從2021年高考看物理關(guān)鍵能力考查

摘 要：中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系明確要求考查學(xué)生的關(guān)鍵能力，高中物理關(guān)鍵能力包含了“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”中的主要內(nèi)容，也是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分.新的物理高考加大了關(guān)鍵能力的考查力度，有必要對(duì)其深度剖析和解讀，以便更好地引導(dǎo)物理教學(xué).

關(guān)鍵詞：高考試題;關(guān)鍵能力;推理論證能力;實(shí)驗(yàn)探究能力;創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）17-0052-04

基金項(xiàng)目：北京市物理學(xué)會(huì)課題“過程教學(xué)導(dǎo)向下的思維發(fā)展型課堂建構(gòu)”（項(xiàng)目編號(hào)：WLXH202097）.

作者簡(jiǎn)介：田成良（1974-），男，山東人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，中學(xué)特級(jí)教師，碩士生導(dǎo)師，物理教研員，研究方向：物理思維課堂、物理科學(xué)方法教育、課堂教學(xué)藝術(shù)等.

1 關(guān)鍵能力解讀

1.1 課程標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵能力

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出了發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，其中“物理觀念”代表知識(shí)的內(nèi)化，是其他核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)，“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”是關(guān)鍵能力，“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”是必備品格.課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”包含的要素是構(gòu)建物理科考試關(guān)鍵能力的重要基礎(chǔ).將“科學(xué)思維”中的科學(xué)推理、科學(xué)論證合并為“推理論證能力”;在“模型建構(gòu)”“質(zhì)疑創(chuàng)新”的基礎(chǔ)上，提出“模型建構(gòu)能力”和“創(chuàng)新能力”;將物理學(xué)科所要求的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc科學(xué)探究整合為“實(shí)驗(yàn)探究能力”;“理解能力”主要對(duì)應(yīng)學(xué)科素養(yǎng)中的“物理觀念”，強(qiáng)調(diào)對(duì)于物理概念、規(guī)律的深度理解與靈活應(yīng)用[1].

基于以上整合，物理學(xué)科考試提出理解能力、推理論證能力、模型建構(gòu)能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、創(chuàng)新能力五大關(guān)鍵能力，具體如圖1所示.五大關(guān)鍵能力既是對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)鍵能力的具體化，也是對(duì)以前物理學(xué)科考試大綱中提出的物理能力的繼承與發(fā)展，是根據(jù)物理教學(xué)實(shí)際和時(shí)代發(fā)展要求提出的新的能力.

1.2 高考評(píng)價(jià)體系中的關(guān)鍵能力

高考評(píng)價(jià)體系中的關(guān)鍵能力指即將進(jìn)入高校的學(xué)習(xí)者在面對(duì)與學(xué)科相關(guān)的生活實(shí)踐或?qū)W習(xí)探索問題情境時(shí)，高質(zhì)量地認(rèn)識(shí)問題、分析問題、解決問題所必須具備的能力.它是符合高水平人才培養(yǎng)體系所必需、適應(yīng)時(shí)代要求并支撐其終身發(fā)展的能力，是培育核心價(jià)值、發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)所必須具備的能力基礎(chǔ).包含3種能力群：即知識(shí)獲取能力群;思維認(rèn)知能力群;實(shí)踐操作能力群[2].

1.3 二者關(guān)系

物理學(xué)科考試提出的5種能力與高考評(píng)價(jià)體系的關(guān)鍵能力群匹配度很高，其中理解能力屬于知識(shí)獲取能力群，模型建構(gòu)能力、推理論證能力和創(chuàng)新能力屬于思維認(rèn)知能力群，實(shí)驗(yàn)探究能力屬于實(shí)踐操作能力群.具體關(guān)系如圖2所示.

2 關(guān)鍵能力考查

2.1 理解能力

“理解能力”是指理解知識(shí)的意義，把握物理情境的本質(zhì)特征，能將知識(shí)與情境聯(lián)系起來(lái)，并運(yùn)用已有的知識(shí)和方法解決問題的能力.具體包括：理解物理概念和規(guī)律的確切含義，明確其適用對(duì)象、適用條件和適用范圍，清楚地認(rèn)識(shí)其表達(dá)形式;能領(lǐng)會(huì)物理概念和規(guī)律所涉及的基本思想和方法，并能正確選用物理概念和規(guī)律進(jìn)行綜合解決問題[3].

