基于科學(xué)思維的高考物理試題評析與教學(xué)建議①
——以2022年廣東省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試物理試題為例

李紅偉

(廣東省廣州市第五中學(xué),廣東 廣州 510240)

1 引言

高考承載著選拔和評價功能,是落實立德樹人根本任務(wù)的重要載體和素質(zhì)教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？茖W(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面,是反映物理學(xué)科特色和育人價值的重要內(nèi)容,是學(xué)生通過學(xué)習(xí)而逐漸發(fā)展的一種關(guān)鍵能力。高考物理試題通過問題情境對學(xué)生的科學(xué)思維方式、思維深度等方面進(jìn)行考查,體現(xiàn)了物理學(xué)科在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)中的育人價值。

2 科學(xué)思維學(xué)業(yè)質(zhì)量水平劃分

科學(xué)思維是指運(yùn)用嚴(yán)謹(jǐn)求真的、實證性的邏輯思維方式解決各種問題。能夠根據(jù)對問題情境的分析,運(yùn)用實證數(shù)據(jù)分析事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和問題的內(nèi)在聯(lián)系,以抽象的概念來反映客觀事物的本質(zhì)特征和內(nèi)在聯(lián)系?？茖W(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。[1]對學(xué)生的科學(xué)思維學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的劃分如表1所示。

表1

高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量水平分為5級,其中水平2是學(xué)業(yè)水平合格性考試的命題依據(jù),水平4是用于高等院校招生錄取的學(xué)業(yè)水平等級性考試的命題依據(jù)。

3 基于科學(xué)思維的試卷分析

3.1 試卷結(jié)構(gòu)分析

2022年廣東省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試物理試卷總分100分,考試時間75分鐘,試卷具體結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2

3.2 對科學(xué)思維考查的情況分析

從試題情境、關(guān)于科學(xué)思維的考查內(nèi)容、科學(xué)思維要素和學(xué)業(yè)質(zhì)量水平等級等方面,對該試卷內(nèi)容的分析如表3所示。

(1) 該試卷重視對學(xué)生科學(xué)思維能力的考查。對學(xué)生科學(xué)思維能力的考查覆蓋全卷,且部分試題不止考查科學(xué)思維的1個要素,而是同時考查2到3個要素。從考查的科學(xué)思維學(xué)業(yè)質(zhì)量水平來看,若將對應(yīng)于水平1、水平2的試題視為容易題,對應(yīng)于水平3的試題視為中檔題,對應(yīng)于水平4要求的試題視為難題,則易、中、難分值的比例約為3∶5∶2。

(2) 該試卷對科學(xué)推理要素的考查最多,分值占比超過90%;其次是模型建構(gòu)要素,分值占比為52%;科學(xué)論證要素分值占比為35%。部分試題滲透質(zhì)疑創(chuàng)新意識,但沒有出現(xiàn)直接對質(zhì)疑創(chuàng)新要素進(jìn)行考查的試題,原因是在質(zhì)疑創(chuàng)新要素的考查方面,要求學(xué)生能夠?qū)ξ锢斫Y(jié)論提出質(zhì)疑,需要從不同角度分析問題,從創(chuàng)新視角解決問題,但高考試題要保證試題的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和公平性,需要提供統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn),一旦試題開放程度把握不好,容易引起爭議。

4 試卷對科學(xué)思維考查的特點

4.1 設(shè)置真實問題情境,考查學(xué)生模型建構(gòu)能力

物理模型是對研究客體進(jìn)行理想化處理,抓住主要因素,忽略次要因素,建構(gòu)能夠反映事物本質(zhì)特性的理想模型,包括物質(zhì)模型、狀態(tài)模型和過程模型。高考物理試題通常以日常生活、生產(chǎn)或現(xiàn)代科技為背景創(chuàng)設(shè)問題情境,要求學(xué)生根據(jù)問題情境,進(jìn)行抽象和概括,建構(gòu)能反映事物本質(zhì)特征的、方便研究的物理模型。

例1:圖1是滑雪道的示意圖?？梢暈橘|(zhì)點的運(yùn)動員從斜坡上的M點由靜止自由滑下,經(jīng)過水平NP段后飛入空中,在Q點落地。不計運(yùn)動員經(jīng)過N點的機(jī)械能損失,不計摩擦力和空氣阻力。下列能表示該過程運(yùn)動員速度大小v或加速度大小a隨時間t變化的圖像是( )。

