指向科學(xué)思維與探究的學(xué)科素養(yǎng)水平評(píng)價(jià)方式研究

摘"要：本文分析了近年來北京高考物理實(shí)驗(yàn)壓軸題的出題特點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)題中關(guān)于科學(xué)思維能力水平的考查方式，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)題不僅限于對(duì)實(shí)驗(yàn)的核心知識(shí)、規(guī)律、原理、操作、數(shù)據(jù)處理等考查，更著重考查利用物理思想方法來解決生活中的實(shí)際問題的能力。本文以2023年北京高考實(shí)驗(yàn)壓軸題為例，利用多種方法進(jìn)行詳細(xì)解答，體會(huì)運(yùn)動(dòng)合成與分解的思想方法的重要性，著重分析了該題中關(guān)于科學(xué)思維水平的考查方式。

關(guān)鍵詞：北京高考；科學(xué)思維；一題多解；運(yùn)動(dòng)合成與分解

1"引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）明確了學(xué)生在完成物理學(xué)科的學(xué)習(xí)任務(wù)后，學(xué)科核心素養(yǎng)應(yīng)該達(dá)到的水平，有助于引導(dǎo)教學(xué)更加關(guān)注育人目的，注重培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，幫助教師和學(xué)生把握教與學(xué)的深度和廣度。［1］近年來，北京高中普通學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試考查標(biāo)準(zhǔn)中，也蘊(yùn)含著《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

2"北京高考近年實(shí)驗(yàn)壓軸題中考查的思維等級(jí)劃分

2.1"科學(xué)思維的水平等級(jí)劃分

參照《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的科學(xué)思維水平，本文對(duì)北京高考近年實(shí)驗(yàn)壓軸題中考查的思維等級(jí)進(jìn)行了如下劃分。

思維水平1：能夠說出簡單的物理模型，知道質(zhì)疑和創(chuàng)新的重要性。

思維水平2：能在熟悉的問題的情境中應(yīng)用常見的物理模型；能對(duì)比較簡單的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理，獲得結(jié)論。

思維水平3：能在熟悉的問題情境中根據(jù)需要選用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡單的物理問題；能對(duì)已有觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，從不同角度思考物理問題。

思維水平4：能將實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)化為已學(xué)的模型，采用不同方式分析和解決物理問題。

思維水平5：能將實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型，能夠在新情境中對(duì)綜合性物理進(jìn)行分析和推理。能從多個(gè)視角審視檢驗(yàn)結(jié)論，解決物理問題，并且具有一定的新穎性。［2］

2.2"北京近年高考實(shí)驗(yàn)壓軸題中對(duì)于思維水平的考查形式

例1"（2020年北京卷第16題節(jié)選）某同學(xué)利用圖像分析圖1中甲、乙兩種方法中由電表內(nèi)電阻引起的實(shí)驗(yàn)誤差。

在圖2中，實(shí)線是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖甲：U＝IR，圖乙：I＝UR描點(diǎn)作圖得到的U"-I圖像；虛線是該電源的路端電壓U隨電流I變化的U"-I圖像（沒有電表內(nèi)電阻影響的理想情況）。

在圖2中，對(duì)應(yīng)圖1中甲電路分析的U"-I圖像是""""；對(duì)應(yīng)圖1中乙電路分析的U"-I圖像是""""。

評(píng)析：該實(shí)驗(yàn)題涉及大學(xué)物理戴維南定理的等效電源內(nèi)容，考查了學(xué)生如何利用題目中給定的新模型去解決傳統(tǒng)的電路誤差問題。這個(gè)過程實(shí)際上考查了學(xué)生對(duì)于新模型的理解能力以及模型應(yīng)用能力。這主要體現(xiàn)了思維水平5的要求，要求學(xué)生能夠?qū)⑤^復(fù)雜的實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型，獲得正確結(jié)論并作出解釋。例如，理解并分析由于電流表的內(nèi)外接方式不同所引起的等效電源差異等。

例2"（2021年北京卷第16題節(jié)選）用電流傳感器測量通過定值電阻的電流，電流隨時(shí)間變化的圖線如圖1所示。將定值電阻替換為小燈泡，電流隨時(shí)間變化的圖線如圖2所示，請(qǐng)分析說明小燈泡的電流為什么隨時(shí)間呈現(xiàn)這樣的變化。

