基于物理學(xué)科能力的高考試題學(xué)習(xí)診斷研究與思考

崔琰 張玉峰 王春梅

摘 要：對學(xué)生物理學(xué)科能力的診斷，是發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)、提高教師教學(xué)效率、指導(dǎo)教師進(jìn)行精準(zhǔn)教學(xué)的重要前提.本文從物理學(xué)科認(rèn)識方式、認(rèn)識任務(wù)及表現(xiàn)，分析學(xué)生對物理學(xué)科核心知識和學(xué)科活動經(jīng)驗(yàn)中存在的問題，對學(xué)生物理學(xué)科能力做出診斷，并針對學(xué)生物理學(xué)科能力的增長點(diǎn)，提出教學(xué)改進(jìn)的建議.

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng);物理學(xué)科能力;學(xué)習(xí)診斷;高考試題

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）19-0026-04

基金項目：北京物理學(xué)會2020-2021年度立項課題“指向科學(xué)思維的診斷性評價研究”（項目編號：WLXH202007）.

作者簡介：崔琰（1982-），男，天津人，博士，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究;

張玉峰（1973-），男，山東泰安人，博士，中學(xué)特級教師，研究方向：物理教學(xué)、學(xué)習(xí)診斷;

王春梅（1981-），女，北京人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

中共中央和國務(wù)院在2019年頒發(fā)的《關(guān)于深化教育教學(xué)改革全面提高義務(wù)教育質(zhì)量的意見》中明確指出“精準(zhǔn)分析學(xué)情，重視差異化教學(xué)和個別化指導(dǎo)”.意見中指出的精準(zhǔn)分析學(xué)情，是提升學(xué)生能力、發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)和前提，是提高教師教學(xué)針對性、提高教學(xué)效率的基礎(chǔ)和保障.本文基于已有的研究成果——北京物理教研團(tuán)隊建構(gòu)的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)診斷內(nèi)容（3+2）×3的框架[1]，從物理學(xué)科能力的視角，分析學(xué)習(xí)診斷的重要性、意義和價值，并針對有關(guān)問題提出教學(xué)的建議.

1 物理學(xué)科能力的內(nèi)涵構(gòu)成及活動表現(xiàn)

林崇德先生指出，學(xué)科能力是教師和學(xué)生通過教學(xué)活動使得學(xué)科知識概化的能力，是“學(xué)科教育與智力發(fā)展的結(jié)晶[2]”.物理學(xué)科能力是指學(xué)生順利進(jìn)行物理學(xué)科的認(rèn)識活動和問題解決活動所必需的、穩(wěn)定的心理調(diào)節(jié)機(jī)制.其內(nèi)涵是系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的物理學(xué)科知識技能及核心活動經(jīng)驗(yàn)圖式對學(xué)習(xí)行為的定向調(diào)節(jié)和執(zhí)行調(diào)節(jié).

物理學(xué)科認(rèn)識任務(wù)由三個要素構(gòu)成：概念理解、問題解決、新知建構(gòu).基于三個要素及其相應(yīng)的9個二級能力要素，結(jié)合學(xué)科認(rèn)識方式、學(xué)科核心活動經(jīng)驗(yàn)以及學(xué)科核心知識，形成了物理學(xué)科能力內(nèi)涵構(gòu)成及其表現(xiàn)模型，如圖1所示.學(xué)科核心知識的學(xué)習(xí)和學(xué)科核心活動經(jīng)驗(yàn)的積累是發(fā)展學(xué)科能力的基礎(chǔ)，學(xué)科認(rèn)識方式是學(xué)科能力的核心機(jī)制.

學(xué)科知識的學(xué)習(xí)可以分為三個層次：對概念或知識的深層理解、應(yīng)用知識解決實(shí)際問題、在新情境或新問題中構(gòu)建出新的知識等，這三個層次又可以細(xì)分出9個二級指標(biāo)[1].通過學(xué)科知識的學(xué)習(xí)可以完成從具體知識到認(rèn)識方式的外部定向、獨(dú)立操作和自覺內(nèi)化[3].對學(xué)生物理學(xué)科能力進(jìn)行評價時，我們更關(guān)注學(xué)科認(rèn)識域的核心知識，以及在學(xué)科核心活動的基本經(jīng)驗(yàn)，評價工具往往以學(xué)科知識為載體，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，考查學(xué)生在真實(shí)情境中調(diào)用知識解決問題的過程，從而診斷學(xué)生的學(xué)科學(xué)習(xí)能力.物理學(xué)認(rèn)識領(lǐng)域是指從物理學(xué)視角所研究的內(nèi)容和對象的總和，高中物理學(xué)科的核心知識（認(rèn)識領(lǐng)域）涉及力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、原子物理等內(nèi)容.物理學(xué)科核心知識的學(xué)習(xí)，是人類認(rèn)識世界的載體.以學(xué)科核心知識為載體的測試，可以診斷出學(xué)生在不同認(rèn)識領(lǐng)域存在的問題.

