法國(guó)中學(xué)對(duì)物理學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)和考查

王建飛

[摘? ?要]物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。在教學(xué)中落實(shí)好學(xué)科核心素養(yǎng)是進(jìn)行素質(zhì)教育的關(guān)鍵。文章從一道法國(guó)物理高考題出發(fā)，結(jié)合作者在法國(guó)的教學(xué)實(shí)踐，分析法國(guó)是如何培養(yǎng)和考查學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的。

[關(guān)鍵詞]法國(guó);中學(xué);物理學(xué)科素養(yǎng)

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? ?A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）20-0040-03

一、背景

2017年教育部頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，新標(biāo)準(zhǔn)凝練了學(xué)科核心素養(yǎng)，物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。而法國(guó)教育部在2010年頒布了“面向2010年的新高中”方案。法國(guó)的課程標(biāo)準(zhǔn)也強(qiáng)調(diào)了科學(xué)文化素養(yǎng)的培養(yǎng)。 本文就從一道法國(guó)物理高考題出發(fā)，分析法國(guó)對(duì)科學(xué)文化素養(yǎng)的培養(yǎng)與考查。

本文選取的題目是法國(guó)2018年“業(yè)士考試”物理-化學(xué)必修課程卷的第二題。法國(guó)的業(yè)士考試（BACCALAUR?AT，簡(jiǎn)稱BAC）分為普通業(yè)士考試、職業(yè)業(yè)士考試和技術(shù)業(yè)士考試。文中的題目選自普通業(yè)士考試的理科序列（s系列），法國(guó)本土版（metropole）必考試卷（obligatoire），這是最多考生參加的考試，更具有代表性。業(yè)士考試既是高中的結(jié)業(yè)考試，也是申請(qǐng)普通大學(xué)的重要參考，相對(duì)而言，題目還是比較基礎(chǔ)的。

這個(gè)試卷包含物理和化學(xué)兩個(gè)學(xué)科，共3道題，滿分20分，考試時(shí)長(zhǎng)3個(gè)半小時(shí)，第二題滿分11分，相當(dāng)于百分制的55分。如果簡(jiǎn)單按照分值來(lái)分配時(shí)間，大概要在2小時(shí)內(nèi)完成此題。

二、考題與標(biāo)準(zhǔn)答案

【考題】（排球接發(fā)球）

在排球運(yùn)動(dòng)中，扣球、發(fā)球是一類很常見(jiàn)也很實(shí)用的技術(shù)，如圖1所示。發(fā)球人應(yīng)該站在場(chǎng)地邊界的后面，把球高高拋起，短距離助跑，然后跳起擊球。假定助跑之后，發(fā)球員跳起擊球的點(diǎn)在點(diǎn)[B0]，擊球點(diǎn)離地面高度為[h]，[h]是從球的中心到地面的距離。球的初始速度向量[v0]為水平方向，擊球點(diǎn)[B0]垂足正落在邊界線上，如圖2所示。

在慣性參考系下研究球的運(yùn)動(dòng)，建立坐標(biāo)系x[O]y，擊球的瞬間視為初始時(shí)間[t=0 s]，球的運(yùn)動(dòng)在[xOy]平面內(nèi)。

圖2 排球場(chǎng)的尺寸和擊球點(diǎn)位置示意圖

本題研究發(fā)球的初始速度以及對(duì)方球員接發(fā)球的情況。研究球心的運(yùn)動(dòng)，不計(jì)空氣阻力，不考慮球的自轉(zhuǎn)和變形。

已知：排球的質(zhì)量[m=260 g]，半徑[r=10 cm];重力加速度為[g=9.81 m·s-2];光在真空中和空氣中的速度c一致，假設(shè)考生已知;電磁波的分布如圖3所示。

圖3

問(wèn)題1. 測(cè)量球的初始速度。

為了評(píng)價(jià)發(fā)球的好壞，我們用便攜式雷達(dá)測(cè)速儀（如圖4）測(cè)量球的初始速度[v0]。我們把測(cè)速儀對(duì)準(zhǔn)擊球點(diǎn)[B0]，測(cè)速儀發(fā)出的高頻電磁波的頻率為[3.47×1010 Hz]，測(cè)量發(fā)出的電磁波和運(yùn)動(dòng)物體反射的波之間的頻率差。