評(píng)析：該實(shí)驗(yàn)題與前幾年的考查側(cè)重點(diǎn)存在顯著差異。自2020年起，實(shí)驗(yàn)壓軸題的選材不再局限于教材內(nèi)容，而是融入了實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的新現(xiàn)象。例如，盡管學(xué)生對(duì)小燈泡的伏安特性非常了解，但在實(shí)際操作中卻可能獲得與預(yù)期大相徑庭的圖像。此過程深刻體現(xiàn)了思維水平5所強(qiáng)調(diào)的能力，即能在新情境中對(duì)綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理，獲得正確結(jié)論并作出解釋。此外，該實(shí)驗(yàn)題還要求考生能將兩個(gè)圖像進(jìn)行對(duì)比，利用已掌握的關(guān)于小燈泡電阻隨溫度變化顯著的知識(shí)，來分析圖像差異的原因。這一過程不僅考查了學(xué)生將實(shí)際問題抽象為物理模型的能力，還進(jìn)一步檢驗(yàn)了他們針對(duì)綜合性物理問題的分析、推理、得出結(jié)論及進(jìn)行解釋的能力。

例3"（2022年北京卷第16題節(jié)選）某同學(xué)居家學(xué)習(xí)期間，注意到一水龍頭距地面較高，而且發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)水龍頭閥門可實(shí)現(xiàn)水滴逐滴下落，并能控制相鄰水滴開始下落的時(shí)間間隔，還能聽到水滴落地時(shí)發(fā)出的清脆聲音。于是他計(jì)劃利用手機(jī)的秒表計(jì)時(shí)功能和刻度尺測量重力加速度。為準(zhǔn)確測量，請(qǐng)寫出需要測量的物理量及對(duì)應(yīng)的測量方法。

評(píng)析：該實(shí)驗(yàn)題與2021年的出題風(fēng)格頗為相似。其考查范圍不局限于實(shí)驗(yàn)本身的知識(shí)內(nèi)容，更側(cè)重于考查利用已學(xué)知識(shí)有效解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生普遍對(duì)自由落體實(shí)驗(yàn)較為熟悉；且該實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的物理原理相較于平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、閉合電路歐姆定律等實(shí)驗(yàn)而言更為基礎(chǔ)。因此，盡管作為當(dāng)年的壓軸題，但該實(shí)驗(yàn)題并未著重于實(shí)驗(yàn)知識(shí)的直接考查，而是聚焦于考生是否能靈活應(yīng)用該模型去分析并解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問題。這一考查思路恰與思維水平5的要求相契合。此外，該實(shí)驗(yàn)題還要求學(xué)生親自動(dòng)手測量數(shù)據(jù)，并基于所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，以解決現(xiàn)實(shí)問題。這一過程強(qiáng)調(diào)了對(duì)證據(jù)可靠性的評(píng)估以及證據(jù)的合理運(yùn)用。

通過對(duì)近年來北京高考物理實(shí)驗(yàn)壓軸題的細(xì)致回顧，我們不難發(fā)現(xiàn)，自2020年起，實(shí)驗(yàn)壓軸題的側(cè)重點(diǎn)發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，更加注重考查學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)規(guī)律的應(yīng)用能力。這種考查主要體現(xiàn)在學(xué)生能否靈活運(yùn)用實(shí)驗(yàn)規(guī)律，去解決實(shí)際生活中遇到的物理問題，解析相關(guān)的生活現(xiàn)象，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行深入分析。此類題目的設(shè)計(jì)目的，不僅限于評(píng)估學(xué)生對(duì)既有實(shí)驗(yàn)知識(shí)的掌握程度，更重要的是期望他們能夠運(yùn)用所學(xué)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，去闡釋和解答新的科學(xué)問題。這種考查方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，為未來物理學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新人才的培養(yǎng)鋪設(shè)了堅(jiān)實(shí)的道路，促進(jìn)了該領(lǐng)域人才發(fā)展的良好趨勢。

