創(chuàng)設(shè)真實問題情境 提升科學思維品質(zhì)
——2021年全國高考物理試題評析

黃多智

(貴州省三穗縣民族高級中學,貴州 黔東南 556500)

為契合《中國高考評價體系》建構(gòu)“核心價值、學科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識”高考考查內(nèi)容體系目標，實現(xiàn)“招—考—教—學”全流程各個環(huán)節(jié)無縫銜接、良性互動的目標，2021年高考物理命題發(fā)生了深刻變化，考題高度源于真實情境，凸顯思維品質(zhì)的重要地位。[1]

1 原題呈現(xiàn)及評析

題1(2021年全國高考甲卷第15題)：“旋轉(zhuǎn)紐扣”是一種傳統(tǒng)游戲。如圖1所示，先將紐扣繞幾圈，使穿過紐扣的兩股細繩擰在一起，然后用力反復拉繩的兩端，紐扣正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)會交替出現(xiàn)。拉動多次后，紐扣繞其中心的轉(zhuǎn)速可達50 r/s，此時紐扣上距離中心1 cm處的點，其向心加速度大小約為( )。

圖1

A. 10 m/s2B. 100 m/s2

C. 1 000 m/s2D. 10 000 m/s2

評析：該題立意很好，所選事例源于生活中的真實情境，有利于學生形成物理觀念，促進學生養(yǎng)成從物理學視角解釋自然現(xiàn)象、解決實際問題的習慣。使學生看見一個或者多個自然現(xiàn)象時，能夠自覺地運用物理概念、規(guī)律和方法去發(fā)現(xiàn)、描述和解決問題，而想要達到這樣的目的，絕不是“刷題”能夠做到。這要求在日常的教學實踐中，做到反復訓練和思考客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系，基于事實證據(jù)和科學推理，能對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進行相應的檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性的見解。[2]該考題不足的是：“紐扣游戲”已經(jīng)時代久遠，上世紀七、八十年代出生的人可能熟知，現(xiàn)在的學生甚至連題中所述的紐扣都未必見過。即便是在農(nóng)村，用紐扣做這個游戲的也不多。因此試題命制可以歷史重現(xiàn)但也要兼顧與時俱進，盡量與學生真實的生活體驗相關(guān)。

溯源：通過訪談，絕大多數(shù)學生認為解決這個問題比較容易，少數(shù)學生在研究對象的確定上出現(xiàn)了一定的偏差。這部分學生認為：紐扣的質(zhì)量未知，且整顆紐扣上每點的線速度、角速度及加速度都不一樣，因此不能取紐扣上的一點作為研究對象。實際上這樣的事例在人教版高中物理必修2中有相似的描述：一部機器由電動機帶動，機器上的皮帶輪的半徑是電動機皮帶輪半徑的3倍，皮帶與兩輪之間不發(fā)生滑動。已知機器皮帶輪邊緣上一點的向心加速度為0.10 m/s2……[3]

在人教版的這道題里面提到了皮帶輪邊緣上一點的加速度，只要在平時的教學中善于引導學生進行物理情境的分析，上述問題就會迎刃而解。

圖2

題2(2021年全國高考乙卷第18題)：科學家對銀河系中心附近的恒星S2進行了多年的持續(xù)觀測，給出1994年到2002年間S2的位置，如圖2所示。科學家認為S2的運動軌跡是半長軸約為1 000 AU(太陽到地球的距離為1 AU)的橢圓，銀河系中心可能存在超大質(zhì)量黑洞。這項研究工作獲得了2020年諾貝爾物理學獎。若認為S2所受的作用力主要為該大質(zhì)量黑洞的引力，設(shè)太陽的質(zhì)量為M，可以推測出該黑洞質(zhì)量約為( )。

