原始物理問題在實(shí)現(xiàn)高考“四翼”考查要求中的應(yīng)用

潘詩瑩 王笑君 周兆棠

摘? ?要：提出以原始物理問題來實(shí)現(xiàn)對(duì)素養(yǎng)的考查，特別強(qiáng)調(diào)考生在解決這類問題時(shí)，需經(jīng)歷將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為抽象物理問題的過程，通過示例說明對(duì)這一過程的考查有助于實(shí)現(xiàn)“四翼”中“應(yīng)用性”和“創(chuàng)新性”這兩項(xiàng)更高層次的要求。

關(guān)鍵詞：高考；原始物理問題；一核四層四翼；素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）5-0045-3

2018年，我國頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，從重視能力轉(zhuǎn)向重視素養(yǎng)，而素養(yǎng)是學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)所表現(xiàn)出來的綜合品質(zhì)［1］。傳統(tǒng)試題以考查學(xué)生解題能力為主，近年來的高考試題雖然也注重與實(shí)際情境的結(jié)合，但題目中的問題仍為抽象后的物理問題，缺乏讓考生經(jīng)歷從實(shí)際問題向抽象物理問題轉(zhuǎn)化的過程。本質(zhì)上這類情境考查的仍然是解決抽象物理問題時(shí)的執(zhí)行能力，不包括將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成抽象物理問題的實(shí)施能力，其對(duì)素養(yǎng)的考查難以達(dá)到《中國高考評(píng)價(jià)體系》［2］中“四翼”的更高層次的考查要求，即“應(yīng)用性”和“創(chuàng)新性”。本文借助原始物理問題的概念界定作為界限，將高考物理試題劃分為A，B兩個(gè)層次，A層次對(duì)應(yīng)“四翼”中的“基礎(chǔ)性”和“綜合性”層面，B層次對(duì)應(yīng)“四翼”中的“應(yīng)用性”和“創(chuàng)新性”層面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)考生素養(yǎng)的高層次考查。

1? ? 物理高考題的雙層次劃分

目前，大部分研究中的原始物理問題指的是“對(duì)自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理現(xiàn)象的描述”，一般不涉及已知條件，且來源于真實(shí)情境［3］，因此，原始物理問題與核心素養(yǎng)的考查十分契合。但為了體現(xiàn)學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)的綜合品質(zhì)，應(yīng)更加關(guān)注考生將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為抽象的物理問題的能力。本文對(duì)原始物理問題的定義是以“對(duì)真實(shí)情境中事實(shí)和現(xiàn)象的樸素描述”為情境，以解決實(shí)際問題為任務(wù)的物理試題。

原始物理問題的解決過程如圖1所示［3-5］。首先，需先選擇原始物理問題所指向的關(guān)鍵物理量，設(shè)置解決問題所需要用到的條件物理量，并進(jìn)一步抽象構(gòu)建模型，將原始物理問題轉(zhuǎn)化為抽象后的物理問題；再通過選取運(yùn)用物理規(guī)律并分析物理量之間的關(guān)系，從而解決問題；最后結(jié)合數(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果和對(duì)結(jié)果的分析給出實(shí)際問題的答案。對(duì)比傳統(tǒng)試題，原始物理問題最大的特點(diǎn)其實(shí)并不在實(shí)際情境，而在實(shí)際問題的設(shè)問，它使得考生必須經(jīng)歷從實(shí)際問題到抽象物理問題的轉(zhuǎn)化過程。增加了這一環(huán)節(jié)的考查，將更能體現(xiàn)出學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)的綜合品質(zhì)。

在認(rèn)知操作層面上，安德森等人在2001年對(duì)布魯納的認(rèn)知目標(biāo)分類體系做了修訂，將教育目標(biāo)劃分為“記憶”“理解”“應(yīng)用”“分析”“評(píng)價(jià)”“創(chuàng)造”六個(gè)層次，其中，“應(yīng)用”進(jìn)一步分為“執(zhí)行”和“實(shí)施”兩個(gè)層面。“執(zhí)行”是在考生較熟悉的情境中依照線索選擇步驟，即按所說的去完成解答，主要考查解題能力；而“實(shí)施”則要考生在較陌生的情境中依照自己對(duì)問題的認(rèn)知理解，按所要求的去解決問題，考查的是做事的能力。

