學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的高考物理實(shí)驗(yàn)試題分析與教學(xué)策略
——以2022年全國(guó)甲卷物理實(shí)驗(yàn)試題為例

董友軍，朱建山，劉 芳

(1.北京師范大學(xué)廣州實(shí)驗(yàn)學(xué)校，廣東 廣州 510700;2.深圳市光明區(qū)馬山頭學(xué)校，廣東 深圳 518106；3.北京教育學(xué)院豐臺(tái)分院，北京 100073)

高考是普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試的簡(jiǎn)稱，是國(guó)家選拔優(yōu)秀人才的重要方式，其考查功能為“立德樹人、服務(wù)選才、引導(dǎo)教學(xué)”，考查內(nèi)容為“核心價(jià)值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備品格”，考查要求為“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”.

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是物理學(xué)研究的方法. 《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中指出“物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系”. 高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量根據(jù)問題情境化程度、知識(shí)結(jié)構(gòu)化程度和思維方式綜合化程度等劃分為5級(jí)水平，這是高考試題命題的重要依據(jù). 高考物理實(shí)驗(yàn)試題通過題型創(chuàng)新和應(yīng)用已學(xué)的物理知識(shí)考查學(xué)生的科學(xué)探究能力[1]. 因此，高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不是只落實(shí)科學(xué)探究1個(gè)方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，而是落實(shí)4個(gè)方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，即幫助學(xué)生形成物理觀念、提升科學(xué)思維、訓(xùn)練科學(xué)探究能力、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[2]. 高考物理實(shí)驗(yàn)試題不僅可以引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會(huì)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)科學(xué)思維習(xí)慣，還可以增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力. 因此，高考學(xué)業(yè)質(zhì)量5級(jí)水平與“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的進(jìn)階水平的內(nèi)在邏輯一致，具有對(duì)應(yīng)關(guān)系. 本文基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，通過對(duì)2022年全國(guó)甲卷物理實(shí)驗(yàn)試題的分析，提出了學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的高考物理教學(xué)策略.

1 學(xué)習(xí)進(jìn)階簡(jiǎn)介

學(xué)習(xí)進(jìn)階是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外教育教學(xué)研究熱點(diǎn)，被譽(yù)為提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率的“靈丹妙藥”[3]. 學(xué)習(xí)進(jìn)階融合了布魯納的“螺旋式課程設(shè)計(jì)”、維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)理論”和奧蘇貝爾的“有意義學(xué)習(xí)理論”等，對(duì)指導(dǎo)中學(xué)物理教學(xué)、發(fā)展科學(xué)探究核心素養(yǎng)具有推動(dòng)作用.

1.1 學(xué)習(xí)進(jìn)階內(nèi)涵

學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生在較大時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)和研究某一主題時(shí)所遵循的連貫、逐漸深入的思維路徑的描述[4]，或者是對(duì)學(xué)生在各學(xué)段學(xué)習(xí)同一主題概念時(shí)所遵循的連貫、典型的學(xué)習(xí)路徑的描述[5]. 它包括進(jìn)階起點(diǎn)、進(jìn)階水平、進(jìn)階終點(diǎn)、進(jìn)階變量和測(cè)評(píng)工具等要素(見圖1). 進(jìn)階起點(diǎn)指學(xué)生的現(xiàn)實(shí)情況，包括學(xué)生已有知識(shí)、思維能力和前概念等；進(jìn)階水平指學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)表現(xiàn)，是進(jìn)階起點(diǎn)通向進(jìn)階終點(diǎn)的臺(tái)階；進(jìn)階終點(diǎn)指教學(xué)目標(biāo)，當(dāng)前教學(xué)目標(biāo)主要是發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)；進(jìn)階變量指核心概念和關(guān)鍵能力；測(cè)評(píng)工具指針對(duì)進(jìn)階教學(xué)的評(píng)價(jià)試卷.

