由一道高考題的演變探討物理核心素養(yǎng)的考查

黃瑞花

(上海市奉賢區(qū)教育學(xué)院，上海 201499)

1 問題提出背景

2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對學(xué)業(yè)質(zhì)量提出了明確要求.物理學(xué)業(yè)考試水平的內(nèi)容注重考查物理學(xué)科核心素養(yǎng)物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面.而這4個(gè)方面主要包括物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀、能量觀，模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新，問題、證據(jù)、解釋、交流，科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任等15個(gè)要素.學(xué)業(yè)質(zhì)量根據(jù)問題情境的復(fù)雜程度、知識和技能的結(jié)構(gòu)化程度、思維方式或價(jià)值觀念的綜合程度等，把物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個(gè)方面又劃分為5級水平.

如何在平時(shí)的習(xí)題教學(xué)、課后作業(yè)等通過題目的選編來促進(jìn)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，以及如何在平時(shí)的階段考查和質(zhì)量調(diào)研等各類考試，通過題目的編制能檢測到物理學(xué)科核心素養(yǎng)的各個(gè)要素的水平，從而真正達(dá)成教學(xué)評的一致，值得我們研究探討.下面選取2019年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(江蘇)卷中的一題，嘗試通過題目的演變來探討物理核心素養(yǎng)的考查.

2 高考原題及其考查目標(biāo)分析

圖1

原題.(2019年江蘇卷第2題)如圖1所示，一只氣球在風(fēng)中處于靜止?fàn)顟B(tài)，風(fēng)對氣球的作用力水平向右，細(xì)繩與豎直方向的夾角為α，繩的拉力為T，則風(fēng)對氣球作用力的大小為

(C)Tsinα. (D)Tcosα.

這是一個(gè)很常規(guī)的試題，難度不大.考查內(nèi)容為物體的平衡.

圖2

預(yù)期學(xué)生解題分析過程，先閱讀題目，讀取關(guān)鍵詞“靜止”，氣球處于平衡狀態(tài)，滿足平衡條件.確定研究對象氣球，把氣球看成質(zhì)點(diǎn)，對其受力分析，受到重力G(氣球重力不計(jì)也可以，不影響答題結(jié)果)、繩子對氣球斜向下的拉力T、風(fēng)對氣球水平向右的作用力F和空氣對氣球的浮力F浮，如圖2.在水平和豎直方向建立坐標(biāo)軸，把力T分解為水平和豎直.根據(jù)平衡條件，得到F=Tsinα.正確選項(xiàng)為(C).

此題涉及了哪些物理核心素養(yǎng)要素的考查？考查的素養(yǎng)水平屬于幾級？具體分析見表1.

表1 原題考查的素養(yǎng)要素及質(zhì)量水平

此題考查涉及運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀、模型建構(gòu)和科學(xué)推理幾個(gè)要素，學(xué)業(yè)質(zhì)量水平屬于1和2，考查水平要求不高.那么，同樣這樣一個(gè)情境，通過演變能不能考查出核心素養(yǎng)的其他要素呢？

3 題目演變及其考查目標(biāo)分析

3.1 減少定量計(jì)算，注重說理開放

圖3

演變1：如圖3所示，一只氫氣球在風(fēng)中處于靜止?fàn)顟B(tài)，則氣球?qū)諝庾饔昧Φ姆较蚴窃鯓拥模繛槭裁矗?/p>

考查內(nèi)容：物體的平衡和牛頓第三定律.題目是說理題，需要文字表述.

圖4

預(yù)期學(xué)生可能思考分析解答過程.① 若氣球重力不能忽略，以氣球?yàn)檠芯繉ο?，看成質(zhì)點(diǎn)，對氣球受力分析，氣球受到重力G、繩子對氣球斜向下的拉力T和空氣對氣球的作用力F而平衡.根據(jù)平衡條件，空氣對氣球的力F分解為G和T反方向的兩個(gè)分力，可知在受力示意圖如圖4中兩虛線之間斜向上都可以(不包括邊界值).最后根據(jù)牛頓第三定律，得到氣球?qū)諝獾姆醋饔昧?，在G和T方向之間斜向下(不包括G和T方向).② 若氣球重力可以忽略，以氣球?yàn)檠芯繉ο?，看成質(zhì)點(diǎn)，對氣球受力分析，繩子對氣球斜向下的拉力T和空氣對氣球的作用力F二力平衡.根據(jù)牛頓第三定律，氣球?qū)諝獾姆醋饔昧褪茄乩K子斜向下的方向.

變化后題目沒有定量計(jì)算，由于氣球重力是否要考慮的緣故，答案可能出現(xiàn)一個(gè)范圍，也可能是一個(gè)唯一值，存在多個(gè)可能性，所以具有一定開放性.也可以以客觀題形式出現(xiàn).