例題1 （2021全國(guó)乙卷 14題）如圖3所示，光滑水平地面上有一小車，一輕彈簧的一端與車廂的擋板相連，另一端與滑塊相連，滑塊與車廂的水平底板間有摩擦.用力向右推動(dòng)車廂使彈簧壓縮，撤去推力時(shí)滑塊在車廂底板上有相對(duì)滑動(dòng).在地面參考系（可視為慣性系）中，從撤去推力開始，小車、彈簧和滑塊組成的系統(tǒng)

A.動(dòng)量守恒，機(jī)械能守恒

B.動(dòng)量守恒，機(jī)械能不守恒

C.動(dòng)量不守恒，機(jī)械能守恒

D.動(dòng)量不守恒，機(jī)械能不守恒

評(píng)析：答案選B，本題主要結(jié)合具體的問題情景，考查學(xué)生對(duì)動(dòng)能和動(dòng)量守恒等物理規(guī)律的理解，以及動(dòng)能和動(dòng)量守恒條件的判斷，體現(xiàn)了理解能力的考查.由于本系統(tǒng)所受合外力為零，系統(tǒng)動(dòng)量守恒;只有重力或彈力做功，機(jī)械能守恒，根據(jù)系統(tǒng)受力情況與各力做功情況依據(jù)動(dòng)量守恒與機(jī)械能守恒的條件分析答題.

另外，第22題考查小球做平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，在分析處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)將運(yùn)動(dòng)分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向勻變速直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行處理，結(jié)合題干給出的時(shí)間及圖中位移的數(shù)據(jù)進(jìn)行求解，重點(diǎn)考查平拋知識(shí)的應(yīng)用和理解，也體現(xiàn)了理解能力的考查.

2.2 模型建構(gòu)能力

“模型建構(gòu)能力”是指針對(duì)物理現(xiàn)象抽象出其主要特征，通過類比、想象等方法建構(gòu)物理模型，并能用物理語(yǔ)言進(jìn)行描述，在實(shí)際問題中能運(yùn)用物理模型解決問題的能力.具體要求如下：理解常見的研究對(duì)象、物理狀態(tài)、物理過程等物理模型建立的條件;在較復(fù)雜的實(shí)際問題中，能識(shí)別并選用恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ徒鉀Q問題[3].

例題2 （2021全國(guó)乙卷 18題）科學(xué)家對(duì)銀河系中心附近的恒星S2進(jìn)行了多年的持續(xù)觀測(cè)，給出1994年到2002年間S2的位置如圖4所示.科學(xué)家認(rèn)為S2的運(yùn)動(dòng)軌跡是半長(zhǎng)軸約為1000AU （太陽(yáng)到地球的距離為1AU）的橢圓，銀河系中心可能存在超大質(zhì)量黑洞.這項(xiàng)研究工作獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).若認(rèn)為S2所受的作用力主要為該大質(zhì)量黑洞的引力，設(shè)太陽(yáng)的質(zhì)量為M，可以推測(cè)出該黑洞質(zhì)量約為

A.4×104M B.4×106M

C.4×108M D.4×1010M

解答：設(shè)地球的質(zhì)量為m，地球到太陽(yáng)的距離為r=1AU，地球的公轉(zhuǎn)周期為T=1年;由萬(wàn)有引力提供向心力可得：GMmr2=mr4π2T2，解得：M=4π2r3GT2.

對(duì)于S2受到黑洞的作用，橢圓軌跡半長(zhǎng)軸R=1000AU，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)結(jié)合圖像可以得到S2運(yùn)動(dòng)的半周期（T′2）為8年，則周期為T′=16年，根據(jù)開普勒第三定律結(jié)合萬(wàn)有引力公式可以得出：M黑=4π2R3GT′2，因此有：M黑=R3T2r3T′2M，代入數(shù)據(jù)解得：M黑≈4×106M，故B正確，ACD錯(cuò)誤.

評(píng)析：答案選B，本題考查萬(wàn)有引力定律中的定量計(jì)算，屬于較難的能力考查題.由于涉及的天體比較多，物理量也比較多，又需要建立模型，題目較為復(fù)雜，讀懂題意并不容易，很多學(xué)生難以下手.