當(dāng)然，物理學(xué)科還有其獨(dú)特的認(rèn)識方式，物理學(xué)科認(rèn)識方式是指從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識過程中，所使用的思維模式（路徑）或者信息處理對策.

物理學(xué)科認(rèn)識方式可以從認(rèn)識對象與表征、認(rèn)識角度、認(rèn)識方式類別和認(rèn)識思路等方面進(jìn)行闡述.在認(rèn)識世界的過程中，首先要選取研究對象并對其進(jìn)行表征，對于實(shí)物對象，往往從系統(tǒng)與部分兩個角度進(jìn)行對象選擇研究;對于“場”這類非實(shí)物對象，往往從對場的屬性進(jìn)行描述的角度進(jìn)行對象選擇研究.對于選定的研究對象，可以通過“表達(dá)式、圖像、圖形”“矢量、標(biāo)量”等方式進(jìn)行對象表征，從而用較為合理的物理語言對研究對象進(jìn)行描述.面對不同的核心知識，往往有與之對應(yīng)的表征方式：如熱學(xué)、光學(xué)、原子物理等大量微觀粒子的問題，往往通過量子化、統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)一步分析.對復(fù)雜的物體或運(yùn)動，則根據(jù)研究的問題，往往做理想化處理，構(gòu)建理想化模型等.不同于其他學(xué)科，物理學(xué)科有其獨(dú)特的認(rèn)識角度，可以從物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量三個角度對客觀世界進(jìn)行認(rèn)識和研究，通過這三種認(rèn)識角度的分析和認(rèn)識，逐漸形成物質(zhì)觀、運(yùn)動與相互作用觀、能量觀等學(xué)科核心素養(yǎng)中的物理觀念.在我們認(rèn)識自然世界的過程中，認(rèn)識方式從類別上可以分為“宏觀—微觀”“定性—定量”“變化—守恒”等不同方式，這些認(rèn)識方式往往是跨學(xué)科的，比如在化學(xué)學(xué)科、生物學(xué)科中都有類似的認(rèn)識方式.但是，在分析具體問題的過程中，認(rèn)識方式類別與物理學(xué)科獨(dú)有的認(rèn)識角度相結(jié)合，可以形成物理學(xué)科獨(dú)特的認(rèn)識思路，這也是區(qū)別于不同學(xué)科認(rèn)識方式的關(guān)鍵.

學(xué)生選取恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)識思路的能力，往往基于好的學(xué)科核心活動經(jīng)驗(yàn)的積累.物理學(xué)科的學(xué)習(xí)活動經(jīng)驗(yàn)往往要經(jīng)歷“模型建構(gòu)、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新”等科學(xué)思維活動，也要經(jīng)歷“問題與猜想、實(shí)驗(yàn)設(shè)計與實(shí)施、解釋與評估”等科學(xué)探究活動.在適切的學(xué)習(xí)活動中形成的學(xué)科認(rèn)識方式，學(xué)科可以針對要解決的問題，選擇合適的對象，準(zhǔn)確對研究對象進(jìn)行表征，并最終選擇恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)識方式.所以，通過指向不同的認(rèn)識方式的試題分析，可以診斷出物理學(xué)科認(rèn)識領(lǐng)域的具體問題，并依據(jù)問題進(jìn)一步開展教學(xué)實(shí)踐.

2 物理學(xué)科能力表現(xiàn)的學(xué)習(xí)診斷

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中“學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”的學(xué)科核心素養(yǎng)維度和“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)框架”等文件中，都明確了對學(xué)生“關(guān)鍵能力”的要求，因此建構(gòu)物理學(xué)科能力表現(xiàn)框架指向的測評，是對學(xué)生物理學(xué)科能力學(xué)習(xí)診斷的基礎(chǔ)和前提.對高考試題中物理學(xué)科能力考查進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)其考查的主要是課程的主干知識和核心思想方法，考查學(xué)生必備知識和關(guān)鍵能力.因此，物理學(xué)科核心素養(yǎng)可以基于學(xué)科能力內(nèi)涵及其表現(xiàn)模型進(jìn)行診斷.