A

圖1

本題以跳臺滑雪運(yùn)動為情境,引導(dǎo)學(xué)生熱愛體育運(yùn)動,激發(fā)學(xué)生積極參加體育鍛煉的興趣,考查學(xué)生對物理概念、規(guī)律的理解能力。在科學(xué)思維方面主要考查模型建構(gòu)能力,即在不計運(yùn)動員經(jīng)過N點的機(jī)械能損失、不計摩擦力和空氣阻力的情況下,要求考生能夠建構(gòu)運(yùn)動員在MN段做的勻變速直線運(yùn)動模型、NP段的勻速直線運(yùn)動模型、PQ段的平拋運(yùn)動模型。試題結(jié)合圖像考查運(yùn)動員速度大小v與加速度大小a隨時間t的變化關(guān)系,選項C正確。試題設(shè)問方式新穎,難度適中。

4.2 依據(jù)問題提出方案,考查創(chuàng)新能力

創(chuàng)新能力是指以現(xiàn)有的思維模式提出不同于常規(guī)思路、方法和見解的能力。該高考物理試卷雖然沒有對創(chuàng)新要素進(jìn)行直接的、顯性的考查,但很多試題中都滲透了創(chuàng)新要素,隱性考查了學(xué)生在解決問題中思維的靈活性、批判性及獨(dú)創(chuàng)性等品質(zhì)。

例2:彈性導(dǎo)電繩逐步成為智能控制系統(tǒng)中部分傳感器的敏感元件,某同學(xué)測量彈性導(dǎo)電繩的電阻與拉伸后繩長之間的關(guān)系,實驗過程如下:

(1) 裝置安裝和電路連接

如圖2(a)所示,導(dǎo)電繩的一端固定,另一端作為拉伸端,兩端分別用帶有金屬夾A、B的導(dǎo)線接入如圖2(b)所示的電路中。

圖2

(2) 導(dǎo)電繩拉伸后的長度L及其電阻Rx的測量

① 將導(dǎo)電繩拉伸后,用刻度尺測量并記錄A、B間的距離,即為導(dǎo)電繩拉伸后的長度L。

② 將滑動變阻器R的滑片滑到最右端,斷開開關(guān)S2,閉合開關(guān)S1,調(diào)節(jié)R,使電壓表和電流表的指針偏轉(zhuǎn)到合適位置,記錄兩表的示數(shù)U和I1。

③ 閉合S2,電壓表的示數(shù)(選填“變大”或“變小”),調(diào)節(jié)R使電壓表的示數(shù)仍為U,記錄電流表的示數(shù)I2,則此時導(dǎo)電繩的電阻Rx=(用I1、I2和U表示)。

④ 斷開S1,增大導(dǎo)電繩拉伸量,測量并記錄A、B間的距離,重復(fù)步驟②和③。

(3) 該電壓表內(nèi)阻對導(dǎo)電繩電阻的測量值(選填“有”或“無”)影響。

(4) 圖2(c)是根據(jù)部分實驗數(shù)據(jù)描繪的Rx-L圖線。將該導(dǎo)電繩兩端固定在某種機(jī)械臂上,當(dāng)機(jī)械臂彎曲后,測得導(dǎo)電繩的電阻Rx為1.33 kΩ,則由圖線可讀出導(dǎo)電繩拉伸后的長度為cm,即為機(jī)械臂彎曲后的長度。

4.3 通過解決實際問題,考查推理與論證能力

科學(xué)推理是由一個或幾個已知的判斷,推導(dǎo)出新結(jié)論的思維過程,包括歸納、演繹和類比推理等?？茖W(xué)論證是從證據(jù)出發(fā),通過推理達(dá)到支持主張的過程,科學(xué)論證的要素是證據(jù)和主張。在高考物理問題解決的過程中,需根據(jù)試題提供的真實情境提煉出實際問題,從中獲取有效信息,應(yīng)用相關(guān)物理知識找到問題解決的途徑,經(jīng)過推理、分析、綜合等推理與論證的思維過程,達(dá)到解決問題的目的。

圖3

(1) 比例系數(shù)k;

(2) 油滴A、B的帶電量和電性,B上升距離h2電勢能的變化量;

