構建試題分析框架 培養(yǎng)學科關鍵能力
——2022 年全國高考甲卷第18 題解析與思考

王小軍

西北大學附屬中學，西安 710069

高考評價體系主要由“一核、四層、四翼”三部分內(nèi)容組成。物理學科考試是以高考評價體系為指引，以關鍵能力考查為重點，凸顯物理學科的自身特點，來創(chuàng)新命制符合高考評價體系理念的物理學科試題。2022 年全國甲卷第18 題以帶電粒子運動軌跡的分析和判定為情境創(chuàng)設背景，試題立意新穎，凸顯了綜合性、創(chuàng)新性，考查了學生的物理學科關鍵能力，體現(xiàn)了“一核、四層、四翼”的考查要求。本文基于高考評價體系對物理學科考試內(nèi)容的定位，對物理學科考試試題進行解構，結(jié)合物理學科關鍵能力構建物理學科試題分析框架，并用試題分析框架對2022 年全國甲卷第18 題進行解題分析，探索可視化的試題分析思維流程，以期對高中物理試題分析教學有所啟示。

1 物理學科考試

1.1 物理學科考試內(nèi)容的定位

物理學科考試內(nèi)容是以高考評價體系為指導，依據(jù)高校人才選拔要求和普通高中物理課程標準，在物理學科本質(zhì)的基礎上，確定物理學科考試的總體思路和實施路徑，創(chuàng)新性地實施物理學科考試內(nèi)容的測量與評價（圖1）［1］。

圖1 物理學科考試的建構示意圖

1.2 物理學科關鍵能力

物理學科考試內(nèi)容的關鍵能力，指經(jīng)過高中階段的學習后，考生在應對現(xiàn)實問題情境或?qū)W術問題情境時，認識問題、分析問題和解決問題必須具備的能力。高考評價體系將關鍵能力分為知識獲取能力群、實踐操作能力群、思維認知能力群三個層次［1］。在高考評價體系的指引下理解能力、模型建構能力、邏輯推理能力、分析綜合能力、信息加工能力、實驗探究能力六種能力為物理學科內(nèi)容的關鍵能力。

高考評價體系對物理試題提出明確的要求，物理學科試題是以物理學科素養(yǎng)為內(nèi)核，創(chuàng)設生活實踐問題情境或?qū)W習探索問題情境，情境用物理語言進行關鍵表述，以立德樹人的“金線”為統(tǒng)領，以必備知識為基礎，以學科素養(yǎng)考查為導向，以關鍵能力考查為重點所形成的具體問題，它的終極任務是“服務選材”，滿足高校人才選拔需求（圖2）。

圖2 物理學科試題解構示意

2 基于物理學科關鍵能力的物理學科試題分析框架

學生解決問題的過程就是一個自我綜合素養(yǎng)和能力的集中反映過程。在解決問題的過程中，學生普遍存在的問題是理解和判斷能力不夠，言之無物。對題干信息沒有仔細閱讀，遺漏信息或者曲解題干條件導致讀不懂題或讀錯題；轉(zhuǎn)換信息表征能力不夠，言之無理。無法深層理解題干信息，無法將題干信息轉(zhuǎn)化為表征正確的物理變量及變量間的關聯(lián)，即對情境中對應的物理過程、狀態(tài)理解模糊，導致建構模型錯誤或有偏差；邏輯推理綜合能力欠缺，言之無據(jù)。無法關聯(lián)題干的問題與條件，邏輯推理、演繹能力弱，不能正確、完整地運用物理規(guī)律解決問題。究其原因，就是沒有形成正確的試題分析思維流程，無法構建分析問題思維框架。

試題情境、條件、模型可以根據(jù)生活實踐、學習探索情境千變?nèi)f化，但是解決問題的規(guī)律是相對穩(wěn)定的，就是結(jié)合物理學科關鍵能力與物理試題解構流程將分析思維顯現(xiàn)化、程序化，提高解決問題的能力，實現(xiàn)學生物理學科關鍵能力的目的培養(yǎng)。如圖3 所示，解題具體過程為：①提取關鍵信息——言之有物。認真仔細、逐字逐句地閱讀題干，從問題情境的關鍵表述中，依據(jù)相關物理必備知識，準確、全面、敏銳地進行信息識別與篩選，提取題干關鍵表述，用物理視角、物理思維對有效信息進行挖掘與加工，凝練為相應物理情境與物理事實。②分析綜合建?！灾欣怼ξ锢砬榫撑c物理事實有效地進行分析綜合、表征變換，明確題干中的物理變量、變量間的關系及變化過程，即明確研究對象的物理狀態(tài)和物理過程，建構正確的物理模型。③邏輯推理演繹——言之有據(jù)。選取正確的物理規(guī)律對建構的物理模型進行邏輯推理、演繹及清晰表達，最終解決問題。