圖1 學(xué)習(xí)進(jìn)階要素

進(jìn)階起點(diǎn)、進(jìn)階水平和進(jìn)階終點(diǎn)組成了學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下高中物理教學(xué)通路，并通過進(jìn)階變量的引領(lǐng)和測(cè)評(píng)工具的修正把各自獨(dú)立的課時(shí)教學(xué)內(nèi)容整合到物理學(xué)科核心概念之中，從而讓每節(jié)物理教學(xué)既能培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力，又能發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng).

1.2 學(xué)習(xí)進(jìn)階層級(jí)

針對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，郭玉英教授團(tuán)隊(duì)總結(jié)出學(xué)生認(rèn)知發(fā)展可描述為5個(gè)層級(jí)[6]：a.經(jīng)驗(yàn)(Ex-perience)，即學(xué)生具有尚未關(guān)聯(lián)的零散事實(shí)；b.映射(Mapping)，即學(xué)生建立事實(shí)與術(shù)語之間的關(guān)系；c.關(guān)聯(lián)(Relation)，即學(xué)生建立術(shù)語與多個(gè)事實(shí)關(guān)系；d.系統(tǒng)(System)，即學(xué)生從系統(tǒng)角度協(xié)調(diào)變量關(guān)系；e.整合(Integration)，即學(xué)生有學(xué)科觀念與跨學(xué)科概念. 根據(jù)層級(jí)描述，可以看出學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平是從零散到系統(tǒng)、從具體到抽象、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過程.

2 學(xué)習(xí)進(jìn)階層級(jí)與科學(xué)探究水平的對(duì)應(yīng)關(guān)系

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素. 高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)把科學(xué)探究劃分為5級(jí)水平，其中科學(xué)探究水平2是 “學(xué)考”的命題依據(jù)，科學(xué)探究水平4是 “高考”的命題依據(jù). 學(xué)習(xí)進(jìn)階層級(jí)與科學(xué)探究水平的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示.

表1 學(xué)習(xí)進(jìn)階層級(jí)與科學(xué)探究水平的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的高考物理實(shí)驗(yàn)試題分析

全國(guó)甲卷物理實(shí)驗(yàn)試題有2題，總計(jì)7個(gè)設(shè)問：映射層級(jí)設(shè)問1個(gè)、關(guān)聯(lián)層級(jí)設(shè)問3個(gè)、系統(tǒng)層級(jí)設(shè)問1個(gè)、整合層級(jí)設(shè)問2個(gè)，沒有經(jīng)驗(yàn)層級(jí)設(shè)問(見表2). 映射層級(jí)主要考查實(shí)驗(yàn)器材(氣墊導(dǎo)軌)的使用，關(guān)聯(lián)層級(jí)主要考查物理量(電學(xué)物理量、力學(xué)物理量)之間的關(guān)系，系統(tǒng)層級(jí)主要考查物理規(guī)律(動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律)的理解，整合層級(jí)主要考查物理規(guī)律(歐姆定律、動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定律)的應(yīng)用. 分析還發(fā)現(xiàn)，2個(gè)實(shí)驗(yàn)試題的第1個(gè)設(shè)問，都是整合層級(jí)，即最高層級(jí)，說明實(shí)驗(yàn)試題的思維起點(diǎn)高、綜合應(yīng)用強(qiáng)，且后面的設(shè)問又與第1個(gè)設(shè)問有關(guān)聯(lián)，相互牽制、一榮俱榮、首錯(cuò)俱錯(cuò).

表2 設(shè)問層級(jí)

2022年全國(guó)甲卷物理試卷22題：某同學(xué)要測(cè)量微安表內(nèi)阻，可利用的實(shí)驗(yàn)器材有：電源E(電動(dòng)勢(shì)1.5 V，內(nèi)阻很小)、電流表A(量程10 mA，內(nèi)阻約10 Ω)、微安表G(量程100 μA，內(nèi)阻Rg待測(cè)，約1 kΩ)、滑動(dòng)變阻器R(最大阻值10 Ω)、定值電阻R0(阻值10 Ω)、開關(guān)S、導(dǎo)線若干.