此題考查仍然涉及運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀、模型建構(gòu)和科學(xué)推理幾個(gè)要素，但考查內(nèi)容有所增加，考查水平有所提升.與原題相同的考查目標(biāo)不再列出，把變化的內(nèi)容分析在表2.

表2 演變考查目標(biāo)的變化

演變2：如圖3，一只氣球在風(fēng)中處于靜止?fàn)顟B(tài)，風(fēng)對氣球的作用力水平向右.為知道風(fēng)對氣球的作用力的大小，需要知道下列哪組物理量即可.

(A) 繩子的拉力、氣球的重力.

(B) 氣球受到的浮力、氣球的重力.

(C) 氣球的重力、重力與繩子方向的夾角.

(D) 繩子的拉力、細(xì)繩與豎直方向的夾角.

圖5

考查內(nèi)容仍為物體的平衡.把題目的題干和選項(xiàng)串起來就是結(jié)論.

預(yù)期學(xué)生解題分析過程，審題還是要抓住“靜止”兩字，確定對象氣球，對其受力分析.如圖5所示，受到重力G、繩子對氣球斜向下的拉力T、風(fēng)對氣球水平向右的作用力F和空氣對氣球的浮力F浮.把力進(jìn)行合成或分解處理，設(shè)細(xì)繩與豎直方向的夾角為α，根據(jù)平衡條件，得到水平方向F=Tsinα，豎直方向F浮=Tcosα+G.確定研究方案，方案①： 根據(jù)水平方向F=Tsinα，測得繩子的拉力和細(xì)繩與豎直方向的夾角即可知道F，選項(xiàng)(D)正確.方案②： 根據(jù)豎直方向F浮=Tcosα+G，得到T=(F浮-G)/cosα,得到F=(F浮-G)sinα/cosα=(F浮-G)tanα，測得F浮、G和細(xì)繩與豎直方向的夾角α即可知道F，選項(xiàng)(B)不完整.

此題不同于原題的是，題干中沒有已知的物理量，需要學(xué)生自己思考確定方案，并根據(jù)方案確定需要測量的物理量，從而來驗(yàn)證選項(xiàng)提出的結(jié)論正確與否.

此題除了考查運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀、模型建構(gòu)幾個(gè)要素，還涉及科學(xué)思維和科學(xué)探究中其他一些要素的考查.具體分析見表3.

表3 演變2考查目標(biāo)的變化

3.2 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，注重問題解決

圖6

題目素材：真實(shí)的照片，放飛的氫氣球，氣球長度約為9 cm，未充氣時(shí)質(zhì)量約為1.1 g.鏡頭正對氣球和繩子所在的豎直面拍攝.用量程±20 N，精度0.01 N的力傳感器測得如圖6所示時(shí)的拉力為0.05 N.

演變3：如圖6，這是一個(gè)氣球在水平向右風(fēng)力作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)的照片.為測得風(fēng)對氣球的作用力的大小，選用的器材是

(A) 力傳感器，刻度尺.

(B) 壓強(qiáng)傳感器，量角器.

(C) 力傳感器，溫度計(jì).

(D) 壓強(qiáng)傳感器，溫度計(jì).

考查內(nèi)容仍為物體的平衡.題目特點(diǎn)帶有實(shí)驗(yàn)測量，器材的選擇.而器材的選擇是建立在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之后進(jìn)行選用.所以可以說是演變2后的延伸.

預(yù)期學(xué)生分析解答過程，方案設(shè)計(jì)同演變2.選擇器材力傳感器和刻度尺(或量角器).除了前面涉及考查的素養(yǎng)要素外，還涉及表4中的素養(yǎng)要素及水平.

表4 演變3考查目標(biāo)的變化

演變4：如圖6，這是一個(gè)氣球在水平向右風(fēng)力作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)的照片.用力傳感器測得了繩子的拉力為0.05 N.請根據(jù)照片，估測水平風(fēng)力的大小.

考查內(nèi)容仍為物體的平衡.題目帶有實(shí)驗(yàn)測量.與前面演變2和3不同的是，不只是涉及方案和器材的選擇，而是實(shí)驗(yàn)結(jié)論.也可以以客觀題形式出現(xiàn)，選擇風(fēng)力最接近的力大小.

預(yù)期學(xué)生分析解答過程，方案設(shè)計(jì)同演變2.利用刻度尺測出線長約為1.80 cm時(shí)，線的水平投影約為0.85 cm，得到風(fēng)力F約為0.024 N涉及到的素養(yǎng)要素及水平見表5.