3 基于高考命題對物理學(xué)科能力表現(xiàn)的學(xué)習(xí)診斷

2014年9月，國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于深化考試招生制度改革的實(shí)施意見》對高考考試內(nèi)容改革提出了明確要求.考試命題要依據(jù)高校人才選拔要求和國家課程標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)設(shè)計命題內(nèi)容，增強(qiáng)基礎(chǔ)性、綜合性，著重考查學(xué)生獨(dú)立思考和運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力.高考的命題也實(shí)現(xiàn)了從“知識立意”到“能力立意”的改革，把理解、推理、實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用、探究等各項能力的考查滲透到每一道試題中.分析高考試題，明確高考物理試題指向的物理學(xué)科能力，對學(xué)生學(xué)習(xí)能力進(jìn)行診斷，從而指導(dǎo)我們的教學(xué).高考命題的改革是多方面、多角度進(jìn)行的.高考試題的時代性，體現(xiàn)在社會進(jìn)步、人類和科學(xué)發(fā)展與競爭的大背景下.往往在這樣的真實(shí)問題中，能夠準(zhǔn)確地診斷出學(xué)生的學(xué)科能力水平.

下面，依據(jù)物理學(xué)科能力內(nèi)涵構(gòu)成及其表現(xiàn)模型，以高考題為例，分析試題中對物理學(xué)科能力的考查情況.

例題1 （2013年高考理科綜合能力測試北京卷 24題（2））

對于同一物理問題，常?？梢詮暮暧^與微觀兩個不同角度進(jìn)行研究，找出其內(nèi)在聯(lián)系，從而更加深刻地理解其物理本質(zhì).

正方體密閉容器中有大量運(yùn)動粒子，每個粒子質(zhì)量為m，單位體積內(nèi)粒子數(shù)量n為恒量.為簡化問題，我們假定：粒子大小可以忽略;其速率均為v，且與器壁各面碰撞的機(jī)會均等;與器壁碰撞前后瞬間，粒子速度方向都與器壁垂直，且速率不變.利用所學(xué)力學(xué)知識，導(dǎo)出器壁單位面積所受粒子壓力F與m、n和v的關(guān)系.

注意：解題過程中需要用到、但題目沒有給出的物理量，要在解題時做必要的說明.

該題以密閉容器內(nèi)大量微觀粒子的運(yùn)動為情境，考查力學(xué)中的主干知識、核心概念，基于認(rèn)識對象（系統(tǒng)與部分）與表征（圖形）、認(rèn)識方式類別（宏觀與微觀）、認(rèn)識角度（受力分析、力與運(yùn)動）、認(rèn)識思路（類比遷移）等學(xué)科認(rèn)識方式的考查，通過使學(xué)生經(jīng)歷模型建構(gòu)和推理論證等學(xué)科的核心活動，診斷學(xué)生的概念理解和問題解決的能力.

可以分析出學(xué)生在解答本題中可能遇到的障礙：

（1）文字閱讀轉(zhuǎn)化為物理情境（一般素養(yǎng)），再從物理情境中抽象出物理模型（模型建構(gòu)）.

錯誤對應(yīng)的可能原因：學(xué)科核心活動經(jīng)驗(yàn)積累不足或不能將認(rèn)識任務(wù)與學(xué)科核心活動經(jīng)驗(yàn)相關(guān)聯(lián).具體表現(xiàn)為沒有明確問題，或沒有將題目中研究的問題轉(zhuǎn)化為粒子碰撞的物理問題;沒有能將氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生中的對象轉(zhuǎn)換成“流體柱”的物理模型.學(xué)生可能只局限于單個物體碰撞模型中應(yīng)用動量定理來解題，在復(fù)雜情境中沒有建構(gòu)出流體沖擊的基本模型.

（2）確定研究對象，選用合適規(guī)律進(jìn)行分析（動量定理）.