綜上所述，本文提出將物理高考題劃分為“A層”和“B層”兩個(gè)層次。其中，A層題目為傳統(tǒng)試題，對(duì)應(yīng)于“四翼”中的“基礎(chǔ)性”與“綜合性”考查要求，以考查考生的解題能力為主，相應(yīng)的認(rèn)知操作層面依次為“記憶”“理解”“應(yīng)用（執(zhí)行）”，其中的“應(yīng)用”屬于較低層次的“執(zhí)行”，即依據(jù)情境運(yùn)用物理規(guī)律來布列方程解題。而B層題目為原始物理問題，對(duì)應(yīng)于“四翼”中的“應(yīng)用性”與“創(chuàng)新性”考查要求，主要考查考生在解決實(shí)際問題時(shí)的綜合品質(zhì)，相應(yīng)的認(rèn)知操作層面依次為“應(yīng)用（實(shí)施）”“分析”“評(píng)價(jià)”“創(chuàng)造”，其中的“應(yīng)用”屬于較高層次的“實(shí)施”，即包含方案決策與執(zhí)行。

2? ? B層試題設(shè)計(jì)示例及分析

根據(jù)《中國高考評(píng)價(jià)體系》的劃分，情境可分為學(xué)習(xí)探索情境和生活實(shí)踐情境［2］，以下分別針對(duì)這兩種情境給出B層試題的示例。

例1 在探究安培力方向時(shí)，某校高二的同學(xué)按照?qǐng)D2所提供的方式對(duì)左手定則進(jìn)行驗(yàn)證，在保證實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)線電流方向和磁極符號(hào)都是正確的前提下，他們反復(fù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，觀察到的現(xiàn)象可以用圖3所示的有代表性的三次結(jié)果來表示。接著，他們采用了更換全新的、不同型號(hào)的蹄形磁鐵、多個(gè)蹄形磁鐵并排以增大導(dǎo)線在磁場中的有效長度等方法，觀察到的現(xiàn)象還是與圖3類似。

（圖中圓點(diǎn)代表導(dǎo)體桿內(nèi)電流方向，箭頭1和力F代表按左手定則判斷的方向，箭頭2代表導(dǎo)體桿實(shí)際在蹄形磁鐵內(nèi)運(yùn)動(dòng)的方向）

（1）通過觀看他們實(shí)驗(yàn)過程的記錄圖片，歸納在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了什么現(xiàn)象？

（2）能猜想造成這些現(xiàn)象的主要原因是什么嗎？簡要表述出來。

（3）如何用最簡單的方法檢驗(yàn)?zāi)愕牟孪耄空?qǐng)簡述并用簡圖表示。

分析：在第（1）問中，試題沒有直接詢問“導(dǎo)體桿實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況與理論預(yù)測是否相同”，而是要考生自行對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析歸納和問題轉(zhuǎn)換，并得出“導(dǎo)體桿運(yùn)動(dòng)方向的理論預(yù)測與實(shí)際結(jié)果不同，導(dǎo)體桿運(yùn)動(dòng)方向與導(dǎo)體桿在磁場中所處位置有關(guān)”的結(jié)論。這一情境對(duì)于考生來說較為陌生，考生需結(jié)合已有認(rèn)知和新情境來解決問題，因此第（1）問對(duì)應(yīng)于“四翼”中的“應(yīng)用性”，認(rèn)知操作的“應(yīng)用”層面屬于“實(shí)施”。

考生在經(jīng)歷第（1）問后，進(jìn)一步思考“導(dǎo)體桿運(yùn)動(dòng)方向的理論預(yù)測與實(shí)際結(jié)果的一致性，為什么會(huì)受導(dǎo)體桿在蹄形磁鐵中所處位置的影響”，通過分析，安培力方向只與磁場和電流方向有關(guān)，而電流方向是由電池正負(fù)極決定的，是確定的，而蹄形磁鐵產(chǎn)生的卻不一定是理論上的勻強(qiáng)磁場。通過猜想和推理論證，得出“蹄形磁鐵靠近端口處，磁感線方向和分布符合蹄形磁鐵所標(biāo)注磁極的情況，而在蹄形磁鐵端口較深處可能不符合”。因此，第（2）問同樣需要考生進(jìn)行問題轉(zhuǎn)化，也對(duì)應(yīng)于“四翼”中的“應(yīng)用性”，認(rèn)知操作的“應(yīng)用”層面屬于“實(shí)施”。

而第（3）問所要求的檢驗(yàn)猜想的方法可以是多樣的，因此答案不唯一，屬于開放性題目，對(duì)應(yīng)于“四翼”中的“創(chuàng)新性”。兩種方案如下：