1.通過(guò)計(jì)算辨別發(fā)射的電磁波是哪類電磁波？

2.雷達(dá)測(cè)速儀發(fā)射和回收波的頻率不同，說(shuō)出這種現(xiàn)象的名字？

3.測(cè)速儀是向著發(fā)球人方向，瞄準(zhǔn)球的?；厥盏牟ǖ念l率是高于還是低于發(fā)射波的頻率？說(shuō)明結(jié)論。

4.在和第3小問(wèn)相同的測(cè)量條件下，發(fā)射頻率[f發(fā)射]和回收頻率[f回收]之間的差為[Δ f]，滿足下列關(guān)系：

[Δf=f回收-f發(fā)射=2v0·f發(fā)射c]

測(cè)速儀測(cè)出的頻率差[Δ f]是4.86 kHz，推斷出球的速度。這個(gè)值和圖示中測(cè)速儀屏幕上顯示的數(shù)字相比較是否一致，分析原因。

問(wèn)題2.評(píng)價(jià)發(fā)球的有效性。

從[B0]點(diǎn)發(fā)球，初速度是[v0=21.0 m·s-1]。發(fā)球員要使球越過(guò)網(wǎng)（不觸碰網(wǎng)），并且落在對(duì)方的界內(nèi)。

1.忽略空氣阻力，證明擊球后球心的加速度為：[ax（t）=0]，[ay（t）=-g]。

2.建立球心的運(yùn)動(dòng)方程為：[x（t）=v0t]，[y（t）=-12gt2+h]，并且推導(dǎo)出球心運(yùn)動(dòng)軌跡方程：[y（x）=-g2v20x2+h]。

3.假設(shè)球越過(guò)網(wǎng)，驗(yàn)證球是否落在邊線之內(nèi)。

4.為了求出球碰地時(shí)刻的速度，我們要進(jìn)行能量的分析。選取[y=0 m]的位置為重力勢(shì)能的基準(zhǔn)面。

（1）球在運(yùn)動(dòng)軌跡上的任意點(diǎn)，動(dòng)能記為[Ec]，重力勢(shì)能記為[Epp]，機(jī)械能記為[Em]。

（2）圖5顯示了上述三種能量隨時(shí)間變化的曲線，請(qǐng)指出每條曲線對(duì)應(yīng)什么能？說(shuō)明理由。

圖5球的能量隨時(shí)間的變化曲線

（3） 借助上述的能量分析，求出球觸地時(shí)，球心的速度[v地]。

5.實(shí)際上，球落地時(shí)的速度要比第3小問(wèn)中求出的速度小。請(qǐng)解釋原因。

問(wèn)題3.對(duì)方球員的回球。

圖6 回球

當(dāng)發(fā)球員擊球的時(shí)候（[t=0 s]），對(duì)方一個(gè)球員在底線位置，他向前跑并用小臂回球，如圖6所示。球和球員的小臂接觸點(diǎn)在R，R距離地面80 cm。

我們依據(jù)在問(wèn)題2的第2小問(wèn)里建立的運(yùn)動(dòng)方程，評(píng)估這個(gè)接球員從底線位置跑到接球位置的最小平均移動(dòng)速度。評(píng)價(jià)一下這個(gè)速度看起來(lái)能否實(shí)現(xiàn)。

【標(biāo)準(zhǔn)答案】

問(wèn)題1的答案

1.雷達(dá)測(cè)速儀的發(fā)射頻率[f=3.47×1010 Hz]。根據(jù)[λ=cf]，[λ=3.0×1083.47×1010=8.65×10-3（m）]，根據(jù)題中給出的波長(zhǎng)范圍，發(fā)射波是微波。

2.發(fā)射波和反射波頻率不同的現(xiàn)象叫作“多普勒效應(yīng)”。

3.當(dāng)球接近測(cè)速儀的過(guò)程中，接收波的頻率會(huì)比發(fā)射波的頻率高，因?yàn)榍虻倪\(yùn)動(dòng)方向和波的傳播方向相同。

