優(yōu)化已知和設(shè)問方式考查學(xué)科核心素養(yǎng)

摘要：2022年高考物理福建卷壓軸題第15題以文字、圖像、圖形方式呈現(xiàn)試題信息，并在圖線中設(shè)置了3秒時的速度值這一似乎有點(diǎn)多余的題設(shè)條件.文章通過對該題設(shè)條件的由來進(jìn)行溯源，管窺命題意圖，并針對試題情境提出四點(diǎn)教學(xué)啟示.

關(guān)鍵詞：福建卷；物理壓軸題；題設(shè)數(shù)據(jù)；GeoGebra

中圖分類號：G632文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0333（2025）07-0111-05

2022年高考物理福建卷壓軸題第15題以文字、圖像、圖形方式呈現(xiàn)試題信息，要求考生能夠準(zhǔn)確理解、深度挖掘圖像信息，客觀全面地提取有效信息，發(fā)現(xiàn)圖像信息中蘊(yùn)含的物理規(guī)律和原理，運(yùn)用開放性、創(chuàng)新性的思維方式解決問題.此外，筆者關(guān)注到試題在圖線中設(shè)置了“t=3 s時，速度v=

4e m/s”似乎有點(diǎn)多余的題設(shè)條件.如此設(shè)置，意在何為？對高中物理教學(xué)有何啟示？這些問題值得一線物理教師關(guān)注，管窺命題意圖，以期為后續(xù)教學(xué)提供有意義的借鑒.

1試題呈現(xiàn)

如圖1（a），一傾角為θ的絕緣光滑斜面固定在水平地面上，其頂端與兩根相距為L的水平光滑平行金屬導(dǎo)軌相連；導(dǎo)軌處于一豎直向下的勻強(qiáng)磁場中，其末端裝有擋板M、N.兩根平行金屬棒G、H垂直導(dǎo)軌放置，G的中心用一不可伸長絕緣細(xì)繩通過輕質(zhì)定滑輪與斜面底端的物塊A相連；初始時刻繩子處于拉緊狀態(tài)并與G垂直，滑輪左側(cè)細(xì)繩與斜面平行，右側(cè)與水平面平行.從t=0 s開始，H在水平向右拉力作用下向右運(yùn)動；t=2 s時，H與擋板M、N相碰后立即被鎖定.G在t=1 s后的速度一時間圖線如圖1（b）所示，其中1～2 s段為直線.已知：磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=1 T，L=0.2 m，G、H和A的質(zhì)量均為0.2 kg，G、H的電阻均為0.1 Ω；導(dǎo)軌電阻、細(xì)繩與滑輪的摩擦力均忽略不計；H與擋板碰撞時間極短；整個運(yùn)動過程A未與滑輪相碰，兩金屬棒始終與導(dǎo)軌垂直且接觸良好：sinθ=0.25，cosθ=0.97，重力加速度大小取10 m/s2，圖1（b）中e為自然常數(shù)，4e =1.47[1].

試題共設(shè)有三個小問，本文聚焦與題設(shè)條件“v=4e m/s”密切相關(guān)的第（3）問：求在2～3 s時間段內(nèi)，棒G滑行的距離.

2題設(shè)數(shù)據(jù)“v=4e m/s”的由來

試題以v-t圖像描述金屬棒G在t=1 s后的運(yùn)動情況，既然棒G的初速度、受力情況是確定的，根據(jù)相關(guān)物理規(guī)律，結(jié)合數(shù)學(xué)方法，可獲知棒G在任一時刻的運(yùn)動狀態(tài).那么，設(shè)置“t=3 s時，速度v=4e m/s”的理論依據(jù)是什么呢？

在t=2 s時，棒H停止運(yùn)動，設(shè)此時繩子無拉力，物塊A和棒G均做減速運(yùn)動，物塊A的加速度大小aA=mgsinθm=gsinθ=2.5 m/s2.