3"2023年北京高考物理實(shí)驗(yàn)壓軸題的評(píng)析

2023年北京高考物理實(shí)驗(yàn)壓軸題相較于前幾年北京高考實(shí)驗(yàn)題，著重體現(xiàn)了《課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于科學(xué)思維水平5中所強(qiáng)調(diào)的能力：能在新的情境中對(duì)綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理，能從多個(gè)視角審視檢驗(yàn)結(jié)論，解決物理問題具有一定的新穎性。

例1"（2023年北京高考卷第16題）用頻閃照相記錄平拋小球在不同時(shí)刻的位置，探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。

（1）關(guān)于實(shí)驗(yàn)，下列做法正確的是""""（填選項(xiàng)前的字母）。

A. 選擇體積小、質(zhì)量大的小球

B. 借助重垂線確定豎直方向

C. 先拋出小球，再打開頻閃儀

D. 水平拋出小球

（2）圖1所示的實(shí)驗(yàn)中，A球沿水平方向拋出，同時(shí)B球自由落下，借助頻閃儀拍攝上述運(yùn)動(dòng)過程。圖2為某次實(shí)驗(yàn)的頻閃照片，在誤差允許范圍內(nèi)，根據(jù)任意時(shí)刻A、B兩球的豎直高度相同，可判斷A球豎直方向做""""運(yùn)動(dòng)；根據(jù)""""""""，可判斷A球水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

（3）某同學(xué)使小球從高度為0.8m的桌面水平飛出，用頻閃照相拍攝小球的平拋運(yùn)動(dòng)（每秒頻閃25次），最多可以得到小球在空中運(yùn)動(dòng)的""""個(gè)位置。

（4）某同學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)忘了標(biāo)記重垂線方向。為解決此問題，他在頻閃照片中，以某位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿任意兩個(gè)相互垂直的方向作為x軸和y軸正方向，

建立直角坐標(biāo)系xOy，并測量出另外兩個(gè)位置的坐標(biāo)值（x1，y1）、（x2，y2），如圖3所示。根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的方法，可得重垂線方向與y軸間夾角的正切值為""""。

評(píng)析：該實(shí)驗(yàn)題的第一問相對(duì)簡單，主要考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)所需器具的選擇能力。鑒于該實(shí)驗(yàn)旨在探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，因此這一部分著重于檢驗(yàn)學(xué)生是否能夠運(yùn)用已學(xué)的速度合成與分解模型來探索平拋運(yùn)動(dòng)的特性。這主要對(duì)應(yīng)科學(xué)思維水平2的考查。學(xué)生需確保在相同時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)小球進(jìn)行準(zhǔn)確取點(diǎn)，以便后續(xù)分析。同時(shí)，選擇體積小的小球便于取點(diǎn)，而選擇質(zhì)量大的小球則有助于減少空氣阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。

第二問側(cè)重于考查學(xué)生是否能夠通過實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向上遵循勻速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律；在豎直方向上與自由落體運(yùn)動(dòng)相似，并能據(jù)此形成科學(xué)、合理的結(jié)論。此部分不僅檢驗(yàn)了學(xué)生在熟悉的物理情境中選用適當(dāng)物理模型解決問題的能力，還要求他們能夠運(yùn)用簡潔合理的證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)，這同樣符合科學(xué)思維水平能力2的考查標(biāo)準(zhǔn)。［3］

第三問進(jìn)一步提升了難度，它要求學(xué)生能夠基于實(shí)驗(yàn)中已得出的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在假設(shè)的新情境下進(jìn)行深入的分析與推理，從而得出新的結(jié)論并給出合理解釋。這一過程充分展現(xiàn)了科學(xué)思維水平4的考查要求，即學(xué)生能對(duì)綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理，獲得結(jié)論并作出解釋。

第四問考查得更為新穎與復(fù)雜，下面將通過4種不同解法對(duì)第四問進(jìn)行詳細(xì)評(píng)析。

3.1"第（4）小題解法一

由于坐標(biāo)紙沒有放正，學(xué)生需要重新建立新的水平與豎直坐標(biāo)系。小球所在的位置A、B在x′Oy′坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)x1′、x2′（見圖1）。根據(jù)相似三角形與幾何關(guān)系，

可知x1′＝x1cosθ＋（y1－x1tanθ）sinθ，①

同理可知x2′＝x2cosθ＋（y2－x2tanθ）sinθ。②

根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，小球在水平方向做勻速運(yùn)動(dòng)，所以相同時(shí)間內(nèi)水平位移相同。