4.根據(jù)距離和頻率的關(guān)系可以求出球的速度：

[Δf=f回收-f發(fā)射=2v0·f發(fā)射c] 推出[v0=Δf×c2f發(fā)射]

[v0=4.86×103×3.0×1082×3.47×1010=21.0（m·s-1）]。

所以球的速度是[v0=21.0? m·s-1=75.6? km·h-1]。這個(gè)速度很接近測(cè)速儀屏幕上顯示的數(shù)字。

問(wèn)題2的答案

命名[μx]和[μy]是直角坐標(biāo)系下的單位向量。

參考系：慣性參考系

系統(tǒng)：質(zhì)量為m的球

受力分析：重力 [mg=-mg μy]

忽略摩擦力

1.根據(jù)牛頓第二定律：[mg=ma]，在直角坐標(biāo)系下，[ax（t）=0ay（t）=-g]

2.對(duì)方程[ax（t）=0ay（t）=-g] 進(jìn)行積分得到：[vx（t）=vx（0）=v0vy（t）=-gt+vy（0）=-gt]

再進(jìn)行一次積分得到：[x（t）=v0ty（t）=-12gt2+h]

解方程可得：[y（x）=-g2v20x2+h]

3.已知球?qū)⑴龅降拙€。當(dāng)球碰到地面的時(shí)候，[y（x）=0]，我們求[y（x）=0]時(shí)，x的值。

[y（x）=0?-g2v20x2+h=0?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?]

[x2=2hv20g?x=2hv20gx>0]

[x=2×3.5×21.029.81=17.7（m）]

[17.7 m<18 m]，所以球落在界內(nèi)。

4.能量分析

（1） 在所有的軌跡點(diǎn)上

[Ec（t）=12m[v（t）]2Epp（t）=mgy（t）Em（t）=Ec（t）+Epp（t）=12m[v（t）]2+mgy（t）]

（2）給圖5中每一條曲線找到對(duì)應(yīng)的能量。首先，曲線1所表示的能量隨著時(shí)間遞減，在球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，只有一個(gè)量隨著時(shí)間遞減，那就是球的高度[y（t）]，所以曲線1表示的能量是重力勢(shì)能[Epp]。其次，曲線2表示的能量隨時(shí)間增長(zhǎng)，只有一個(gè)量隨時(shí)間增加，那就是球的速度[v（t）]，所以曲線2表示的能量是動(dòng)能[Ec]。曲線3是常量，在忽略空氣阻力的情況下，球的機(jī)械能保持不變，所以曲線3表示的是機(jī)械能[Em]。

（3）利用機(jī)械能守恒可求出球落地時(shí)的速度：

[Em=12mv20+mgh=12×260×10-3×21.02+260×10-3×9.81×3.5=66.3（J）]

球落地時(shí)，[Em=Ec=12mv2地?v地=2Emm（v>0）]

解得：[v地=2×66.3360×10-3=22.3（m·s-1）]

5.實(shí)際上，球的速度會(huì)比計(jì)算得到的數(shù)值小，主要是因?yàn)槲覀冊(cè)谥暗挠?jì)算中忽略了空氣阻力。由于空氣阻力和球的速度方向相反，機(jī)械能是不守恒的。

問(wèn)題3的答案

先求出球在離地面80 cm處的速度。

球在[y（x）=80 cm]時(shí)對(duì)應(yīng)的x：

[y（x）=80×10-2?-gx22v20+h=80×10-2]

[?x=2v20（h-80×10-2）g（x>0）]

[x=2×21.02×（3.5-80×10-2）9.81=15.58（m）]

接球隊(duì)員跑動(dòng)的距離是[18-15.58=2.42（m）]。

再求出球落到離地80 cm處所用的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間也是接球隊(duì)員跑動(dòng)到接球點(diǎn)所用的時(shí)間。

[y（t）=80×10-2?-12gt2+h=80×10-2]

[?t=2（h-80×10-2）g（t>0）]

[t=2×（3.5-80×10-2）9.81=0.74（s）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?]

