律與應對策略。

1 物理觀念的深度理解

1.1 物理觀念的內涵

新課標中關于“物理觀念”的說明有以下三句話：“‘物理觀念’是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識；是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。”新課標研制組專家黃恕伯老師對這三句話做了深入的解讀：第一個分句告訴我們物理觀念是一種基本認識；第二個分句告訴我們物理觀念不是概念和規律的簡單堆砌，而是把所學的概念和規律組合成富有邏輯的合理的知識結構；第三個分句告訴我們物理觀念還是解釋自然現象和解決實際問題的基礎。很顯然，掌握基本認識、構建知識結構只是物理觀念形成的初步，而解釋自然現象、解決實際問題才是物理觀念的課程目標。

1.2 物理觀念包含的素養要素分析

“物理觀念”包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念三個要素，可以看出，這三個要素的分類是按照知識層面進行的，而“科學思維、科學探究、科學態度與責任”的要素分類是按照素養要素進行的，如：科學探究就分為“問題、證據、解釋、交流”等四個素養要素。顯然物理觀念的分類方法與其他三個方面是不同的。

要真正有效地落實物理觀念目標，教學中還需要從素養層面上認識物理觀念的要素。黃恕伯老師認為，從素養層面上看，物理觀念應包括“形成觀念”和“解決問題”兩個要素。原因有以下兩個：第一，新課標的第一條就是“形成物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等，能用其解釋自然現象和解決問題。”第二，在新課標的物理觀念五級水平劃分表中，每級水平的描述中均包括“形成觀念”和“解決問題”兩個要素，如下表所示。

物理觀念五級水平劃分

基于以上分析，我們就可以用如圖1所示的框架結構來表示物理學科核心素養，它包括4個方面素養和13個素養要素。

圖1 物理學科核心素養結構圖

2 評價物理觀念的高考試題剖析

由前面的分析可知，從素養層面來看，物理觀念包括了“形成觀念”和“解決問題”兩個素養要素。下面就從這兩個方面對2021年的高考試題進行分析，探究評價物理觀念的命題規律。

2.1 評價學生的物理知識結構是否完善

要評價學生物理觀念的形成情況，實際上就是評價學生頭腦中的物理知識的結構是否完善，即學生能否把所學的概念和規律組合成富有邏輯的合理結構，使其成為解決實際問題的關鍵視角和分析物理問題的思維指南。

2.1.1 評價學生小范圍內知識結構是否完善

【例1】(2021年6月浙江省普通高校招生選考科目考試第4題)2021年5月15日，天問一號著陸器在成功著陸火星表面的過程中，經大氣層290 s的減速，速度從4.9×103m/s減為4.6×102m/s；打開降落傘后，經過90 s速度進一步減為1.0×102m/s；與降落傘分離，打開發動機減速后處于懸停狀態；經過對著陸點的探測后平穩著陸。若打開降落傘至分離前的運動可視為豎直向下運動，則著陸器

(B)

圖2

A.打開降落傘前，只受到氣體阻力的作用

B.打開降落傘至分離前，受到的合力方向豎直向上

C.打開降落傘至分離前，只受到浮力和氣體阻力的作用

D.懸停狀態中，發動機噴火的反作用力與氣體阻力是平衡力

【試題說明】本題是考查受力分析的一道簡單題，是針對小范圍內的知識結構的考查，旨在評價學生對著陸器在火星表面降落過程中受力分析是否清晰，尤其是對著陸器處在不同狀態對應不同受力情況能否區分。

【素養要素】(僅針對物理觀念素養，下同)著陸器是否受到重力、大氣阻力、大氣浮力的判斷，合力、反作用力、平衡力等概念的理解，受力分析、力的合成的應用。考查學生力的概念與受力分析的局部知識結構是否完善，運動與相互作用觀念是否已初步形成。

【學業質量】水平2：形成初步的物理觀念。

2.1.2 評價學生大范圍內知識結構是否完善

【例2】(山東省2021年普通高中學業水平等級考試第8題)迷你系繩衛星在地球赤道正上方的電離層中，沿圓形軌道繞地飛行。系繩衛星由兩子衛星組成，它們之間的導體繩沿地球半徑方向，如圖3所示。在電池和感應電動勢的共同作用下，導體繩中形成指向地心的電流，等效總電阻為r。導體繩所受的安培力克服大小為f的環境阻力，可使衛星保持在原軌道上。已知衛星離地平均高度為H，導體繩長為L(L?H)，地球半徑為R，質量為M，軌道處磁感應強度大小為B，方向垂直于赤道平面。忽略地球自轉的影響。據此可得，電池電動勢為

圖3

(B)

【試題說明】本題是把萬有引力定律與電磁感應等知識綜合起來的一道中等難度試題，旨在評價學生對力、電綜合知識的掌握與運用能力，是針對力學與電磁學大范圍內的知識結構的考查。

【素養要素】萬有引力定律、電磁感應定律、閉合電路歐姆定律、安培力公式、左手定則、右手定則、二力平衡等要素，考查學生的大范圍內搭建物理知識結構是否完善，運動與相互作用觀念是否已經形成。

【學業質量】水平4：具有清晰、系統的物理觀念。

2.2 評價學生是否會用物理觀念解釋自然現象和解決實際問題

物理觀念既包括重要的物理概念、物理規律，同時，也包括在概念和規律基礎上提煉出的觀點；但無論是基本認識還是升華后的觀點，它們共同的目標均指向解釋自然現象和解決實際問題。