本題主要是考查學(xué)生模型建構(gòu)能力，首先根據(jù)題目中的文字和圖像，獲取信息，確定解答條件，再根據(jù)萬(wàn)有引力定律進(jìn)行分析.其中地球的公轉(zhuǎn)周期和S2的公轉(zhuǎn)周期是隱形的，需要進(jìn)一步的挖掘，才能轉(zhuǎn)化為解答試題條件.所以，解答該題的關(guān)鍵是能夠根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)獲取信息，理清思路建立模型，正確分析S2運(yùn)行周期，結(jié)合萬(wàn)有引力提供向心力進(jìn)行分析，即可迎刃而解，本題很好地體現(xiàn)了模型建構(gòu)關(guān)鍵能力的考查.

另外，24題考查了拍籃球問題，應(yīng)用動(dòng)能定理求出籃球自由下落時(shí)籃球與地面碰撞前與碰撞后瞬間的動(dòng)能，求出籃球每次與地面碰撞前后的動(dòng)能的比值，運(yùn)動(dòng)員拍球時(shí)對(duì)籃球做的功和作用力的大小，本題也考查了物理模型建構(gòu)能力.

2.3 推理論證能力

“推理論證能力”是指能根據(jù)已知的物理事實(shí)，通過分析、推理和論證，得出正確結(jié)論并做出正確解釋的能力.具體包含：能應(yīng)用物理概念和物理規(guī)律正確分析、推斷物理狀態(tài)的存在條件;根據(jù)具體問題，運(yùn)用物理規(guī)律和數(shù)學(xué)方法確定物理量之間的定量關(guān)系，通過運(yùn)算、估算進(jìn)行推斷和論證;針對(duì)不同觀點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)反駁，證據(jù)充分，推理過程符合邏輯.

例題3 （2021全國(guó)乙卷 21題）水平地面上有一質(zhì)量為m1的長(zhǎng)木板，木板的左端上有一質(zhì)量為m2的物塊，如圖5（a）所示.用水平向右的拉力F作用在物塊上，F(xiàn)隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖5（b）所示，其中F1、F2分別為t1、t2時(shí)刻F的大小.木板的加速度a1隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖5（c）所示.已知木板與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ1，物塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ2.假設(shè)最大靜摩擦力均與相應(yīng)的滑動(dòng)摩擦力相等，重力加速度大小為g.則

D.在0-t2時(shí)間段物塊與木板加速度相等

評(píng)析：選BCD，本題考查滑塊木板模型的臨界極值問題，屬于很難的綜合題，屬于動(dòng)力學(xué)問題中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是復(fù)習(xí)備考中的必做題型.由于研究對(duì)象、受力分析、運(yùn)動(dòng)過程都很復(fù)雜，特別是臨界狀態(tài)的確定，是很多學(xué)生無(wú)法逾越的壁壘.解答本題，需由兩個(gè)臨界點(diǎn)，確定三段過程，運(yùn)用圖像和牛頓第二定律進(jìn)行分析，主要考查從圖像中獲取信息能力，再利用整體法和隔離法，運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行分析論證的能力.在研究幾個(gè)物體的共同加速度時(shí)可以選整體為研究對(duì)象，但在研究某個(gè)物體時(shí)要注意隔離法的應(yīng)用.

另外，33題考查理想氣體狀態(tài)方程與熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用，需要根據(jù)圖像分析清楚氣體狀態(tài)的變化過程，也體現(xiàn)了推理分析能力的考查.

2.4 實(shí)驗(yàn)探究能力

“實(shí)驗(yàn)探究能力”是指能獨(dú)立完成基本的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，能針對(duì)具體探究的問題，根據(jù)已有條件制定實(shí)驗(yàn)探究方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成合理結(jié)論并做出科學(xué)解釋和評(píng)價(jià)的能力. 具體包括： 獨(dú)立完成課標(biāo)中規(guī)定的“學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)”，能針對(duì)具體的物理情境，提出可探究的物理問題，進(jìn)行科學(xué)的猜想或假設(shè)，能運(yùn)用已學(xué)過的知識(shí)和方法，根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)器材制訂實(shí)驗(yàn)探究方案， 獲取數(shù)據(jù)并能用多種方法從中探尋規(guī)律、得出結(jié)論;能撰寫完整、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)探究報(bào)告，能對(duì)誤差進(jìn)行分析和討論，并提出修改和完善的建議.

