以评价促课堂变革 抓本质提升学生素养——2017年北京高考理综第24题的启示

詹 凯 田成良

（1.首都师范大学附属中学，北京 100089；2.海淀区教师进修学校，北京 100080）

·高考命题研究·

以评价促课堂变革 抓本质提升学生素养
——2017年北京高考理综第24题的启示

詹 凯1田成良2

（1.首都师范大学附属中学，北京 100089；2.海淀区教师进修学校，北京 100080）

在新一轮考试招生制度改革的大背景下，2017年北京高考物理试卷在丰富试题选材范围、创新试题呈现方式、深化学科能力考查以及探索核心素养的考查方式等方面进行了有益的尝试.高考试题的评价方向，必将推进课堂变革，进一步实现学科育人的功能.2017年北京高考第24题在多个方面体现了物理学科核心素养.本文对该题目中关于对称思想的渗透、能量观念的深入、宏微观规律的统一性以及学生建模与推理能力这4个方面进行了解读.

学科本质；物理思想；北京高考题

1 原题回顾

例题.（2017年北京高考题）发电机和电动机具有装置上的类似性，源于他们机理上的类似性.直流发电机和直流电动机的工作原理可以简化为如图1、图2所示的情景.

图1

图2

在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中，两根光滑平行金属导轨MN、PQ固定在水平面内，相距为L，电阻不计.电阻为R的金属导体棒ab垂直于MN、PQ放在导轨上，与轨道接触良好，以速度v（v平行于MN）向右做匀速运动.

图1轨道端点MP间接有阻值为r的电阻，导体棒ab受到水平向右的外力作用.图2轨道端点MP间接有直流电源，导体棒ab通过滑轮匀速提升重物，电路中的电流为I.

（1）求在Δt时间内，图1“发电机”产生的电能和图2“电动机”输出的机械能.

（2）从微观角度看，导体棒ab中的自由电荷所受洛仑兹力在上述能量转化中起着重要作用，为了方便，可认为导体棒中的自由电荷为正电荷.

①请在图3（图1的导体棒ab），图4（图2的导体棒ab），分别画出自由电荷所受洛仑兹力的示意图.

②我们知道，洛伦兹力对运动电荷不做功，那么，导体棒ab中的自由电荷所受洛仑兹力是如何在能量转化过程中起到作用的呢？请以图2“电动机”为例，通过计算分析说明.

2 试题解答

（1）图1中ab杆向右运动时，两端产生的电动势为

E1＝BLv.

PMab回路中产生的电流，即流过ab杆的电流满足

I1（R＋r）＝E1.

Δt内，“发电机”产生的电能为

图2中ab杆向右运动时，其输出的机械能全部转化为重物上升时的重力势能改变量，

E2＝mgvΔt.

杆ab水平方向受力平衡，且重物竖直方向受力平衡，可得

F安－T＝0，

T－mg＝0.

杆ab受到的安培力的大小为

F安＝BIL.

Δt内，“电动机”输出的机械能为

E2＝BILvΔt.

（2）①洛仑兹力示意图如图3、图4所示.

图3

图4

Fx＝Bqvy，Fy＝Bqvx.

x方向的分力与电荷在x方向运动同向，对电荷做正功，

W1＝FxvxΔt＝BqvyvxΔt.

y方向的分力与电荷在y方向运动反向，对电荷做负功，

W2＝－FyvyΔt＝－BqvxvyΔt.

可见，虽然洛仑兹力对电荷的总功为0，但y方向洛仑兹力的负功将电能转化为了x方向洛仑兹力的正功，进而转化为了物体被提升过程中机械能的改变量.洛仑兹力在该问题中起到了能量转化的“桥梁”作用.

3 命题剖析

该题目紧密围绕物理学科核心素养，注重物理观念与科学思维的考查，从学生熟悉的基本模型出发，深挖物理内涵，深刻剖析基本物理概念.具体体现在下面4个方面.

3.1 注重体现物理学的对称美

题目所给的发电机和电动机模型，从装置构成来说本身具有很强的相似性，而两种装置的能量转化方向也具有对称性，发电机将外力的机械能转化为电能，而电动机将电能转化为机械能.这样“天生一对”的模型，带给考生一种物理学的对称美感，能够引发人们的敬畏感以及探究精神，对该问题进行深入研究.