表5

演變5：如圖6，這是一個(gè)氫氣球在水平向右風(fēng)力作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)的照片.測得氣球未充氣時(shí)質(zhì)量約為1.1 g，力傳感器量程±20 N，精度0.01 N.為測出風(fēng)對氣球的作用力的大小，甲、乙兩學(xué)生分別設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案.

思考過程：確定對象氣球，對其受力分析，受到重力G、繩子對氣球斜向下的拉力T、風(fēng)對氣球水平向右的作用力F和空氣對氣球的浮力F浮.

甲的方案：根據(jù)平衡條件，得到水平方向F=Tsinα.用力傳感器測量繩子的拉力T，用量角器測量細(xì)繩與豎直方向的夾角α，各1次.測得數(shù)據(jù)代入公式即得風(fēng)力.

乙的方案：根據(jù)平衡條件，得到豎直方向F浮=Tcosα+G，得到T=(F浮-G)/cosα，代入水平方向F=Tsinα，得到F=(F浮-G)sinα/cosα.可以再進(jìn)一步測量F浮、用力傳感器測量G、用量角器測量細(xì)繩與豎直方向的夾角α.

請你對甲、乙方案進(jìn)行評價(jià)，并選擇其中一個(gè)方案提出進(jìn)一步測量方案或改善之處.

考查內(nèi)容仍為物體的平衡，題目要求是對已有的方案進(jìn)行評價(jià).

答題提示：評價(jià)視角，可以從實(shí)驗(yàn)可行性、精確性等角度去思考.如果實(shí)驗(yàn)存在安全問題，還需要從安全性角度去思考.

此題除了考查相互作用觀、科學(xué)推理等素養(yǎng)要素外，還考查了如下素養(yǎng)要素，見表6.

表6

3.3 設(shè)問聯(lián)系社會，注重責(zé)任培養(yǎng)

圖7

演變6：高空氣球是一般位于平流層，高度可達(dá)40-50 km，被廣泛應(yīng)用于高能天體物理、宇宙線、紅外天文、大氣物理、大氣化學(xué)、地面遙感、微重力實(shí)驗(yàn)等方面的研究，同時(shí)也大量應(yīng)用于外層空間宇宙設(shè)備的預(yù)研和試飛以及軍事方面等.如圖7，這是一個(gè)被繩子拴住的靜止的氫氣球，繩子的另一端被手拉著.如果釋放氣球，

(1) 氣球能否成為高空氣球？為什么？請簡要解釋.

(2) 請針對釋放后的氣球另外再提出一個(gè)物理問題，并簡要解釋.

考查內(nèi)容涉及熱學(xué)、運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系、能量等.題目具有開放性，要求從物理學(xué)視角提出問題、解釋問題.

預(yù)期學(xué)生思考分析解答過程，普通氣球不能成為高空氣球.原來靜止的氣球，由于少了繩子的拉力，將向上運(yùn)動(dòng).隨著高度增大,空氣逐漸稀薄,氣壓減小,氣球內(nèi)部一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)大于外部的大氣壓，氣體體積增大，氣球膨脹爆裂.

預(yù)期學(xué)生提出的問題，釋放后氣球?qū)⒆鍪裁催\(yùn)動(dòng)？釋放后氣球的重力勢能將如何變化？釋放后氣球內(nèi)封閉氣體的壓強(qiáng)將如何變化？釋放后氣球內(nèi)氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)將如何變化？……

也可以把預(yù)期學(xué)生提出的問題作為幾個(gè)選項(xiàng)提出，然后讓學(xué)生選擇其中一項(xiàng)進(jìn)行解釋，難度降低.讓學(xué)生具有自主選擇地完成考查，增加了學(xué)生的自主性.當(dāng)然每個(gè)選項(xiàng)的難度系數(shù)可能稍有不同，如果要賦分可以對其進(jìn)行不等值賦分(在這里對其賦分及公平性問題不做探討).上述第(2)題可以變?yōu)?，請?jiān)谙铝袉栴}選項(xiàng)中只選擇一項(xiàng)回答，并簡要解釋.

(A) 釋放后氣球做什么運(yùn)動(dòng)？

(B) 釋放后封閉氣球的壓強(qiáng)將如何變化？

(C) 釋放后氣球的重力勢能將如何變化？

(D) 釋放后氣球內(nèi)氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)將如何變化?……

此題考核素養(yǎng)要素如表7所示.

上述一個(gè)高考試題經(jīng)過多個(gè)演變，同一情境涉及不同素養(yǎng)要素的考查，考查素養(yǎng)要素較全.而一個(gè)題目的選編主要取決于預(yù)想要考查的素養(yǎng)目標(biāo)，就是預(yù)想考查什么素養(yǎng)要素及水平去選編題目.

表7