A. 4×104M

B. 4×106M

C. 4×108M

D. 4×1010M

評析：這是一道以科學史實為背景的試題，考查萬有引力定律及相關(guān)知識。歷年來，以重大科學發(fā)現(xiàn)史料為背景的試題很多，不同之處在于：以往僅僅是以重大科學發(fā)現(xiàn)為引子，另外給出經(jīng)過簡化的物理現(xiàn)象和過程，通過抽象概括出物理本質(zhì)，然后建構(gòu)物理模型解決問題，還是有較濃的“解題”味道。而本題直接給出科學發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象以及記錄的數(shù)據(jù)，其中關(guān)鍵數(shù)據(jù)“S2的周期約為16年”需要學生通過對簡圖的分析與總結(jié)得到，科學家在進行科學研究的過程中也常常畫這樣的簡圖，物理教學也普遍地畫草圖幫助分析。學習的效果、思維的品質(zhì)直接決定學生能否找到圖2中數(shù)據(jù)的特征，從而發(fā)現(xiàn)恒星S2的周期這個關(guān)鍵數(shù)據(jù)。很明顯，這種操作使得“解決問題”的味道更濃，更加接近科學研究和發(fā)現(xiàn)的實際。費曼指出：物理學家總認為你需要著手的只是：給定如此這般的條件下，會冒出什么結(jié)果？對科學現(xiàn)象進行分析抽象，收集并基于證據(jù)做出推理判斷、檢驗修正等，這些正是“解決問題”所需的科學思維。

在解答本題時，很多學生往往局限于文字、所給的數(shù)據(jù)以及圖形呈現(xiàn)的軌跡特征，囿于開普勒行星運動定律的常數(shù)由中心天體決定的認識，而沒有辦法使問題得到解決。已經(jīng)來到門邊卻沒有進去，實在遺憾?？此埔稽c點的差距，其實有深刻的內(nèi)涵在其中，值得高中一線教師深思：教學要改革，要把學生置于真實的物理情境中去發(fā)現(xiàn)、描述和解決問題。彭前程指出：突出核心素養(yǎng)教育的教學設(shè)計應該是“思維型教學”，大致流程是創(chuàng)設(shè)情境、提出問題、自主探究、總結(jié)反思、應用遷移。[4]可以說：高中物理無情境不教學。

溯源：圖2是恒星S2的運動軌跡圖，它揭示了：(1) 繞其他天體運行并不是行星的專利，恒星也可以繞其他天體(比如黑洞)運行；(2) S2運行的軌跡是橢圓，符合開普勒行星運動第一定律；(3) S2運行的半個周期是8年(1994年到2002年)，周期是16年。

行星的軌跡圖在教材中也會有呈現(xiàn)，只是我們在教學中忙于解題、刷題，遠離了教材，偏離了根本，人教版高中物理必修2中的“科學足跡”欄目就展示了火星的逆行軌跡。

對于物理圖像，學生可以從斜率、截距、交點、面積等方面探究圖像的物理意義，但是學生對實物場景圖會感到陌生，這說明學生收集證據(jù)和運用證據(jù)的能力不足。隨著高考改革的推進，考試命題思想的轉(zhuǎn)變提示我們在今后的教學中要將知識寓于真實的情境中，要著力培養(yǎng)學生收集證據(jù)、運用證據(jù)，以及基于證據(jù)發(fā)現(xiàn)問題、描述問題和解決問題的能力。

題3(2021年全國高考甲卷第24題)：如圖3所示，一傾角為θ的光滑斜面上有50個減速帶(圖中未完全畫出)，相鄰減速帶間的距離均為d，減速帶的寬度遠小于d；一質(zhì)量為m的無動力小車(可視為質(zhì)點)從距第一個減速帶L處由靜止釋放。已知小車通過減速帶損失的機械能與到達減速帶時的速度有關(guān)。觀察發(fā)現(xiàn)，小車通過第30個減速帶后，在相鄰減速帶間的平均速度均相同。小車通過第50個減速帶后立刻進入與斜面光滑連接的水平地面，繼續(xù)滑行距離s后停下。已知小車與地面間的動摩擦因數(shù)為μ，重力加速度大小為g。