由棒G、H組成的回路的電動勢瞬時值E1=BLv1，電流大小I1=E12R，棒G受到的安培力大小F1=BI1L，加速度大小aG=BI1Lm=B2L2v12Rm=4 m/s2，可知aAlt;aG.t =3 s時，A的速度vA=v1-aAΔt=1.5 m/s，棒G的速度v=4e m/s=1.47 m/slt;1.5 m/s.

可見，在2～3 s時間內(nèi)，連接棒G和物塊A的細(xì)繩始終無拉力，棒G在安培力作用下做電磁阻尼運(yùn)動.

對棒G，根據(jù)牛頓第二定律-B2L2v2R=mdvdt，得：-B2L22mRdt=dvv.

由不定積分-∫tt1B2L22mRdt=∫1vdv，

得：-B2L22mR（t-t1）=lnv+c1，因而，v=e-c1-B2L22mR（t-t1）.

由題意知，t=t1=2s時，v1=e-c1=4 m/s，則v

=v1e-B2L22mR（t-t1）=4e-B2L22mR（t-t1） m/s.

當(dāng)t=3 s時，v=4e-B2L22mR（t-t1） m/s=4e m/s

≈1.471 52 m/s.

可見，題設(shè)數(shù)據(jù)取“v=4e m/s”，其準(zhǔn)確性毋庸置疑.

3管窺命題意圖

3.1創(chuàng)設(shè)問題情境，體現(xiàn)素養(yǎng)導(dǎo)向

既然“v=4e m/s”可以利用相關(guān)數(shù)學(xué)知識，通過演繹推理得到，為何還要作為題設(shè)條件給出？

這是因?yàn)樯鲜鰯?shù)理分析過程已然超越了普通高中生的認(rèn)知水平.考生只需調(diào)用已有的知識儲備，靈活整合、選用合適的思想方法，結(jié)合題設(shè)數(shù)據(jù)，巧妙實(shí)施解題策略，即可創(chuàng)造性解決問題（如表1所示）.

試題的設(shè)置嚴(yán)格遵循《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中的命題建議：“抽取具有代表性的核心物理概念、規(guī)律、思想和方法等內(nèi)容設(shè)計試題；要反映物理學(xué)的知識結(jié)構(gòu)和基本規(guī)律.[2]”通過依標(biāo)施考，引導(dǎo)中學(xué)教學(xué)依標(biāo)施教[3]，利用精準(zhǔn)設(shè)置題設(shè)數(shù)據(jù)，巧妙避開繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，只需綜合動量定理和微元與積累思想方法，或聯(lián)合動量定理和平均思想，或結(jié)合動力學(xué)知識與微積分，甚至是整合動能定理和微積分等核心知識和一般通用性方法，即可解決棒G在2～3 s內(nèi)滑行的距離.誠然，僅有這些知識和方法還不足以順利解決問題，能否將新的物理問題納入已有認(rèn)知體系，根據(jù)實(shí)際問題運(yùn)用科學(xué)思維構(gòu)建合適的物理模型，整合相關(guān)概念、規(guī)律和思想方法，運(yùn)用開放性、創(chuàng)新性的思維方式形成新的解決問題的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，這是問題解決的關(guān)鍵，也是試題考查的學(xué)科素養(yǎng)內(nèi)容，體現(xiàn)了綜合性和創(chuàng)新性考查.

在2～3 s時間內(nèi)，連接棒G和物塊的細(xì)繩是否有拉力，是問題解決的突破口.要求考生具有良好的問題意識，善于思考、大膽質(zhì)疑，善用聯(lián)系、發(fā)展、矛盾的觀點(diǎn)觀察和分析問題.該設(shè)置體現(xiàn)了創(chuàng)新性和探究性的考查，承載著服務(wù)選才的功能.