2.2.1 評價學生是否會從物理學的視角解釋現象

【例3】(2021年廣東省普通高中學業水平選擇性考試第3題)唐代《耒耜經》記載了曲轅犁相對直轅犁的優勢之一是起土省力，設牛用大小相等的拉力F通過耕索分別拉兩種犁，F與豎直方向的夾角分別為α和β，α<β，如圖4所示，忽略耕索質量，耕地過程中，下列說法正確的是

圖4

(B)

A.耕索對曲轅犁拉力的水平分力比對直轅犁的大

B.耕索對曲轅犁拉力的豎直分力比對直轅犁的大

C.曲轅犁勻速前進時，耕索對犁的拉力小于犁對耕索的拉力

D.直轅犁加速前進時，耕索對犁的拉力大于犁對耕索的拉力

【試題說明】本題選取了我國古代曲轅犁相較直轅犁的優勢對比情境，旨在評價學生能否應用學過的物理知識來分析和解釋曲轅犁起土省力的原因。

【素養要素】受力分析、力的分解、牛頓第三定律。考查學生能否從物理學的視角解釋一些生活現象。

【學業質量】水平2：能從物理學視角解釋一些生活或生產中的現象。

2.2.2 評價學生能否用物理知識解決問題

【例4】(2021年1月浙江省普通高校招生選考科目考試第15題)為了提高松樹上松果的采摘率和工作效率，工程技術人員利用松果的慣性發明了用打擊桿、振動器使松果落下的兩種裝置，如圖5所示。則

甲

(AD)

A.針對不同樹木，落果效果最好的振動頻率可能不同

B.隨著振動器頻率的增加，樹干振動的幅度一定增大

C.打擊桿對不同粗細樹干打擊結束后，樹干的振動頻率相同

D.穩定后，不同粗細樹干的振動頻率始終與振動器的振動頻率相同

【試題說明】本題以利用共振原理來提高松樹上松果的采摘率和工作效率為背景，旨在評價學生能否運用學過的物理知識來解決具體問題，體現學以致用、聯系實際、關注STSE的物理學科特點。

【素養要素】受迫振動、自由振動、共振現象、共振條件、慣性概念、生活常識等，考查學生能否應用物理知識解決實際問題，考查“運動與相互作用觀念”是否已經形成。

【學業質量】水平3：能應用物理知識解決實際問題。

3 應對策略

從上面列舉的四個例題可以看出，2021年評價物理觀念的高考題大多從“形成觀念”和“解決問題”這兩個要素來命制題目。因此，我們的課堂教學首要任務是促進學生物理觀念的形成；在這個基礎上，引導學生進行問題解決的訓練，最終提升學生物理觀念素養。

3.1 優化知識結構，形成物理觀念

高中物理課程的學習，不是知識的堆砌，而是要讓學生構建一個優化的知識系統結構。教師在幫助學生習得大量的物理知識之后，還要不失時機地引導學生進行知識結構優化，形成知識網絡，從而使學生形成清晰、系統的物理觀念。

學生學習完牛頓運動定律之后，教師要引導學生畫出力與運動的知識結構圖，教師可以綜合多個學生的作品，然后匯總成一張優化的結構圖，如圖6所示，用一條中軸線把重點知識塊串起來，兩邊再聯結上知識細節部分，從而把相關知識連成一棵“知識樹”。又如，必修2的第八章“機械能守恒定律”是形成能量觀念的重要章節，章內概念繁雜、規律眾多，學生難以掌握，如果能引導學生建立如圖7所示的結構優化圖，那就事半功倍了。這個結構圖把四個概念(功、功率、動能、勢能)、兩條規律(動能定理、機械能守恒定律)、一個綜合關系(功能關系)梳理得清晰明白，把相關的知識結成一張“知識網”。通過優化知識結構，學生實現“腦中有結構”，夯實學科基礎，形成物理觀念，奠定“解決問題”的基礎。

圖6 力與運動知識結構圖

圖7 機械能知識結構圖

3.2 重視情境創設，訓練問題解決

新課程標準提出的第二條教學建議：“在教學設計和教學實施過程中重視情境的創設”，并指出“創設情境進行教學，對培養學生的物理核心素養具有關鍵作用。”若把物理知識比喻成“鹽”，則教師創設的情境就是“湯”，鹽只有溶于湯才好入口，知識只有融入情境才好理解和消化。例如在訓練求解星球的質量問題時，可以采用以下兩個題目：

【例5】宇航員在月球表面上用一彈簧秤稱質量為m的物體時的讀數為F，設引力常量為G，月球半徑為R，則月球的質量為

(A)

【例6】如圖8所示，2013年12月14日21時許，嫦娥三號攜帶玉兔探測車在月球虹灣成功軟著陸。在實施軟著陸過程中，嫦娥三號離月面4米高時最后一次懸停，確認著陸點。已知總質量為m的嫦娥三號在最后一次懸停時，發動機對其提供的推力為F，引力常量為G，月球半徑為R，則月球的質量為

圖8

(A)

4 結束語

在新課標的指引下，一線教師要充分理解物理觀念的內涵與外延，在教學中注重學生知識結構的形成，要有意識地以試題為載體去引導學生形成物理觀念。同時還要注重真實情境的創設，讓學生在豐富的情境中訓練問題的解決、提煉物理概念和規律，最終形成物理觀念。