因?yàn)閤2′＝2x1′，則

x2＋y2sinθcosθ－x2sin2θ＝2x1＋2y1sinθcosθ－2x1sin2θ，③

可解得tanθ＝－x2－2x1y2－2y1。④

又有θ＜90°，故tanθ＝x2－2x1y2－2y1。

評(píng)析：該解法要求學(xué)生需要具有良好的數(shù)學(xué)功底。首先，學(xué)生要從兩個(gè)坐標(biāo)系中找到幾何關(guān)系，并從幾何關(guān)系中得到點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系，再通過對(duì)坐標(biāo)關(guān)系進(jìn)行求解，方可得到最終的答案。

3.2"第（4）小題解法二

將坐標(biāo)系xOy沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)角度α，得到新的坐標(biāo)系x′Oy′（見圖2）。A、B為原坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的同一點(diǎn)的不同坐標(biāo)，A（x，y）為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系x′Oy′的坐標(biāo)，B（a，b）為水平豎直坐標(biāo)系xOy的坐標(biāo)。L為O到該點(diǎn)的距離，O與該點(diǎn)連線與x′軸的夾角為β。

在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中

L＝xcosβ＝y(tǒng)sinβ。⑤

在水平豎直坐標(biāo)系中

L＝acos（α＋β）＝bsin（α＋β）。⑥

由三角函數(shù)兩角和差公式

sin（α＋β）＝sinαcosβ＋cosαsinβ，

cos（α＋β）＝cosαcosβ－sinαsinβ。⑦

這樣就得到了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)

x＝acosα＋bsinα，

y＝bcosα－asinα。

由于小球在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則相同時(shí)間內(nèi)水平位移相同，即x2′＝2x1′，⑧

則tanα＝－x2－2x1y2－2y1。

又有α＜90°，故tanα＝x2－2x1y2－2y1。

評(píng)析：該解法可以快速地得到答案，但是前提是學(xué)生需要提前學(xué)習(xí)并了解坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法。對(duì)于大部分考生來說，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相關(guān)知識(shí)并不熟悉，所以該方法只適用于具有一定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并且學(xué)習(xí)、了解物理競賽知識(shí)的學(xué)生們。

3.3"第（4）小題解法三

將豎直方向的重力加速度按坐標(biāo)紙的豎直和水平方向進(jìn)行分解，如圖3所示。

將重力加速度進(jìn)行分解后，可知小球在坐標(biāo)紙水平方向做勻減速運(yùn)動(dòng)，在坐標(biāo)紙豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)勻加速運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律Δx＝aT2，可得

（x2－x1）－x1＝－T2gsinθ，

（y2－y1）－y1＝T2gcosθ，⑨

聯(lián)立得tanθ＝－x2－2x1y2－2y1。⑩

又有θ＜90°，故tanθ＝x2－2x1y2－2y1。

評(píng)析：該解法體現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的合成與分解的核心理念。對(duì)于所有學(xué)生而言，運(yùn)動(dòng)的合成與分解不僅是必修內(nèi)容，而且是重點(diǎn)內(nèi)容，其中所包括的平拋運(yùn)動(dòng)和斜拋運(yùn)動(dòng)模型更是常考內(nèi)容。老師們經(jīng)常會(huì)在作業(yè)中、日?？荚囍锌疾閷W(xué)生對(duì)于平拋運(yùn)動(dòng)和斜拋運(yùn)動(dòng)模型的理解。由于在高中階段，大部分涉及平拋運(yùn)動(dòng)與斜拋運(yùn)動(dòng)的習(xí)題的核心思路為分解速度；所以久而久之，學(xué)生容易形成一定的思維定式，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的合成與分解就是速度的合成與分解。學(xué)生在遇到復(fù)雜運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先想到的就是分解速度。而對(duì)于加速度的分解，學(xué)生接觸的并不多。因此，面對(duì)2023年高考實(shí)驗(yàn)壓軸題，大多數(shù)學(xué)生都會(huì)優(yōu)先選擇第一種方法，但第一種方法要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計(jì)算才能得出正確結(jié)論。