錯誤對應(yīng)的可能原因：認(rèn)識對象與表征存在障礙，認(rèn)識任務(wù)中的問題解決與學(xué)科核心活動中推理論證沒有建立實(shí)質(zhì)關(guān)聯(lián)，從而無法形成正確的認(rèn)識思路.具體表現(xiàn)為沒有能根據(jù)題目中求氣體壓強(qiáng)的目標(biāo)和已知條件確定解決問題中選用動量定理規(guī)律;沒有能通過對流體沖擊問題進(jìn)行分析和推理，獲得氣體壓強(qiáng)的表達(dá)式.從認(rèn)識領(lǐng)域角度分析：對動量定理中所涉及的各個物理量之間關(guān)系的理解存在問題;對定理中質(zhì)量所代表的研究對象的受力與運(yùn)動狀態(tài)變化的統(tǒng)一性認(rèn)識不足，對研究對象（ 即受力物體） 的選取不夠明確，進(jìn)而不能用牛頓第三定律清楚地轉(zhuǎn)換研究對象進(jìn)行分析并規(guī)范地表達(dá);對動量定理中合力與動量變化量的矢量方向關(guān)系理解不到位，不會熟練處理一維矢量問題.從認(rèn)識思路角度分析：解決力學(xué)問題的思維程序沒有完全建立起來，沒有通過對題目進(jìn)行分析，并選取研究對象，對其進(jìn)行受力分析、運(yùn)動狀態(tài)及過程分析，然后選擇合適的規(guī)律列方程求解的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S過程.

（3）對細(xì)節(jié)描述（即“與器壁各面碰撞的機(jī)會均等”的物理意義）的精準(zhǔn)理解不深刻.

錯誤對應(yīng)的可能原因：認(rèn)識任務(wù)中問題解決方面的執(zhí)行與評價和學(xué)科核心活動中質(zhì)疑創(chuàng)新能力欠缺，具體表現(xiàn)為得出結(jié)果后缺少對結(jié)果進(jìn)一步的分析討論或評價，對評價結(jié)果的合理性缺少有依據(jù)的質(zhì)疑.對概率知識的應(yīng)用理解不深刻.

隨著高考改革的推進(jìn)，高考作為“教”“學(xué)”的指揮棒，重點(diǎn)考查基于學(xué)科核心知識、主干知識的學(xué)科能力的考查.對學(xué)科學(xué)習(xí)能力的診斷，都要通過學(xué)科核心知識，基于學(xué)科認(rèn)識思路、認(rèn)識視角等認(rèn)識方式，進(jìn)行考查.從新高考的命題就能分析出這一點(diǎn).近些年的高考試題，基于模型建構(gòu)、推理論證、解釋與評估等過程，考查物理學(xué)科的概念理解、問題解決的能力和新知建構(gòu)的能力.因此，每年的高考命題既有傳承，又有創(chuàng)新.試題緊跟社會和科技的發(fā)展，具有很強(qiáng)的時代感，情境更加廣泛和多樣.對某種能力的考查，從試題上看，往往都具有一定的關(guān)聯(lián)性.

例題2 （2018年高考理科綜合能力測試北京卷 24題）

（1）靜電場可以用電場線和等勢面形象描述.

a.請根據(jù)電場強(qiáng)度的定義和庫侖定律推導(dǎo)出點(diǎn)電荷Q的場強(qiáng)表達(dá)式;

b.點(diǎn)電荷的電場線和等勢面分布如圖2所示，等勢面S1、S2到點(diǎn)電荷的距離分別為r1、r2.我們知道，電場線的疏密反映了空間區(qū)域電場強(qiáng)度的大小.請計算S1、S2上單位面積通過的電場線條數(shù)之比N1/N2.

（2）觀測宇宙中輻射電磁波的天體，距離越遠(yuǎn)單位面積接收的電磁波功率越小，觀測越困難.為了收集足夠強(qiáng)的來自天體的電磁波，增大望遠(yuǎn)鏡口徑是提高天文觀測能力的一條重要途徑.2016年9月25日，世界上最大的單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST在我國貴州落成啟用，被譽(yù)為“中國天眼”.FAST直徑為500m，有效提高了人類觀測宇宙的精度和范圍.

a.設(shè)直徑為100m的望遠(yuǎn)鏡能夠接收到的來自某天體的電磁波功率為P1，計算FAST能夠接收到的來自該天體的電磁波功率P2;

b.在宇宙大尺度上，天體的空間分布是均勻的.僅以輻射功率為P的同類天體為觀測對象，

設(shè)直徑為100m望遠(yuǎn)鏡能夠觀測到的此類天體數(shù)目是N0，計算FAST能夠觀測到的此類天體數(shù)目N.

本題以“中國天眼”射電望遠(yuǎn)鏡FAST為素材，考查學(xué)生基于物理學(xué)科認(rèn)識角度分析解決實(shí)際問題的能力.通過創(chuàng)設(shè)新穎的、復(fù)雜的實(shí)際情境，考查學(xué)生進(jìn)行抽象概括、建立模型、類比遷移等關(guān)鍵能力.