圖3 物理學科試題分析框架

3 典型問題剖析

例題（2022 年全國甲卷第18 題）空間存在著勻強磁場和勻強電場，磁場的方向垂直于紙面（xOy 平面）向里，電場的方向沿y 軸正方向。一帶正電的粒子在電場和磁場的作用下，從坐標原點O 由靜止開始運動。如圖4，下列四幅圖中，可能正確描述該粒子運動軌跡的是（ ）

圖4 粒子運動軌跡圖

試題立意：本題以帶電粒子在正交電磁場作用下的運動為背景素材，創(chuàng)設判定粒子運動軌跡的學習探索問題情境，主要考查靜電力、洛倫茲力以及運動的合成與分解等知識和推理論證能力。

學生錯解情況分析：①理解能力、信息加工能力不足，言之無物。部分學生不能熟練運用左手定則判斷洛倫茲力的方向，對洛倫茲力和靜電力對粒子軌跡的影響理解不到位，錯選A 或C選項。部分學生糾結(jié)于B，D 選項之間，但又無從下手，只能憑個人感覺進行隨意分析，導致錯選。②分析綜合能力不足，言之無理。不能對影響帶電粒子做變速曲線運動的決定因素進行正確的綜合分析，對粒子在正交電磁場中的運動狀態(tài)和過程的內(nèi)在原因分析錯誤，部分學生可以鎖定B，D 選項，但又無法甄別兩選項，錯選C 選項。③邏輯推理能力不足，言之無據(jù)。部分學生糾纏于洛倫茲力和靜電力的合成，不能準確地理解洛倫茲力始終與粒子運動方向垂直，對粒子不做功，只改變粒子的運動方向。因為只有靜電力對粒子做功，粒子的速度大小只與靜電力做功有關。

結(jié)果是不能準確把握問題實質(zhì)，對圓周運動向心力公式、電場力對粒子做功能量關系、運動的合成與分解等規(guī)律不能準確地進行推理演繹。

現(xiàn)依據(jù)物理學科關鍵能力的物理學科試題分析框架對該例題進行分析：

3.1 提取關鍵信息——言之有物（表1）

表1 2022 年全國甲卷第18 題分析

3.2 分析綜合建模——言之有理

在判定帶電粒子的運動軌跡的問題時，學生容易產(chǎn)生思維定式，在已有的知識背景中，誤認為粒子軌跡是拋物線、圓弧一部分或橢圓弧一部分。帶電粒子在正交電磁場中運動時，靜電力會對粒子做功，引起帶電粒子速度改變，從而又引起洛倫茲力改變，所以粒子軌跡既非圓周又非拋物線，而是變速曲線運動。

3.3 邏輯推理演繹——言之有據(jù)

方法一：粒子受力定性分析

磁場的方向垂直于紙面向里，電場的方向沿y 軸正方向，粒子在洛倫茲力和靜電力的作用下從坐標原點由靜止開始運動，粒子所受靜電力沿電場方向，根據(jù)左手定則判斷洛倫茲力方向，可知粒子應向x 軸負方向進行偏轉(zhuǎn)，故A，C 選項錯誤；電場的方向沿y 軸正方向，則x 軸是勻強電場的等勢線，又由于粒子所受洛倫茲力不做功，靜電力對粒子做功，當粒子再次回到x 軸時靜電力對粒子做功為零，速度必將為零，粒子不進入第三象限，故C，D 選項錯誤；由于再次回到x 軸時粒子速度為零，可知粒子將完全重復之前的運動做周期性的變速曲線運動，故B 選項正確。試題分析框架如圖5 所示。

圖5 試題解構流程圖

方法二：“配對速度法”定性分析。

在正交電磁場中，粒子受靜電力和洛倫茲力作用，初速度為零。將其等效為水平向右的分速度v1和水平向左的分速度v2，v1=v2，且qv2B=qE。粒子運動可以看成兩個分運動的合運動，兩分運動分別為：如圖6 甲以速度沿x 軸負方向的勻速直線運動；如圖6 乙以線速度v1做逆時針勻速圓周運動［2］。

圖6 運動分解圖

粒子實際的軌跡為兩個分運動的合運動，現(xiàn)定性討論合速度的大小變化和方向變化：

如圖7 所示，進行速度合成。初始狀態(tài)粒子由靜止開始運動，即v合0=0。之后由矢量合成三角形法則可知合速度逐漸增大，當v1水平向左時合速度v合3最大，v合3=2v1，即v合0→v合3過程中粒子合速度大小由0 增大到2v1，其原因是靜電力對粒子做正功；同理如圖8 所示，v合4→v合5→v合6過程合速度逐漸減小，直至v合6=0，其原因是靜電力對粒子做負功。如圖7、圖8，粒子合速度方向在v合0→v合3→v合6過程中，從與x 軸負方向夾角趨近于減小到0 再增加到與x 軸負方向夾角趨近于。因為粒子再次回到x 軸時v合6=0，故粒子不進入第三象限，之后重復之前的運動。實際軌跡中任一點的切線為該點的合速度方向，則定性畫出軌跡如圖9 所示，與B 選項情境相符合。