3.4"第（4）小題解法四

根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，平拋運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)與自由落體運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)，其Δv＝gΔT，不難發(fā)現(xiàn)速度變化量的方向與重力加速度方向相同；而由此產(chǎn)生的位移變化量Δy＝g·（ΔT）2也與重力加速度方向相同。

有向線段OA為物體在ΔT時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的位移；若此時(shí)無重力加速度的影響，物體將沿此方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，為有向線段AP（見圖4）。然而，由于存在重力加速度的影響，物體在第二段ΔT時(shí)間運(yùn)動(dòng)的位移為有向線段AB。根據(jù)運(yùn)動(dòng)的合成與分解相關(guān)規(guī)律可知，有向線段PB為平拋運(yùn)動(dòng)中的Δy的方向，也就是重力加速度的方向，根據(jù)圖中的幾何關(guān)系可知

tanθ＝2x1－x2y2－2y1＝－x2－2x1y2－2y1。B11

又有θ＜90°，故tanθ＝x2－2x1y2－2y1。

評(píng)析：該解法非常巧妙地避開了傳統(tǒng)解法中沿固定方向上進(jìn)行的合成與分解，而是在該運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合成與分解。而學(xué)生在遇到的運(yùn)動(dòng)的合成與分解相關(guān)習(xí)題時(shí)，第一步往往是生硬地按照水平和豎直方向進(jìn)行分解，得到相關(guān)的分運(yùn)動(dòng)規(guī)律。然而，這種做法忽視了運(yùn)動(dòng)的合成與分解不單單是在某一固定方向上的合成與分解，也可以是在現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的。

評(píng)析：2023年的實(shí)驗(yàn)題繼續(xù)沿用了前兩年的出題風(fēng)格，側(cè)重于運(yùn)用現(xiàn)有模型解決實(shí)驗(yàn)中遇到的實(shí)際問題。與2021、2022年相比，該年考題的一個(gè)細(xì)微變化在于，它間接地考查了學(xué)生采用多種方法解決綜合問題的能力，要求學(xué)生能從多個(gè)角度分析問題。上述四種解題方法雖均能得出正確結(jié)論，但其復(fù)雜程度卻各不相同。其中，第一種和第二種解法主要"依賴于學(xué)生的數(shù)學(xué)計(jì)算能力；而第三和第四種解法則通過運(yùn)用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的物理思想，能夠更為迅速地得出正確答案。

因此，學(xué)生在解答此題時(shí)，應(yīng)避免局限于單一視角。若選擇第一種或第二種解法，則需要注意高考考場上大量計(jì)算可能帶來的緊張情緒及時(shí)間消耗。這一考查過程充分展現(xiàn)了思維水平5中強(qiáng)調(diào)的多視角審視與檢驗(yàn)結(jié)論的重要性，同時(shí)也體現(xiàn)了物理問題解決策略的新穎性。在真實(shí)的考試環(huán)境中，學(xué)生不僅要追求答案的正確性，還需在有限時(shí)間內(nèi)高效作答。這就要求學(xué)生具備靈活多變的思維，能夠迅速分析并選擇最為簡潔有效的解題方法。

4"小結(jié)

通過對(duì)北京高考物理實(shí)驗(yàn)壓軸題的審視，不難發(fā)現(xiàn)，自2020年改革以來，北京高考物理不是盲目的推陳出新，而是緊緊扎根于《課程標(biāo)準(zhǔn)》中。其考查內(nèi)容不僅限于實(shí)驗(yàn)的核心知識(shí)、規(guī)律、原理、操作、數(shù)據(jù)處理等方面，更著重考查學(xué)生利用物理思想方法來解決生活中的實(shí)際問題的能力。

參考文獻(xiàn)

［1］［2］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：前言5，78"-79.

［3］姜葛，張?jiān)片?運(yùn)用“合成與分解”思想巧解復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)問題［J］.高中數(shù)理化，2022（06）：39"-41.

基金項(xiàng)目：本文系北京物理學(xué)會(huì)2024"-2025年度教育教學(xué)科研立項(xiàng)重點(diǎn)課題“物理規(guī)律探究型課堂教學(xué)模式探索與實(shí)踐”（課題編號(hào)：WLXH241026）的階段性研究成果。