3.2指向高階思維，彰顯學(xué)科本質(zhì)

基于可視化教學(xué)理論，巧借GeoGebra軟件的數(shù)形結(jié)合功能，呈現(xiàn)棒G在不同時刻的速度大小、2 s后的位移大小、v-t圖線及v-t圖線與橫軸所圍的面積（如表2）.不僅可以促進(jìn)尖優(yōu)生綜合運(yùn)用符號、圖像等語言剖析物理現(xiàn)象和物理過程的自覺，養(yǎng)成透過現(xiàn)象看本質(zhì)、深究數(shù)據(jù)背后規(guī)律的習(xí)慣，發(fā)展質(zhì)疑能力和創(chuàng)新性思維，而且可以讓更多的普通高中生了解到題設(shè)數(shù)據(jù)的來龍去脈，拓寬思維的廣度和深度.

利用GeoGebra軟件，構(gòu)建可視化的數(shù)形結(jié)合場景，既有抽象、理性的數(shù)理分析，體現(xiàn)論證過程的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，更有形象、直觀的圖像展示，將復(fù)雜的物理過程可視化.透過數(shù)與形的統(tǒng)一、抽象與形象的交融，將繁雜的實(shí)證數(shù)據(jù)分析用直觀簡明的圖像清晰反映棒G運(yùn)動的本質(zhì)特征，讓學(xué)生知其然并知其所以然，深入模型實(shí)質(zhì).

4教學(xué)啟示

實(shí)際問題解決路徑如圖2所示.學(xué)生是否具有靈活應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題的能力，主要表現(xiàn)在三個方面：一是情境轉(zhuǎn)化.能否將問題中的實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為解決問題的物理情境，這是問題解決的基礎(chǔ).二是模型建構(gòu).能否根據(jù)問題的條件和目標(biāo)，把實(shí)際問題中的對象、過程轉(zhuǎn)化為適合的對象模型、過程模型，這是問題解決的關(guān)鍵.三是新的知識組塊生成.能否重新組合已有認(rèn)知體系中的物理知識、科學(xué)思維和方法，形成新的解決問題的知識組塊，這是問題解決的核心.在教學(xué)中，要提升學(xué)生靈活運(yùn)用知識解決問題的能力，教師應(yīng)重視以下四個方面.

4.1夯實(shí)知識基礎(chǔ)，構(gòu)建知識體系

夯實(shí)知識基礎(chǔ)，不僅要理解物理概念、規(guī)律的內(nèi)涵與外延，辨析相關(guān)定理、定律之間的關(guān)系，還要深化知識間的聯(lián)系與統(tǒng)整.如解決第（3）問時，可以從動量與沖量、動力學(xué)、功與能等不同物理觀念視角切入，就是因?yàn)閯恿慷ɡ怼幽芏ɡ砼c牛頓運(yùn)動定律之間既有區(qū)別又有聯(lián)系，

它們間的聯(lián)系如圖3所示.

教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生打通知識點(diǎn)間的聯(lián)系，鏈接知識點(diǎn)形成知識面再構(gòu)建知識體系，實(shí)現(xiàn)知識間的相互交融、融會貫通，為靈活運(yùn)用知識奠定堅實(shí)基礎(chǔ).學(xué)生只有具備了扎實(shí)的知識基礎(chǔ)，重視知識學(xué)習(xí)與實(shí)踐的結(jié)合，獲得將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為物理問題的大量經(jīng)驗(yàn)，才能形成把情境與知識相關(guān)聯(lián)的意識和能力，發(fā)展從物理學(xué)視角發(fā)現(xiàn)情境中的物理問題的解題素養(yǎng).

4.2完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)，發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)