圖3

(1) 求小車通過第30個減速帶后，經(jīng)過每一個減速帶時損失的機械能；

(2) 求小車通過前30個減速帶的過程中在每一個減速帶上平均損失的機械能；

(3) 若小車在前30個減速帶上平均每一個損失的機械能大于之后每一個減速帶上損失的機械能，則L應滿足什么條件？

評析：小車現(xiàn)在已經(jīng)是普遍的家庭交通工具，小車經(jīng)過減速帶也是大家習以為常的事情。本題以小車通過減速帶為背景提出問題讓學生解答，符合《國務院辦公廳關(guān)于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》中提出的要求：“創(chuàng)新試題形式，加強情境設(shè)計，注重聯(lián)系社會生活實際，增加綜合性、開放性、應用性、探究性試題”。近幾年高考卷第24題的難度都不大，情境簡單，問題淺顯，都是基本概念、基本規(guī)律和基本方法的直接運用，不需要太多計算和思考，較易解決。在2021年，無論是甲卷還是乙卷，這樣的題幾乎沒有。依靠“刷題”提高學習成績的做法十分被動，高考試題的變化使大多數(shù)師生感到不適，認為物理題太難。從2021年的考卷來看，尤其是甲卷，情境新穎、計算量大、信息豐富，對思維品質(zhì)要求很高?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準(2017年版，2020年修訂)》《中國高考評價體系》《教育部關(guān)于加強和改進中小學實驗教學的意見》等綱領(lǐng)性文件對此已經(jīng)提出明確要求，只是我們研究得多，落實得少，復習依舊是依靠大量教輔資料。

考后，筆者對部分學生進行了訪談，結(jié)果表明題目做錯有以下原因：一是直接把這道題當成通過連續(xù)相等位移的勻變速直線運動的問題來處理；二是文字理解力差，弄不清物理情境，找不到隱含的物理量之間的關(guān)系?？偸前凑铡八㈩}”的老套路思考，其結(jié)果是問題理解不清，自然也就沒有辦法解決。從本質(zhì)上講，本題考查了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，學生往往忽視這些不是具體的公式、等式、圖表的問題，不習慣于解決這類問題。恰恰這又是實際的問題：小車經(jīng)過減速帶有能量損失，動能(速度)減??；經(jīng)過減速帶后又加速，動能(速度)增加，小車通過第30個減速帶后，在相鄰減速帶間的平均速度均相同。

2 新高考應對策略

2.1 淡化考點意識，提升關(guān)鍵能力

過去有考綱作參考，題型及試題難度都比較容易把握，教輔資料也能根據(jù)考綱做出相應變化，應對自如?，F(xiàn)在，考試以課程標準為依據(jù)，不再發(fā)布考綱，試題命制的變數(shù)在增加，教輔資料一時也難以追蹤。在這樣的背景下，教師應該自覺淡化考點意識，認真研讀課程標準、教材等，深刻領(lǐng)會，勤于實踐。圍繞學科關(guān)鍵能力和科學思維的提升，切實從帶領(lǐng)學生研究考題向研究問題轉(zhuǎn)變，從研究題型向研究現(xiàn)象轉(zhuǎn)變。以學習陪伴者的身份啟迪學生自己發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象、物理過程中的問題，描述并解決問題。

2.2 創(chuàng)設(shè)真實物理情境，促使學生從被動解答問題向主動解決問題轉(zhuǎn)變

創(chuàng)設(shè)真實的物理情境不僅僅是在實驗室，更多的要走入社會大課堂，進工廠、到高校、深入田地原野之間。到這些地方去體驗真實的情境，反復分析、總結(jié)，找出物理本質(zhì)，找到問題解決的辦法，同時增強情感體驗，使學生得到“教育性發(fā)展”。過去學生做試卷、做實驗都是被動的，設(shè)計好的，過程中沒有意外，完成任務就是完美?？墒且坏綄嶋H中去，千變?nèi)f化、千頭萬緒，學生眼花繚亂，不知道從何入手，一撂撂試卷堆疊得來的知識經(jīng)驗派不上用場。比如2021年的甲卷第24題、乙卷第18題等，學生感到很難就是這個原因。在真實的情境中，學生從物理學視角，運用所學知識對現(xiàn)象及過程進行分析，實現(xiàn)“第二次翻轉(zhuǎn)”。透過此類知識的學習，“見到”“體驗到”那些“不可言說”“不可分析”“只可意會不可言傳”的存在。[5]這使得學生從已有的經(jīng)驗、知識水平出發(fā)，簡約地經(jīng)歷人類發(fā)現(xiàn)與建構(gòu)知識的過程，形成物理觀念，提升科學思維等能力。