在（1）中，從點(diǎn)電荷的電場線入手，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“球面輻射”模型.并將電場線的“球面輻射”模型遷移到新的情境中，類比建立電磁波的“能量輻射”模型.（1）b新問題的解決，則可以類比學(xué)習(xí)過的有關(guān)磁通量的知識進(jìn)行分析.

學(xué)生在解答本題過程中，可能會遇到以下障礙：

（1）不能將文字閱讀轉(zhuǎn)化為物理情境，再從物理情境中抽象出物理模型（模型建構(gòu)）.

錯誤對應(yīng)的可能原因：學(xué)科核心活動經(jīng)驗(yàn)積累不足或不能將認(rèn)識任務(wù)與學(xué)科核心活動經(jīng)驗(yàn)相關(guān)聯(lián).具體表現(xiàn)為不能明確解決問題的目標(biāo)和已知條件，不能把實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為具體、明確、可解決的物理問題.不能從已知中獲取“觀測宇宙中輻射電磁波的天體，距離越遠(yuǎn)單位面積接收的電磁波功率越小”等信息，構(gòu)建能量輻射模型.閱讀能力和數(shù)學(xué)能力有欠缺，基于認(rèn)識表征方式，進(jìn)行概括關(guān)聯(lián)以及說明論證能力都存在問題.不能將電場線球面輻射與磁通量概念建立聯(lián)系.不能找到物理量和空間數(shù)量關(guān)系的定量表達(dá)，利用數(shù)學(xué)知識進(jìn)行求解.

（2）不能基于學(xué)科核心知識、大概念、學(xué)科認(rèn)識思路進(jìn)行推理論證.

錯誤對應(yīng)的可能原因：認(rèn)識任務(wù)中的問題解決與學(xué)科核心活動中推理論證沒有建立實(shí)質(zhì)關(guān)聯(lián)，從而無法形成正確的認(rèn)識思路.具體表現(xiàn)為不能建立知識間的聯(lián)系，不能對綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理論證.對磁通量概念的理解不夠深刻.不能通過已有知識，建構(gòu)新的知識，形成“電通量”的概念.

4 基于物理學(xué)科能力的學(xué)習(xí)診斷的再思考

對學(xué)生學(xué)習(xí)能力的診斷，指導(dǎo)教師在教學(xué)實(shí)踐過程中要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整.但具體說來，對學(xué)生學(xué)科能力的培養(yǎng)，還要結(jié)合具體實(shí)際，在學(xué)校的統(tǒng)一安排下，進(jìn)行相應(yīng)的課程研究和設(shè)置.

學(xué)校課程建設(shè)的推進(jìn)機(jī)制、教師專業(yè)發(fā)展的水平以及學(xué)校整體的課程建設(shè)，都對學(xué)科能力的培養(yǎng)有一定的影響.

4.1 學(xué)校課程建設(shè)的推進(jìn)機(jī)制

課程建設(shè)是學(xué)校教育質(zhì)量提升和特色發(fā)展的核心.課程建設(shè)的整體規(guī)劃、實(shí)施路徑等，是課程建設(shè)的前提.

4.2 教師專業(yè)發(fā)展的水平

要適應(yīng)新課改、新高考，需要教師對教材進(jìn)行主動的變動和調(diào)整，適當(dāng)刪減與學(xué)生生活實(shí)際聯(lián)系少的內(nèi)容，靈活加入時代性的內(nèi)容.這就對教師提出了新的、更高的要求.教師要加強(qiáng)理論知識的學(xué)習(xí)，不斷攝入新事物，緊跟社會發(fā)展和科技進(jìn)步.

4.3 學(xué)校整體的課程建設(shè)

學(xué)校整體的課程建設(shè)，是提升課程品質(zhì)的前提和依據(jù).學(xué)校追求的課程教育價值，應(yīng)指向培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科學(xué)習(xí)能力、提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).在此基礎(chǔ)上，教師要結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)和學(xué)生實(shí)際，進(jìn)行本學(xué)科的課程建設(shè).

基于學(xué)科核心知識、學(xué)科核心活動經(jīng)驗(yàn)，以及學(xué)科認(rèn)識方式，診斷學(xué)生在解決實(shí)際問題中的學(xué)習(xí)能力.對學(xué)生學(xué)習(xí)能力的診斷是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)的基礎(chǔ)和前提，對發(fā)展核心素養(yǎng)和提升學(xué)生能力有重要的意義和價值.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2021-07-07）