新的情境問題的解決，需要學(xué)生合理運(yùn)用科學(xué)的思維方法，有效地組織整合學(xué)科的相關(guān)知識，調(diào)動運(yùn)用學(xué)科的相關(guān)能力，高質(zhì)量地認(rèn)識問題、分析問題、解決問題[4]，即需要良好的新的知識組塊生成的能力支撐.學(xué)生具有動量定理、動能定理、動力學(xué)知識、微元與積累、微積分思想等必備知識，而最為關(guān)鍵的是是否具有靈活性、動態(tài)性、創(chuàng)新性的新的知識組塊的生成能力，利用創(chuàng)造性思維，通過有效組合，形成新的動態(tài)認(rèn)知結(jié)構(gòu)，順利解決棒G位移大小問題.教學(xué)中，“一題多解”可以讓學(xué)生從不同物理觀念視角進(jìn)行發(fā)散性思考，靈活地、創(chuàng)造性地運(yùn)用不同方法、不同知識組塊解決同一問題，實(shí)現(xiàn)同一層面的知識、能力、素養(yǎng)的橫向融會貫通，完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)，開拓思維能力，提升高階思維能力以及應(yīng)用數(shù)理結(jié)合思想方法，以形成知識骨架和思維階梯[5]；“一題多變”可以培養(yǎng)學(xué)生敏銳的洞察力，發(fā)現(xiàn)有價值的新問題，提出新設(shè)想，運(yùn)用新方法，解決新問題，實(shí)現(xiàn)不同層面的知識、能力、素養(yǎng)的縱向融會貫通，形成具有內(nèi)在邏輯聯(lián)系的整體，提升新的知識組塊的生成能力，發(fā)展學(xué)科素養(yǎng).

4.3實(shí)施“大概念”教學(xué)，發(fā)展科學(xué)思維

高考命題科學(xué)設(shè)計試題設(shè)問，優(yōu)化試題呈現(xiàn)方式，注重考查一些通用性方法[5].問題的解決需微積分思想的強(qiáng)力支撐，重在考查考生運(yùn)用微元與積累思想方法解決問題的能力.微元與積累是個跨學(xué)科大概念，是數(shù)學(xué)中的微積分思想在物理中的具體表現(xiàn)，是物理思維和數(shù)學(xué)思維高度融合的產(chǎn)物，更為靈活、更加辯證.像微元與積累這樣思維型的大概念，不僅具有強(qiáng)解釋性、可遷移性、持久性，還具有學(xué)科中心性[6]，有著“提綱挈領(lǐng)”的功能.這就要求教師在平時教學(xué)中，保證學(xué)生必備基礎(chǔ)知識的完整性和牢固性的基礎(chǔ)上，實(shí)施思維型“大概念”教學(xué)，讓學(xué)生掌握一些通用性的思想方法，訓(xùn)練思維的廣闊性和靈活性，形成解決問題的一般化思路，發(fā)展科學(xué)思維.

4.4融合信息技術(shù)手段，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

融合GeoGebra信息技術(shù)的課堂教學(xué)，可以將晦澀難懂的數(shù)理分析可視化、抽象復(fù)雜的物理過程形象化，激勵學(xué)生思維的主動性和積極性.學(xué)生透過如表2所示的數(shù)形結(jié)合可視化場景，不僅知道了“是什么”，還激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情，引發(fā)反思：設(shè)問可否設(shè)置為求在2～3.5 s時間內(nèi)，棒G滑行的距離呢？具有敏銳洞察力的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，若在2～3.5 s時間內(nèi)，細(xì)繩始終無拉力，則在t=3.5 s時，物塊A的速度vA1=v1-aAΔt1=0.25 m/s，棒G的速度vG1=0.892 52 m/s，即G的速度將大于A的速度.那么，此時細(xì)繩是否依然無拉力呢？這一發(fā)現(xiàn)，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)一步對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行加工、深入探究，從機(jī)械、被動的訓(xùn)練走向主動建構(gòu)、有效遷移.可見，GeoGebra軟件在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用和支持，可以為學(xué)生的深度學(xué)習(xí)搭建發(fā)展的平臺，拓寬認(rèn)知邊界，促進(jìn)信息素養(yǎng)的養(yǎng)成和核心素養(yǎng)的達(dá)成.

5結(jié)束語

文章通過對2022年高考物理福建卷壓軸題第15題題設(shè)條件的由來進(jìn)行溯源，管窺命題意圖，并結(jié)合試題情境提出了教學(xué)啟示，旨在促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，完善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，發(fā)展學(xué)生的關(guān)鍵能力和學(xué)科素養(yǎng).

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［責(zé)任編輯：李璟］