(1)在答題卡上將圖2中所示的器材符號(hào)連線，畫出實(shí)驗(yàn)電路原理圖____；

圖2 22題題圖

(2)某次測(cè)量中，微安表的示數(shù)為90.0 μA，電流表的示數(shù)為9.00 mA，由此計(jì)算出微安表內(nèi)阻Rg=____Ω.

設(shè)問1.1為考查電路設(shè)計(jì). 由于設(shè)問1.2要測(cè)量微安表G的內(nèi)阻Rg，根據(jù)部分電路歐姆定律Rg=UG/IG，其中IG可以通過微安表G直接讀出，UG可以由微安表G的電流IG、電流表A的電流IA和定值電阻R0計(jì)算得出UG=R0(IA-IG),根據(jù)串并聯(lián)電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，對(duì)器材符號(hào)連線，畫出實(shí)驗(yàn)電路原理圖(見圖3). 要正確解答本設(shè)問，學(xué)生需要掌握電流表原理、并聯(lián)電路特點(diǎn)、部分電路歐姆定律，即“能制訂有一定新意的科學(xué)探究方案，靈活選用合適的器材獲得數(shù)據(jù)”，屬于整合層級(jí).

圖3 原理圖

2022年全國(guó)甲卷物理試卷23題：利用圖示4的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)碰撞過程進(jìn)行研究. 讓質(zhì)量為m1的滑塊A與質(zhì)量為m2的靜止滑塊B在水平氣墊導(dǎo)軌上發(fā)生碰撞，碰撞時(shí)間極短，比較碰撞后A和B的速度大小v1和v2，進(jìn)而分析碰撞過程是否為彈性碰撞. 完成下列填空：

圖4 23題題圖

(1)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平；

(2)測(cè)得兩滑塊的質(zhì)量分別為0.510 kg和0.304 kg. 要使碰撞后兩滑塊運(yùn)動(dòng)方向相反，應(yīng)選取質(zhì)量為____kg的滑塊作為A；

(3)調(diào)節(jié)B的位置，使得A與B接觸時(shí)，A的左端到左邊擋板的距離s1與B的右端到右邊擋板的距離s2相等；

(4)使A以一定的初速度沿氣墊導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，并與B碰撞，分別用傳感器記錄A和B從碰撞時(shí)刻開始到各自撞到擋板所用的時(shí)間t1和t2；

(5)將B放回到碰撞前的位置，改變A的初速度大小，重復(fù)步驟(4). 多次測(cè)量的結(jié)果如下表所示；

12345t1/s0.490.671.011.221.39t2/s0.150.210.330.400.46k=v1v20.31k20.330.330.33

(6)表中的k2=____；(保留2位有效數(shù)字)

4 學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的高考物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

教學(xué)策略是在特定教學(xué)情境中，為完成教學(xué)目標(biāo)和適應(yīng)學(xué)生認(rèn)知需要而制定的教學(xué)程序計(jì)劃和采取的教學(xué)措施[7]. 依據(jù)2022年全國(guó)甲卷物理實(shí)驗(yàn)試題分析結(jié)果，從學(xué)習(xí)進(jìn)階的視角對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出4點(diǎn)教學(xué)策略.

4.1 用“一量多材”突破映射層級(jí)試題

“一量多材”是指用多種實(shí)驗(yàn)器材測(cè)量1個(gè)物理量. 俗話說“巧婦難為無米之炊”，器材如米，實(shí)驗(yàn)如炊，沒有器材就沒有實(shí)驗(yàn). 做實(shí)驗(yàn)離不開器材的選取，測(cè)量1個(gè)物理量，選取多種器材，既可以促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)的完整，也可以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維[8]. 例如設(shè)問2.2需要測(cè)量瞬時(shí)速度，既可以用本實(shí)驗(yàn)的氣墊導(dǎo)軌測(cè)量，也可以引導(dǎo)學(xué)生用光電門、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(或電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)、位移傳感器、壓力式托盤秤等測(cè)量[9]. 通過“一量多材”，學(xué)生既能夠掌握多種器材的操作程序以增長(zhǎng)見識(shí)，也能夠發(fā)展高階思維，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，從而突破映射層級(jí)試題.