对称的表象之下，往往蕴藏着重要的物理规律.在教学中，我们应当注重培养学生对于“对称”的认识和理解.比如守恒律就是对称性的体现，再比如推导太阳与行星之间的引力时，也通过对称的思想得出该力与两个星体的质量均成正比的结论.

3.2 注重渗透能量守恒思想

题目从第一问就围绕着能量的转化与守恒进行探究，实则抓住了该问题的实质.能量守恒是物理学中最引人入胜的规律之一，也是物理教学的重点、难点所在.守恒的背后是各种能量之间的相互转化或者各个物体之间的相互转移.本题的实例就是机械能与电能之间的相互转化过程.

图5

高中教材中，较为深入地对机械能守恒进行了研究，对于一般情况下的守恒情况浅尝辄止.在教学中，我们不仅仅要让学生了解和理解能量守恒，还能通过多种实例来论证能量守恒，而且不仅仅限于机械能守恒.当然，在教学中还应当避免乱用守恒律，比如碰撞的过程，机械能就不一定守恒.也就是说，需要对守恒的条件加以强调和分析，不能唯守恒而论.

对于“能源耗散”问题，课本虽然仅仅点到，但笔者以为该部分恰是画龙点睛之笔.课本中的思考与讨论“既然能量是守恒的，不可能消失，为什么我们还要节约能源”，在讨论的过程中，就可以给学生渗透热力学第二定律的思想，给学生打开思路的同时，也落实了STSE的教学要求.

3.3 注重突出宏微规律的统一性

宏观和微观规律的统一性是高考的热点之一.2013年北京高考理综第24题直接以“对于同一物理问题，常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究，找出其内在联系，从而更加深刻地理解其物理本质.”为开场白，在第一小题中考查了安培力与洛仑兹力的关系，第二小题中建立了一维气体模型，推导了一维气体压强与气体分子平均动能的关系；2014年北京高考理综第24题考查了电流的微观表达问题；在本题中，微观电荷受到的洛仑兹力与导体杆ab受到的安培力这个宏观表象有着千丝万缕的联系，更进一步，洛仑兹力分量的功与安培力所做功也相互对应.

关于宏观与微观规律的关系，在物理课程中的多个部分均有体现.比如在动量中，就可以引入流体的流体柱模型；在恒定电流中，课本直接利用电荷的流体柱模型推导出了电流的微观表达式；在热力学中，系统的多个热力学参量，如气体压强p、气体温度T都有相应的微观表达式.

在教学中，应当注重宏观和微观两个层面的相互呼应，一般来说宏观现象较为直观，但不反应问题本质；微观规律不仅仅能够解释宏观现象，也是物理本质规律的体现.教学中要强化学生的这方面意识.

4 注重培养模型构建意识

本题并没有在建模问题上难为学生，但是建模问题始终是教学的重点和难点.就电磁感应部分来说，课本上就有多个模型值得讨论，比如“摇绳发电”、“法拉第圆盘”、“动圈式扬声器”、“延时继电器”、“金属探测器”等.有条件的学校应让学生动手组装这些实验，将仪器结构细致地展现给学生，让学生能够将实物与模型很好地结合起来，培养学生的建模能力.让学生进行科学的归纳与推理，能够避免思维空洞，真正做到能力的提升.

近年来，北京高考理综物理试题愈发注重对于物理规律的本质性探究，尤其是第24题，不拘泥于求解复杂模型，而是要求学生像“动外科手术”一样，将模型进行深入剖析，从多角度进行研究.在教学中，我们时常注重训练学生对于各种模型的辨别和求解，避免“搞题海战术”，盲目应试，这样难免舍本求末.相反，我们恰恰不能放过看似简单的基本物理模型，要引导学生有意识的分析和探究，甚至提出怀疑，真正做到授之于渔.通过对简单问题的思考，再去认识和分析新的模型，学生就会有思路和方法，才能逐步领悟物理学科的真谛，才能真正提升学生的物理核心素养.

2017－06－11）