深化考試內(nèi)容改革背景下高考物理壓軸題命題特點(diǎn)與啟示
——以2021年“八省聯(lián)考”中物理學(xué)科電磁壓軸題為例

張一馳 周文釗

(廣東省深圳中學(xué),廣東 深圳 518000)

2021年初,河北、遼寧、江蘇、福建、湖北、湖南、廣東、重慶等第三批高考綜合改革省份為全力做好新高考落地的各項(xiàng)工作,進(jìn)行了全流程全員模擬高考演練．教育部考試中心和各省教育考試院精心制定命題并進(jìn)行適應(yīng)性測試,網(wǎng)稱“八省聯(lián)考”．2021年2月26日《教育部關(guān)于做好2021年普通高校招生工作的通知》中強(qiáng)調(diào),為深化考試內(nèi)容改革,2021年高考命題要堅(jiān)持立德樹人．要優(yōu)化情境設(shè)計(jì),增強(qiáng)試題開放性、靈活性,充分發(fā)揮高考命題的育人功能和積極導(dǎo)向作用,引導(dǎo)減少死記硬背和“機(jī)械刷題”現(xiàn)象．

在此背景下,深入研究“八省聯(lián)考”的試題,對于深入理解考試內(nèi)容改革方向具有重要意義．本文將以“八省聯(lián)考”中物理學(xué)科電磁壓軸題為例,系統(tǒng)研究新高考改革背景下物理壓軸題命題的趨勢與特點(diǎn),給一線教師教學(xué)、備考和命題以啟示．

1 例題呈現(xiàn)

以一線物理教師使用較多的力學(xué)、電磁學(xué)兩大傳統(tǒng)模塊為分類依據(jù),可以簡單地將“八省聯(lián)考”中物理學(xué)科壓軸題進(jìn)行劃分,結(jié)果如表1．

表1 “八省聯(lián)考”物理學(xué)科壓軸題分類

從表1可知,湖南、廣東省物理試卷選擇以力學(xué)綜合問題為背景設(shè)計(jì)壓軸題,其余省份選擇以電磁場為背景設(shè)計(jì)壓軸題．應(yīng)該說,不管是力學(xué)背景還是電磁學(xué)背景,每一道壓軸題都為各省教育考試院與命題專家精心命制,體現(xiàn)了深化考試內(nèi)容改革的趨勢．這里,我們選擇相對更具特色的河北卷和江蘇卷為例,進(jìn)行原題展示與分析．

例1.(河北卷)在弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中,電子碰撞原子,原子吸收電子的動(dòng)能從低能級躍遷到高能級．假設(shè)改用質(zhì)子碰撞氫原子來實(shí)現(xiàn)氫原子的能級躍遷,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示．緊靠電極A的O點(diǎn)處的質(zhì)子經(jīng)電壓為U1的電極AB加速后,進(jìn)入兩金屬網(wǎng)電極B和C之間的等勢區(qū)．在BC區(qū)質(zhì)子與靜止的氫原子發(fā)生碰撞,氫原子吸收能量由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)．質(zhì)子在碰撞后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入CD減速區(qū),若質(zhì)子能夠到達(dá)電極D,則在電流表上可以觀測到電流脈沖．已知質(zhì)子質(zhì)量mp與氫原子質(zhì)量mH均為m,質(zhì)子的電荷量為e,氫原子能級圖如圖2所示,忽略質(zhì)子在O點(diǎn)時(shí)的初速度,質(zhì)子和氫原子只發(fā)生一次正碰．

圖1

圖2

(1) 求質(zhì)子到達(dá)電極B時(shí)的速度v0;

(3) 要使碰撞后氫原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài),求U1的最小值．

例2.(江蘇卷)跑道式回旋加速器的工作原理如圖3所示.兩個(gè)勻強(qiáng)磁場區(qū)域Ⅰ、Ⅱ的邊界平行,相距為L,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向垂直紙面向里.P、Q之間存在勻強(qiáng)加速電場,電場強(qiáng)度為E,方向與磁場邊界垂直.質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場,多次經(jīng)過電場加速和磁場偏轉(zhuǎn)后,從位于邊界上的出射口K引出,引出時(shí)的動(dòng)能為Ek.已知K、Q的距離為d.

圖3

(1) 求粒子出射前經(jīng)過加速電場的次數(shù)N;

(2) 求磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B;

(3) 如果在Δt時(shí)間內(nèi)有一束該種粒子從P點(diǎn)連續(xù)飄入電場,粒子在射出K之前都未相互碰撞,求Δt的范圍.

2 例題特點(diǎn)分析

特點(diǎn)1:試題情境新穎.

情境作為試題的重要組成部分,其目的就是針對知識的習(xí)得、實(shí)際運(yùn)用、對客觀外在環(huán)境以及內(nèi)在教育價(jià)值(特別是情感的挖掘)提供的問題解決背景、活動(dòng)場景和資源條件．例1屬于綜合情境,結(jié)合了物理學(xué)史情境和實(shí)驗(yàn)情境,而例2屬于現(xiàn)代科技情境．我們根據(jù)情境類型學(xué)的分析框架,從8大維度進(jìn)行討論總結(jié),定性得到如表2所示分析結(jié)果．

表2 基于情境類型學(xué)的分析框架的案例分析

由此易知,新高考模式下試題情境會(huì)更加新穎,主要體現(xiàn)在情境從傳統(tǒng)的完全建構(gòu)走向“半真實(shí)”,對已知條件和信息和模型變化的處理走向“隱蔽需變化”,情境本身與試題結(jié)合度更高,而非有一些傳統(tǒng)壓軸題為了情境而情境．

特點(diǎn)2:試題開放靈活.

