高考試題銜接課程標(biāo)準(zhǔn),核心素養(yǎng)考查落地生根
——以北京卷高考第20題解析為例看“科學(xué)思維”角度的素養(yǎng)考查

劉 芳 孫德峰

(1.北京市教育學(xué)院豐臺分院，北京 100073; 2.北京市第十二中學(xué)，北京 100071)

2018年1月16日,教育部正式發(fā)布了2017版普通高中課程方案和14門課程標(biāo)準(zhǔn)．新頒布的課標(biāo)中關(guān)于學(xué)科核心素養(yǎng)以及學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提出,為高考以及高中學(xué)業(yè)水平等級性考試提出了新的要求．按照教育部的規(guī)劃,修訂后的課程方案和課標(biāo)將于2018年秋季正式投入使用,因此以新課標(biāo)為指導(dǎo)思想和理論依據(jù)的學(xué)業(yè)等級考試將在2021年正式落地．但在2018年6月8日落下帷幕的全國各地高考試題中,不難發(fā)現(xiàn)各地各科高考試題的考查中都在“穩(wěn)中求新”的基礎(chǔ)上嘗試和探索新版課標(biāo)中提出的核心素養(yǎng)的考查．

2017版的新版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中凝練出物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包含4個方面:物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．其中物理觀念包含物質(zhì)觀、運動與相互作用觀、能量觀等要素;科學(xué)思維包含模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素;科學(xué)探究包含問題、證據(jù)、解釋、交流等要素;科學(xué)態(tài)度與責(zé)任包含科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任等要素．筆者將從北京卷第20題的分析和解讀出發(fā),淺談本題是如何考查學(xué)生“科學(xué)思維”這一方面的核心素養(yǎng),以圖激發(fā)所有一線物理教師思考如何在教學(xué)實踐過程中通過落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提高學(xué)生的核心素養(yǎng),為學(xué)生終身發(fā)展,應(yīng)對現(xiàn)代未來的挑戰(zhàn)打下良好的基礎(chǔ)．

請看2018年北京高考第20題.

根據(jù)高中所學(xué)知識可知,做自由落體運動的小球,將落在正下方位置．但實際上,赤道上方200m處無初速下落的小球?qū)⒙湓谡路轿恢闷珫|約6cm處．這一現(xiàn)象可解釋為,除重力外,由于地球自轉(zhuǎn),下落過程小球還受到一個水平向東的“力”,該“力”與豎直方向的速度大小成正比．現(xiàn)將小球從赤道地面豎直上拋,考慮對稱性,上升過程該“力”水平向西,則小球

(A) 到最高點時,水平方向的加速度和速度均為0.

(B) 到最高點時,水平方向的加速度和速度均不為0.

(C) 落地點在拋出點東側(cè).

(D) 落地點在拋出點西側(cè).

雖然高考閱卷還沒有開始,但根據(jù)筆者多年來一線教學(xué)以及高考備考經(jīng)驗,本題中(A)、(B)兩個選項的選擇人數(shù)將占很大比例．縱觀全卷,本題將是除去第24題以外整卷中最有篩選能力的題目之一．本題從能力立意的角度著重考查學(xué)生的理解能力、推理能力以及應(yīng)用能力．而從核心素養(yǎng)的角度出發(fā),本題著重考查了對科學(xué)思維這一方面的核心素養(yǎng)．

本題的問題情境取材于生活中的實際問題“落體偏東”．大多數(shù)學(xué)生對于這一生活現(xiàn)象幾乎沒有任何的實際經(jīng)驗．因此本題中的問題情境來說對于學(xué)生來說是幾乎完全陌生的新情境．能在新情境中對綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理,獲得正確結(jié)論并做出合理解釋是新課標(biāo)中學(xué)業(yè)質(zhì)量等級5對“科學(xué)思維”素養(yǎng)的要求．

對于學(xué)生來說非常新穎的問題情境成為學(xué)生解答這一題目的首要障礙．學(xué)生需要將這樣的問題情境與高中物理學(xué)習(xí)中或者生活中常見的問題情境做類比,建構(gòu)在類似情境中的運動模型來解決問題,這恰好是“科學(xué)思維”這一核心素養(yǎng)的第一要素:模型建構(gòu)．通過審題,學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)題目中的關(guān)鍵字“豎直方向”、“水平方向”,聯(lián)想到生活中和物理學(xué)習(xí)中都經(jīng)常出現(xiàn)的平拋運動,學(xué)生將嘗試建立一個類似平拋運動的模型來解決問題．

建立起運動模型之后,我們需要利用這個模型來對題目中的問題進(jìn)行綜合的分析．這也是“科學(xué)思維”素養(yǎng)的第二個要素——科學(xué)推理．新課標(biāo)中對于高中物理的課程目標(biāo)定義為促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成與發(fā)展．新課標(biāo)的課程目標(biāo)中明確指出學(xué)生要讓能運用科學(xué)思維方法從定性和定量兩個角度對問題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論．

在研究平拋物體的運動時,學(xué)生發(fā)現(xiàn)“運動的合成與分解”的思想可以將研究對象從復(fù)雜的曲線運動轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚闹本€運動．學(xué)生通過類比遷移的科學(xué)方法將“運動的合成與分解”的思想運用到本題中,就可以通過綜合分析得出結(jié)論．科學(xué)推理過程如下.