例題4 （2021全國(guó)乙卷 23題）一實(shí)驗(yàn)小組利用圖6（a） 所示的電路測(cè)量一電池的電動(dòng)勢(shì)E（約1.5V）和內(nèi)阻r（小于2Ω）.圖中電壓表量程為1V，內(nèi)阻RV=380.0Ω;定值電阻R0=20.0Ω;電阻箱R，最大阻值為999.9Ω;S為開關(guān).按電路圖連接電路.完成下列填空：

（1）為保護(hù)電壓表，閉合開關(guān)前，電阻箱接入電路的電阻值可以選Ω（填“5.0”或“15.0”）;

（2）閉合開關(guān)，多次調(diào)節(jié)電阻箱，記錄下阻值R和電壓表的相應(yīng)讀數(shù)U;

（3）根據(jù)圖6（a）所示電路，用R、R0、RV、E和r表示1U，得1U=;

（4）利用測(cè)量數(shù)據(jù)，做1U-R圖線，如圖6（b）所示;

（5）通過圖6（b）可得E=V（保留2位小數(shù)），r=Ω（保留1位小數(shù)）;

（6）若將圖6（a）中的電壓表當(dāng)成理想電表，得到的電源電動(dòng)勢(shì)為E′，由此產(chǎn)生的誤差為|E′-EE|×100%=%.

評(píng)析：本題考查“測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)，屬于較難的綜合題.由于本實(shí)驗(yàn)原理是唯一的，即閉合電路歐姆定律，但由于實(shí)驗(yàn)儀器不同，可以設(shè)計(jì)不同的測(cè)量方案，各種考題基本上都是對(duì)伏安法的改編和創(chuàng)新.解答本題需從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)方法，寫出閉合電路歐姆定律的表達(dá)式，轉(zhuǎn)化為圖像中的一次函數(shù)，由斜率和截距，求出電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻.電學(xué)實(shí)驗(yàn)的誤差分析，需要考慮的因素較多，始終是難點(diǎn).本題涉及測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)處理以及誤差分析等問題，很好地體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)探究能力的考查.

答案：（1）15.0;（3）1E+r（R0+RV）ER0RV+R（R0+RV）ER0RV;（5）1.55，1.0;（6）5.

2.5 創(chuàng)新能力

“創(chuàng)新能力”是指在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考，發(fā)現(xiàn)新問題、獲取新知識(shí)、創(chuàng)造新方法、解決新問題的能力.具體包括：通過閱讀和觀察，獲取新知識(shí)、新方法等新信息;對(duì)已有結(jié)論提出合理質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)多種可能性，采用多種的方式和方法解決問題;面對(duì)新穎或復(fù)雜的物理情境，能發(fā)現(xiàn)新問題，能創(chuàng)造性地構(gòu)建新的物理模型，應(yīng)用新思路、新方法解決問題.

例題5 （2021全國(guó)乙卷 25題）如圖7所示，一傾角為α的光滑固定斜面的頂端放有質(zhì)量M=0.06kg的U型導(dǎo)體框，導(dǎo)體框的電阻忽略不計(jì);一電阻R=3Ω的金屬棒CD的兩端置于導(dǎo)體框上，與導(dǎo)體框構(gòu)成矩形回路CDEF;EF與斜面底邊平行，長(zhǎng)度L=0.6m.初始時(shí)CD與EF相距s0=0.4m，金屬棒與導(dǎo)體框同時(shí)由靜止開始下滑，金屬棒下滑距離s1=316m后進(jìn)入一方向垂直于斜面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，磁場(chǎng)邊界（圖中虛線）與斜面底邊平行;金屬棒在磁場(chǎng)中做勻速運(yùn)動(dòng)，直至離開磁場(chǎng)區(qū)域.當(dāng)金屬棒離開磁場(chǎng)的瞬間，導(dǎo)體框的EF邊正好進(jìn)入磁場(chǎng)，并在勻速運(yùn)動(dòng)一段距離后開始加速.已知金屬棒與導(dǎo)體框之間始終接觸良好，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=1T，重力加速度大小取g=10m/s2，sinα=0.6.求

（1）金屬棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受安培力的大小;

（2）金屬棒的質(zhì)量以及金屬棒與導(dǎo)體框之間的動(dòng)摩擦因數(shù);

（3）導(dǎo)體框勻速運(yùn)動(dòng)的距離.