方案一：讓蹄形磁鐵平放在桌面上，將一個(gè)小磁針沿蹄形磁鐵的中軸線的左端緩慢移動(dòng)到右端，如果看到在靠近端口處，小磁針的指向與所標(biāo)注磁極是相符的，過了端口處不遠(yuǎn)，小磁針的指向就發(fā)生改變，最后變成與所標(biāo)注磁極相反，如圖4左圖所示，即說明猜想是正確的。

方案二：把蹄形磁鐵平放在水平木板上固定，沿蹄形磁鐵的中軸線依次排列一些小磁針，如果看到小磁針靜止后，蹄形磁鐵端口處與蹄形磁鐵深處小磁針的指向如圖4右圖所示，則猜想是正確的。

其中，方案一是命題者預(yù)設(shè)的答案，而方案二是在實(shí)際測試過程中個(gè)別學(xué)生呈現(xiàn)的答案。可見，開放試題可能會(huì)出現(xiàn)預(yù)設(shè)之外的正確答案，體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

方案一：沿中軸線移動(dòng)單個(gè)小磁針? 方案二：沿中軸線放置多個(gè)小磁針

例2 （改編自粵教版選擇性必修三第二章第一節(jié)的例題[7]）人們使用氣壓式保溫瓶時(shí)，只需按壓保溫瓶頂端，即可將水從瓶中壓出，圖5所示是氣壓式保溫瓶結(jié)構(gòu)圖。

A層試題：已知保溫瓶可盛水的體積為V1，瓶蓋下方氣室的體積為V2，出水管口到瓶中水面的高度為h，如圖6所示，水的密度為ρ，外界大氣壓強(qiáng)為p0，若瓶中只有半瓶水，希望按壓兩次就能出水，則V1和V2之比需滿足什么條件？（出水管體積忽略不計(jì)，上下兩部分氣體可近似看作溫度相同）

B層試題：若保溫瓶中只有半瓶水，希望按壓兩次就能出水，需滿足什么條件？

分析 對(duì)于B層試題，考生首先要將“需滿足什么條件”的問題轉(zhuǎn)換為“什么時(shí)候瓶內(nèi)氣體的壓強(qiáng)大于等于大氣壓強(qiáng)和液體壓強(qiáng)之和”。在進(jìn)行完問題轉(zhuǎn)換后，考生需選擇分析問題的關(guān)鍵物理量，既可以選擇從保溫瓶容積和瓶蓋下方氣室體積之比進(jìn)行回答，也可以從出水口到瓶中的高度h所需滿足的條件進(jìn)行回答。之后，考生需對(duì)物理情境進(jìn)行抽象并建立模型。首先，氣室中氣體溫度與保溫瓶中氣體溫度需要近似看成相等，否則系統(tǒng)就不是處在平衡態(tài)，而這種近似成立的前提是氣室中氣體的質(zhì)量遠(yuǎn)小于保溫瓶中氣體的質(zhì)量；其次，按壓的過程可以視為等溫過程，也可以忽略與外界熱量的交換，視為絕熱過程；最后，再根據(jù)問題情境和所構(gòu)建的模型自行設(shè)置相應(yīng)的物理量，之后的問題解決過程與A層試題無太大差異，但不同的模型建構(gòu)有可能導(dǎo)致最終不同的結(jié)論。可見，此題具有一定的開放性，對(duì)應(yīng)于“四翼”中的“創(chuàng)新性”。

3? ? 結(jié)束語

高考要突出素養(yǎng)，可將實(shí)際情境作為考查載體，但要真正實(shí)現(xiàn)從考能力轉(zhuǎn)向考素養(yǎng)，則不僅需要實(shí)際情境，更要從傳統(tǒng)試題中所呈現(xiàn)的抽象后的物理問題，轉(zhuǎn)向呈現(xiàn)實(shí)際問題，即將認(rèn)知操作水平從單純的“執(zhí)行”轉(zhuǎn)向“實(shí)施”。此外，可以適當(dāng)考慮通過問題的開放性來滿足“四翼”中的“創(chuàng)新性”考查要求。誠然，作為高考題還需要考慮題目結(jié)構(gòu)的完整性。但盡管如此，原始物理問題仍不失作為突破傳統(tǒng)試題的局限性的一種嘗試，為“四翼”中“應(yīng)用性”和“創(chuàng)新性”這兩個(gè)更高層次考查要求的實(shí)現(xiàn)另辟蹊徑。

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（欄目編輯? ? 陳? ?潔）