我們假設(shè)物體以初速度v0從赤道上地面豎直上拋．上升過程物體受力情況如圖1甲所示,下落過程如圖1乙所示．

圖1

根據(jù)運動的合成與分解中運動的獨立性原理,物體在豎直方向上初速度和受力決定物體在豎直方向的運動．由圖可知,物體在豎直方向具有初速度且只受重力,因此我們可以做出判斷,物體在豎直方向做豎直上拋運動．

上升過程物體豎直方向的速度滿足

vy=v0-gt，

(1)

當(dāng)vy=0時,物體上升到最高點．

再根據(jù)題意,物體在水平方向上受到的力與豎直方向的速度大小成正比,即

Fx=kvy.

(2)

根據(jù)牛頓第二定律Fx=max,因此t=0時刻,a=kv0/m.

物體具有水平方向的加速度,物體做加速運動．因為豎直方向上物體運動的速度減小,所以水平方向上物體運動的加速度在不斷減小,但物體依然做加速運動,物體上升到最高點時,vy=0時,所以Fx=0．可得到達(dá)最高點時物體水平方向的加速度為0,速度達(dá)到最大值．因此選項(A)、(B)都是錯誤的．

圖2

豎直上拋運動的下降過程和上升過程關(guān)于最高點是對稱的,即在同一高度上,物體在豎直方向的速度大小相等,方向相反．物體運動到同一高度時,上升過程和下降過程水平方向加速度大小相等方向相反．物體在水平方向上運動的vx-t圖像如圖2所示,由圖可知,從拋出到落地的整個運動過程中物體在水平方向上沒有改變運動方向,因此物體在落地時應(yīng)當(dāng)落在拋出點西側(cè)．從而得出本題的正確選項為(D)．

以上為建構(gòu)模型之后進(jìn)行定性分析角度的科學(xué)推理過程．那么本題能否定量地計算出物體上升到最高點時水平方向的最大速度,以及落回拋出點的側(cè)移呢?我們可以利用普通物理中的知識以及高等數(shù)學(xué)的積分思想,對題目中的構(gòu)建的運動模型進(jìn)行定量的科學(xué)推理．以下為推理過程:

普通物理中我們學(xué)習(xí)到使物體發(fā)生“落體偏東”現(xiàn)象的力為地球自轉(zhuǎn)的科里奧利力．

上升過程

dvx=axdt，

可得vx=2ωv0t-ωgt2.

物體在豎直方向做豎直上拋運動,

因此有

可得vm=2ωh.

通過前面的v-t圖像可知物體在上升過程和下落過程中水平方向側(cè)移相同．為了簡化計算過程,我們選擇到達(dá)最高點后的自由落體為研究過程,來進(jìn)行側(cè)移量的定量計算．由方程(3)和(4)聯(lián)立可知ax=2ωvy.

對于自由落體運動vy=gt.

由dvx=axdt得

由 dx=vxdt得

在建構(gòu)模型進(jìn)行科學(xué)推理和論證的過程中,我們不僅產(chǎn)生了這樣的疑問:運動的合成與分解的思想中我們曾經(jīng)提到“獨立性原理”:即兩個分運動是彼此獨立,不產(chǎn)生相互影響的．本題中顯然物體在豎直方向的運動影響了物體在水平方向的運動,這看上去與“獨立性原理”的描述是矛盾的．顯然,意識到這一點恰好讓我們看到了對科學(xué)思維的第四個要素的考查:質(zhì)疑創(chuàng)新．顯而易見,我們構(gòu)建的模型中,兩個方向上的運動確實不滿足獨立性原理,那么“獨立性原理”描述的研究對象到底是誰呢?我們繼續(xù)對問題進(jìn)行深入思考,不難發(fā)現(xiàn),“獨立性原理”的描述對象其實應(yīng)該是力,而不是運動．物體在某個方向上的受力決定了物體在此方向上的運動,換句話說也就是說一個力是獨立作用在物體上還是和其他力一起作用在物體上,對物體產(chǎn)生的加速度的貢獻(xiàn)是等效的．這才是“獨立性原理”的本質(zhì)．回顧高中物理中的問題情境,不難發(fā)現(xiàn),本題中的運動情境與多方向洛倫茲力作用在粒子上情境也有異曲同工之妙．

重新回顧一下本題對“科學(xué)思維”的素養(yǎng)考查,我們還可以發(fā)現(xiàn)本題同時滲透了對物理觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的素養(yǎng)考查:學(xué)生在建構(gòu)模型、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新的過程中對運動和相互作用觀念將有著更加深刻感悟和認(rèn)知;與此同時,題目中的情境更加貼近實際,題目中的模型如何在生活生產(chǎn)中加以運用等等都為提升學(xué)生在科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的素養(yǎng)激發(fā)興趣、創(chuàng)造動機．

縱觀全國各地的高考試卷,不難發(fā)現(xiàn),新課標(biāo)背景下的高考改革雖然沒有正式啟動,但各地都在為課標(biāo)的落地以及課標(biāo)與高考的銜接未雨綢繆．核心素養(yǎng)背景下的學(xué)業(yè)等級考試與2021年之前高考試題的命制如何做到自然、平穩(wěn)過渡,將是高考命制專家努力實現(xiàn)的短期目標(biāo)．而作為一線教師的我們,如何在課堂教學(xué)中落實新課標(biāo)提倡的課程理念,尋找到提升學(xué)科核心素養(yǎng)和學(xué)生核心素養(yǎng)有效路徑,將是下一階段所有同仁的首要任務(wù)和研究課題．