評(píng)析：本題是電磁感應(yīng)與力學(xué)相結(jié)合的一道綜合題，物理過程復(fù)雜，用到的物理規(guī)律也很多，涉及審題分析、尋找研究對(duì)象、針對(duì)具體的過程寫出表達(dá)式，難度較大，對(duì)能力考查有很高要求.根據(jù)題意分析清楚金屬棒與導(dǎo)體框的運(yùn)動(dòng)過程與受力情況是解題的前提與關(guān)鍵，應(yīng)用牛頓第二定律、E=BLv、閉合電路的歐姆定律與安培力公式、平衡條件與運(yùn)動(dòng)學(xué)公式即可解題.本題具有很強(qiáng)的綜合性，解答本題需要較高的創(chuàng)新能力，試題具有很好的區(qū)分度，能把不同層次的學(xué)生區(qū)分開.

另外，本卷第16題考查帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，需要畫出粒子的軌跡圖，然后由幾何關(guān)系求出軌跡圓半徑和磁場(chǎng)圓半徑之間的關(guān)系，最后由洛倫茲力提供向心力求出速度，根據(jù)速度之比等于半徑之比求出粒子兩次的入射速度之比.這體現(xiàn)了根據(jù)已有知識(shí)解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力考查.33題考查復(fù)雜的理想氣體問題，學(xué)生要根據(jù)條件氣體溫度不變和等溫變化，求出玻璃管內(nèi)被封閉氣體的狀態(tài)參量，應(yīng)用玻意耳定律分析答題，也體現(xiàn)了創(chuàng)新能力考查.

3 問題與建議

3.1 豐富試題情境

試題情境是落實(shí)核心素養(yǎng)考查的載體，是深化新時(shí)代物理考試內(nèi)容改革的重要突破口.教學(xué)中應(yīng)緊密聯(lián)系科技、生活、體育、軍事等熱點(diǎn)事件，創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，不僅考查學(xué)生在真實(shí)情境中解決問題的能力，還能培養(yǎng)科學(xué)精神，引領(lǐng)愛國(guó)主義等價(jià)值教育.另外，積極利用教材中的素材，創(chuàng)設(shè)學(xué)生比較熟悉的學(xué)習(xí)情境，創(chuàng)新試題設(shè)問的方式，也能很好地促進(jìn)學(xué)生思維能力的發(fā)展.本試卷中生活情境類試題比例相對(duì)較少，不能較好地體現(xiàn)學(xué)生問題分析、問題解決能力.適當(dāng)增加生活情境試題的數(shù)量，能促進(jìn)落實(shí)高考評(píng)價(jià)體系的要求.

3.2 強(qiáng)化思維過程

發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力是教學(xué)的核心，也是新課標(biāo)和新高考的明確要求.教學(xué)中要改變以往只注重知識(shí)結(jié)論，不注重學(xué)習(xí)過程的現(xiàn)象.科學(xué)思維的發(fā)展離不開好的學(xué)習(xí)過程，聚焦主干或核心知識(shí)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景，注重用問題引領(lǐng)思維發(fā)展的意識(shí)，強(qiáng)化問題分析和問題解決的過程，突出用主干知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，加強(qiáng)知識(shí)的深層理解與綜合應(yīng)用.從而落實(shí)模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等關(guān)鍵能力的發(fā)展.

3.3 注重基礎(chǔ)性考查

高考評(píng)價(jià)體系重視對(duì)基本概念、基本規(guī)律的理解和掌握，夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)：能從不同視角來(lái)思考問題，促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成與發(fā)展;有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法分析問題、解決問題，并將其內(nèi)化為自身的思維方式，提高學(xué)生解決問題的能力.本試卷中對(duì)“四翼”的考查，體現(xiàn)基礎(chǔ)性不夠，綜合性和創(chuàng)新性試題數(shù)量較多，試卷整體難度偏大，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)，自信心的樹立.建議增加基礎(chǔ)性試題的數(shù)量，體現(xiàn)試題的層級(jí)性和梯度性，會(huì)更利于人才的選拔，更好地引導(dǎo)和服務(wù)教學(xué).

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（收稿日期：2021-06-20）