例1對于常見的、固定的關(guān)于電場、磁場的考察進(jìn)行了一些形式調(diào)整,將考題改編成一個(gè)結(jié)合勻強(qiáng)電場、完全非彈性碰撞以及粒子物理能級躍遷的問題．舉例來說,題目中“假定質(zhì)子和氫原子碰撞時(shí),質(zhì)子初動(dòng)能的1/3被氫原子吸收用于能級躍遷”考察了將碰撞損失能量用于氫原子受激躍遷時(shí),能量值需恰好等于能級差這一知識點(diǎn)．“要使碰撞后氫原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài),求U1的最小值”,用求U1的最小值代替考察在損失能量全部用于能級躍遷的條件下,碰撞損失能量最大的情況．問法新穎,模型處理和轉(zhuǎn)變非常靈活．

例2考題結(jié)合了圓周運(yùn)動(dòng)以及追及相遇問題對電磁場進(jìn)行考察,通過靈活的變化與調(diào)整,充分挖掘與再利用傳統(tǒng)問題,增強(qiáng)趣味性．轉(zhuǎn)變固定的封閉性的提問方式,通過提問的疊加來拓寬問題的維度,增強(qiáng)開放性和思維性．同時(shí),第3問將運(yùn)動(dòng)學(xué)中一個(gè)簡單的相遇追及問題設(shè)置成兩粒子經(jīng)電場加速和電磁場作用偏轉(zhuǎn)的模型,需要學(xué)生靈活變通,將不同模型聯(lián)系到一起．

特點(diǎn)3:思維能力考察突出.

新課標(biāo)指出高中物理學(xué)科的核心素養(yǎng)之一是科學(xué)思維,是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的抽象概括,是具體運(yùn)用推理論證等科學(xué)思維方法的過程．經(jīng)分析,兩題考察模型與知識點(diǎn)如表3所示．

如表3所示,在復(fù)雜情景下應(yīng)用物理理論,對學(xué)生的分析能力與思維的嚴(yán)密性要求很高,題目中物理量隨運(yùn)動(dòng)過程發(fā)生變化,學(xué)生需找出物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律得出結(jié)論．

表3 例題考察模型與知識點(diǎn)匯總

兩道例題主要從理解(閱讀題目、建立模型),推理(分析過程、物理量的矢量性)以及分析綜合(空間思維能力、變化物理量之間的聯(lián)系)3個(gè)方面考察學(xué)生物理思維能力,在數(shù)學(xué)的應(yīng)用上考察難度相對不大,但物理思維方面的考察尤其是臨界思維的考察上很有特色．對兩道例題詳細(xì)的能力分析與題目解讀見表4、表5．

表4 例1題目解讀與能力要求

特點(diǎn)4:育人功能強(qiáng)大.

新高考改革背景下另一個(gè)命題趨勢與特點(diǎn)便是育人功能．物理試題的育人功能,主要體現(xiàn)在能夠?qū)φn堂內(nèi)容有所補(bǔ)充,促使學(xué)生在題目中進(jìn)一步學(xué)習(xí),提升自身科學(xué)精神,引導(dǎo)實(shí)踐創(chuàng)新和責(zé)任擔(dān)當(dāng),塑造科學(xué)的價(jià)值觀．

例1以物理學(xué)中的弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)為背景,但不拘泥于真實(shí)的歷史過程,而是將其變化并抽象出質(zhì)子碰撞氫原子的物理過程,通過對新模型定量計(jì)算,讓學(xué)生進(jìn)一步理解碰撞模型中核外電子躍遷的本質(zhì)．以筆者多年高三備考經(jīng)驗(yàn)來看,這個(gè)模型是很多教師略過(甚至講錯(cuò))的．因此,例題一能夠讓學(xué)生在做題之余進(jìn)一步拓展了對氫原子躍遷的認(rèn)知．

例2則以有別于課本中普通回旋加速器的跑道式回旋加速器為內(nèi)容進(jìn)行展開,這是對課本中回旋加速器的一種補(bǔ)充．有興趣的學(xué)生,自然也會(huì)在課余去了解傳統(tǒng)回旋加速器與跑道式回旋加速器的實(shí)際應(yīng)用情型以及優(yōu)缺點(diǎn),個(gè)別學(xué)生也會(huì)發(fā)現(xiàn)醫(yī)用電子回旋加速器其實(shí)主要是跑道式的．學(xué)生一旦被激發(fā)興趣,必然有助于拓寬視野,提升實(shí)踐能力．

3 啟示

兩道例題的特點(diǎn)鮮明,充分體現(xiàn)了物理學(xué)科不僅是一門基礎(chǔ)學(xué)科,也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科．這要求教師在授課過程一方面應(yīng)該強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ),幫助學(xué)生搭建知識點(diǎn)之間的聯(lián)系,構(gòu)建學(xué)科知識的“樹形圖”．另一方面也應(yīng)注重情境設(shè)置,將物理學(xué)史結(jié)合現(xiàn)代科技,激發(fā)學(xué)生學(xué)以致用的興趣．就習(xí)題教學(xué)而言,教師應(yīng)在平時(shí)的練習(xí)與測試中,增加試題的開放性,鼓勵(lì)學(xué)生討論與多角度作答,側(cè)重學(xué)生信息加工、邏輯推理、分析和解決問題的能力的培養(yǎng),指導(dǎo)學(xué)生靈活使用所學(xué)的基礎(chǔ)知識解決實(shí)際問題、通過分析在復(fù)雜情境下抽象出多個(gè)簡單模型、注重知識點(diǎn)與模型之間的遷移與聯(lián)系．另外,協(xié)調(diào)物理題中對數(shù)學(xué)應(yīng)用的難度,重點(diǎn)突出物理學(xué)科思維能力．