(3) 新油滴勻速運(yùn)動速度的大小和方向。

本題以密立根油滴實驗為情境,設(shè)置帶電粒子在電場和重力場組成的復(fù)合場中的運(yùn)動問題,考查受力分析、勻速直線運(yùn)動、動量守恒定律等知識,要求考生通過推理與論證,得出油滴A、B的帶電量和電性,得到新油滴勻速運(yùn)動速度的大小和方向。試題分析步驟較多、計算量較大,需要學(xué)生在答題過程中進(jìn)行分類討論,對學(xué)生的分析、計算能力及解題步驟的嚴(yán)謹(jǐn)性要求較高。

5 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的教學(xué)建議

5.1 通過大概念教學(xué)促進(jìn)科學(xué)思維培養(yǎng)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出:重視以學(xué)科大概念為核心,使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化,以主題為引領(lǐng),使課程內(nèi)容情境化,促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實。[1]大單元、大概念教學(xué)設(shè)計能夠架起連接學(xué)科知識與核心素養(yǎng)的橋梁,為科學(xué)思維的培養(yǎng)指明了方向。教師應(yīng)從教材出發(fā),整體審視單元教學(xué)的資源與內(nèi)容,明確單元中包含的大概念,對大概念統(tǒng)攝下的知識邏輯與思維方法進(jìn)行分析,設(shè)計教學(xué)策略、教學(xué)活動,幫助學(xué)生建構(gòu)知識層級結(jié)構(gòu),促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展,表4為“牛頓運(yùn)動定律”大單元教學(xué)設(shè)計。

表4

5.2 基于教學(xué)內(nèi)容落實科學(xué)思維的培養(yǎng)目標(biāo)

科學(xué)思維能力是在知識的學(xué)習(xí)中發(fā)展起來的,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力必須貫穿在整個物理教學(xué)中。在物理概念、規(guī)律的教學(xué)中可以培養(yǎng)不同方面的科學(xué)思維能力,必須將科學(xué)思維的培養(yǎng)納入教學(xué)目標(biāo),制定有效的培養(yǎng)計劃,讓學(xué)生在理解和掌握物理概念、規(guī)律的同時,使他們的科學(xué)思維能力得到發(fā)展與提升,表5為“自由落體運(yùn)動”的教學(xué)設(shè)計。

表5

5.3 利用物理學(xué)史提升科學(xué)思維能力

物理學(xué)史展示了物理概念、定律、理論和研究方法的發(fā)生、發(fā)展的脈絡(luò),展示了人們思考和解決物理問題的思維方式和探究歷程。因此,學(xué)習(xí)物理學(xué)史是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑。高中物理教材中的科學(xué)史蘊(yùn)含著非常豐富的科學(xué)思維方法形成的具體案例,這些案例可以與物理知識進(jìn)行有機(jī)整合,對學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展有很大幫助。如在原子結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)歷程中,湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子,否定了道爾頓的“實心球模型”,提出“西瓜模型”;盧瑟福通過α粒子散射實驗,否定了“西瓜模型”,提出“行星模型”;為解釋氫原子線狀光譜事實,玻爾在行星模型的基礎(chǔ)上提出了玻爾原子模型……這些科學(xué)史實是培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力非常好的素材。牛頓在提出萬有引力定律的過程中,將蘋果落地是由于受到地球引力這一思想延伸到月球上,體現(xiàn)了科學(xué)創(chuàng)新思維的精髓。奧斯特發(fā)現(xiàn)電生磁后,法拉第運(yùn)用對稱性思維提出了磁生電的設(shè)想,并經(jīng)過十年的探索終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

5.4 通過實驗教學(xué)培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新能力

實驗是物理教學(xué)的基礎(chǔ),是物理教學(xué)的重要內(nèi)容、方法和手段。在實驗設(shè)計、實驗實施以及實驗結(jié)果分析的過程中,能夠促使學(xué)生運(yùn)用分析、綜合、抽象、概括、比較、判斷、歸納、演繹等科學(xué)思維方法,去思考與解決探究中出現(xiàn)的問題,有助于培養(yǎng)和提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。同時實驗探究又是解開應(yīng)用性問題的鑰匙,是發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新的途徑和方法,高考試卷中的應(yīng)用性、創(chuàng)新性試題往往可以用實驗探究的方法來解決。所以,抓好實驗教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生在動手實驗的過程中開動腦筋,學(xué)會運(yùn)用新發(fā)現(xiàn)、新想法解決實際問題,可提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。[2]