圖7 速度合成圖

圖8 速度合成圖

圖9 粒子運動軌跡

上述方法只是對粒子軌跡進行定性分析，并沒有解決帶電粒子的運動軌跡究竟是什么的問題。是拋物線還是一個圓?。炕蛘呤菣E圓弧還是任意曲線？ 學生普遍感到困惑不解，這就需要對帶電粒子在正交電磁場中的運動軌跡進行深度分析。

方法三：“配對速度法”定量分析。

圖10 粒子分運動合成圖

圓周向負x 軸平移距離為x'=v2t，逆時針旋轉(zhuǎn)θ=ωt，則

將（3）（4）式進行化簡整理得

由（5）（6）式并結(jié)合數(shù)學知識得帶電粒子的運動軌跡為擺線［3］，如圖11 所示。

圖11 粒子運動軌跡圖

通過上述分析，學生不僅知其然，而且還知其所以然，學生的物理關鍵能力、思維品質(zhì)得到進階提升。

4 教學思考

4.1 重視有效獲取和解構信息——言之有物

新高考在試題載體方面重視情境的融入和創(chuàng)新，以此承載考查內(nèi)容，實現(xiàn)考查要求。情境是運用文字、數(shù)據(jù)、圖表等形式，圍繞一定主體加以設置的，為呈現(xiàn)解題信息、設計問題任務、達成測評目標而提供載體。教學中面對一個情境問題，我們不僅要從靜態(tài)角度獲取文字、符號、圖像（表）等顯性信息，更要從動態(tài)角度、邏輯關聯(lián)角度獲取與解構有用的隱性信息［4］。

如例題中，粒子在靜電力和洛倫茲力的共同作用下做復雜的變速曲線運動，超出學生認知能力，在教學中要著力培養(yǎng)學生有效獲取、解構、加工題干信息的能力。本題應抓住兩個信息關鍵點，一是根據(jù)洛倫茲力方向定性判斷粒子向左偏，二是加工題干信息得出x 軸為等勢線，則可知粒子再次到x 軸時速度一定為零，粒子一定不進入第三象限。

4.2 重視思維認知引導——言之有理

新高考在命題邏輯方面不斷進行有意的變革和探索，由原來的“知識立意”轉(zhuǎn)向了“知識為基，能力為重”的考查，增加了試題的開放性、靈活性和探究性。在教學中要重視思維認知的引導，在解決帶電粒子在電場中的類平拋運動、在磁場中的勻速圓周運動、離心運動、近心運動、復雜曲線運動及空間立體轉(zhuǎn)化、平面投影等問題時，要摒棄傳統(tǒng)的解題套路、解題技巧、重復刷題的教學模式，要從“解答題目”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖鉀Q問題”，不斷地進行規(guī)范、專業(yè)的思維拓展與訓練，從知識技能的習得轉(zhuǎn)向思維認知的提升，有針對性地根據(jù)物理關鍵能力進行試題解構思維訓練，提升學生思維品質(zhì)。如例題中，不能止步于粒子受力特點的定性分析，教學中重視學生思維深度引導，積極探討用“配對速度法”進行定性分析，可以很好地進行數(shù)形結(jié)合思維品質(zhì)的遷移訓練，培養(yǎng)學生靈活應用運動的合成與分解解決復雜問題的能力。

4.3 重視推理演繹訓練——言之有據(jù)

新高考在命題內(nèi)容改革方面逐漸從“一維”到“多維”，由原有的“考查內(nèi)容”一維模式向“考查內(nèi)容、考查要求、考查載體”三維模式轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)出“無價值，不入題”“無思維，不命題”“無情境，不成題”的命題特點。對于復雜的情境問題，學生分析問題時會遇到推理演繹障礙，導致問題理解不通透，總是有“夾生飯”的存在，這就導致學生看似當時聽懂了、理解了，但在后期再次碰到相同或相似的問題時卻感到熟悉又無奈，無法深度解構問題、解決問題。如例題中，為了對粒子軌跡問題刨根問底、徹底解決，教學中應鼓勵學生大膽質(zhì)疑、勇于挑戰(zhàn)，勇于嘗試用“配對速度法”進行定量分析，根據(jù)已有數(shù)學知識系統(tǒng)完整地推理演繹粒子軌跡方程，將簡單問題“復雜化”，單層問題“多層化”，多角度、多方面綜合全面地深度思考問題，反復訓練、不斷領悟，培養(yǎng)學生物理學科關鍵能力。