計(jì)算出球員跑動(dòng)接球的平均速度

[v=dt]，[v=2.420.74=3.27（m·s-1）]

就是說(shuō)球員跑動(dòng)的平均速度是[v=3.27? m·s-1=11.8? km·h-1]

這個(gè)速度完全能夠?qū)崿F(xiàn)，特別是在短時(shí)間內(nèi)。

三、啟示與思考

這道題雖然考查了數(shù)學(xué)知識(shí)和“多普勒效應(yīng)”，這是超出我國(guó)高中課程的內(nèi)容，但是物理模型并不復(fù)雜，就是平拋運(yùn)動(dòng)，計(jì)算過(guò)程也不復(fù)雜。本題的解題過(guò)程其實(shí)是一個(gè)探究的過(guò)程，通過(guò)題目的提示，引導(dǎo)學(xué)生一步步地用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中，有一些值得我們借鑒的地方。

1.注重考查“物理觀念”?！拔锢碛^念”是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)。本題中當(dāng)發(fā)球員擊球之后，球在空中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，忽略空氣阻力后，水平方向受力為零，豎直方向只受重力，因此做平拋運(yùn)動(dòng);從能量的角度看，球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒。這就是物理概念和規(guī)律在學(xué)生頭腦中的提煉與升華，形成的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念。

2.注重考查“科學(xué)思維”?！翱茖W(xué)思維”是分析綜合、推理論證等方法的在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用。本題中，要判斷球是否能落在對(duì)方的界內(nèi)，還要判斷接球員是否能移動(dòng)到球的落地點(diǎn)，這就需要運(yùn)用科學(xué)推理：通過(guò)計(jì)算球的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及接球員需要移動(dòng)的平均速度，來(lái)得出結(jié)論。

3.注重創(chuàng)設(shè)物理情境，考查“科學(xué)探究”的能力。在本題中，描述了一個(gè)排球發(fā)球和接球的情境。學(xué)生要把情境中的接發(fā)球這樣一個(gè)故事轉(zhuǎn)化為一個(gè)平拋的物理過(guò)程;把描述情境的文字轉(zhuǎn)化為物理表述，即建立直角坐標(biāo)系，寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)方程和速度、加速度的方程;把情境中需要完成的工作即判斷球是否落在界內(nèi)、接球員是否能夠來(lái)得及移動(dòng)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理問(wèn)題;然后建立相應(yīng)的物理模型，得出結(jié)論。運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力的高低，往往取決于學(xué)生將情境與知識(shí)相聯(lián)系的水平。

還要對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行解釋和反思。比如題中用多普勒效應(yīng)解釋測(cè)速儀的頻率差，并且比較發(fā)射和接收頻率的高低。

4.注重“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。在法國(guó)的課程標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)“情感態(tài)度與價(jià)值觀”方面的要求較弱，表述也比較模糊，但是對(duì)學(xué)生答題的規(guī)范性要求很?chē)?yán)格，有效數(shù)字的位數(shù)必須正確，位數(shù)多了和少了都要扣分;答題必須寫(xiě)清楚是慣性系還是非慣性系，什么坐標(biāo)系，研究對(duì)象是什么，力學(xué)問(wèn)題必須進(jìn)行受力分析，必須先進(jìn)行公式推導(dǎo)得出所求量的表達(dá)式，然后再代入數(shù)據(jù);代入數(shù)據(jù)后必須標(biāo)明單位，如果漏了單位要扣掉很多分。另外，法國(guó)物理教師強(qiáng)調(diào)學(xué)生應(yīng)該對(duì)物理單位的大小有感性認(rèn)識(shí)，比如速度、電量、電流、電容這些物理量。2015年有一道高考題是求高空跳傘落地的速度，有一問(wèn)就是結(jié)論中的速度相當(dāng)于生活中什么速度，答案是相當(dāng)于從2層樓跳下來(lái)的速度。

綜上所述，這道2018年的法國(guó)物理高考題很好地貼合了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，對(duì)我國(guó)高中物理教學(xué)和評(píng)價(jià)有一定借鑒的作用。

（責(zé)任編輯 易志毅）