4.2 用“一理多用”突破關(guān)聯(lián)層級(jí)試題

“一理多用”是指用1個(gè)實(shí)驗(yàn)原理實(shí)現(xiàn)多種用途，即根據(jù)原理去挑選實(shí)驗(yàn)器材，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)順序，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)誤差，等等. 原理常為物理規(guī)律或物理公式，是物理實(shí)驗(yàn)的核心. 原理既是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，也是解決實(shí)驗(yàn)設(shè)問的歸宿點(diǎn). 例如22題，其原理是歐姆定律，包括閉合電路歐姆定律和部分電路歐姆定律. 通過原理分析，既可以解決設(shè)問1.1，正確畫出實(shí)驗(yàn)電路原理圖，也可以解決設(shè)問1.2，計(jì)算出微安表內(nèi)阻. 學(xué)生抓住了原理，就抓住了解題思路，找到了解題方向，從而突破了關(guān)聯(lián)層級(jí)試題.

4.3 用“以點(diǎn)為面”突破系統(tǒng)層級(jí)試題

“以點(diǎn)為面”是指把知識(shí)點(diǎn)變?yōu)橹R(shí)面，呈現(xiàn)知識(shí)縱橫交錯(cuò)，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的深刻理解. 例如22題，通過閉合電路知識(shí)點(diǎn)，可以變?yōu)?個(gè)知識(shí)面：歐姆定律、串并聯(lián)電路規(guī)律、純電阻電路與非純電阻電路，以及其對(duì)應(yīng)的電壓、電流、電阻、電熱、電功率之間的關(guān)系. 知識(shí)既具有獨(dú)立性又具有關(guān)聯(lián)性，通過以點(diǎn)帶面，促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化、可視化，讓知識(shí)的聯(lián)系更加清晰，有助于學(xué)生靈活應(yīng)用物理知識(shí)，突破系統(tǒng)層級(jí)試題.

4.4 用“以法為心”突破整合層級(jí)試題

“以法為心”是指方法是物理教學(xué)的中心. 高中物理教學(xué)，需要以科學(xué)方法為中心構(gòu)建知識(shí)體系，如圖5所示. 通過科學(xué)方法從自然現(xiàn)象中得到物理知識(shí)，通過科學(xué)方法從物理知識(shí)中得到函數(shù)關(guān)系，通過科學(xué)方法從函數(shù)關(guān)系中得到拓展應(yīng)用，科學(xué)方法把自然現(xiàn)象、科學(xué)知識(shí)、函數(shù)關(guān)系、拓展應(yīng)用聯(lián)結(jié)起來，處于整個(gè)物理教學(xué)關(guān)系的中心. 科學(xué)方法包括學(xué)科方法和思維方法：學(xué)科方法屬于強(qiáng)認(rèn)知方法，體現(xiàn)學(xué)科特點(diǎn)，可遷移性弱；思維方法屬于弱認(rèn)知方法，貫穿各學(xué)科，可遷移性強(qiáng)[10].

圖5 科學(xué)方法中心結(jié)構(gòu)

高考物理實(shí)驗(yàn)試題源于教材又超越教材，形變而神不變，即實(shí)驗(yàn)原理、器材、過程在變化，但解決問題的方法不變. 所以教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，既要要求學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，也要要求學(xué)生掌握解決問題的方法. 例如23題，只要學(xué)生掌握氣墊導(dǎo)軌測(cè)速方法、動(dòng)量守恒解題方法、機(jī)械能守恒解題方法，就可以解決本題. 因此，在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生反思實(shí)驗(yàn)過程，總結(jié)解題方法，從而實(shí)現(xiàn)方法遷移，突破整合層級(jí)試題.

5 結(jié)束語

本文在“學(xué)習(xí)進(jìn)階”視域下，通過分析2022年全國(guó)甲卷物理實(shí)驗(yàn)試題，提出高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，不僅可以精準(zhǔn)把握高考命題的特點(diǎn)，也可以高效指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方向，實(shí)現(xiàn)“以考促教、以考促學(xué)”，從而減輕學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).