高考试题衔接课程标准,核心素养考查落地生根——以北京卷高考第20题解析为例看“科学思维”角度的素养考查

刘 芳 孙德峰

(1.北京市教育学院丰台分院，北京 100073; 2.北京市第十二中学，北京 100071)

2018年1月16日,教育部正式发布了2017版普通高中课程方案和14门课程标准．新颁布的课标中关于学科核心素养以及学业质量标准的提出,为高考以及高中学业水平等级性考试提出了新的要求．按照教育部的规划,修订后的课程方案和课标将于2018年秋季正式投入使用,因此以新课标为指导思想和理论依据的学业等级考试将在2021年正式落地．但在2018年6月8日落下帷幕的全国各地高考试题中,不难发现各地各科高考试题的考查中都在“稳中求新”的基础上尝试和探索新版课标中提出的核心素养的考查．

2017版的新版高中物理课程标准中凝练出物理学科的核心素养包含4个方面:物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任．其中物理观念包含物质观、运动与相互作用观、能量观等要素;科学思维包含模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素;科学探究包含问题、证据、解释、交流等要素;科学态度与责任包含科学本质、科学态度、社会责任等要素．笔者将从北京卷第20题的分析和解读出发,浅谈本题是如何考查学生“科学思维”这一方面的核心素养,以图激发所有一线物理教师思考如何在教学实践过程中通过落实物理学科核心素养的培养提高学生的核心素养,为学生终身发展,应对现代未来的挑战打下良好的基础．

请看2018年北京高考第20题.

根据高中所学知识可知,做自由落体运动的小球,将落在正下方位置．但实际上,赤道上方200m处无初速下落的小球将落在正下方位置偏东约6cm处．这一现象可解释为,除重力外,由于地球自转,下落过程小球还受到一个水平向东的“力”,该“力”与竖直方向的速度大小成正比．现将小球从赤道地面竖直上抛,考虑对称性,上升过程该“力”水平向西,则小球

(A) 到最高点时,水平方向的加速度和速度均为0.

(B) 到最高点时,水平方向的加速度和速度均不为0.

(C) 落地点在抛出点东侧.

(D) 落地点在抛出点西侧.

虽然高考阅卷还没有开始,但根据笔者多年来一线教学以及高考备考经验,本题中(A)、(B)两个选项的选择人数将占很大比例．纵观全卷,本题将是除去第24题以外整卷中最有筛选能力的题目之一．本题从能力立意的角度着重考查学生的理解能力、推理能力以及应用能力．而从核心素养的角度出发,本题着重考查了对科学思维这一方面的核心素养．

本题的问题情境取材于生活中的实际问题“落体偏东”．大多数学生对于这一生活现象几乎没有任何的实际经验．因此本题中的问题情境来说对于学生来说是几乎完全陌生的新情境．能在新情境中对综合性物理问题进行分析和推理,获得正确结论并做出合理解释是新课标中学业质量等级5对“科学思维”素养的要求．

对于学生来说非常新颖的问题情境成为学生解答这一题目的首要障碍．学生需要将这样的问题情境与高中物理学习中或者生活中常见的问题情境做类比,建构在类似情境中的运动模型来解决问题,这恰好是“科学思维”这一核心素养的第一要素:模型建构．通过审题,学生可以发现题目中的关键字“竖直方向”、“水平方向”,联想到生活中和物理学习中都经常出现的平抛运动,学生将尝试建立一个类似平抛运动的模型来解决问题．

建立起运动模型之后,我们需要利用这个模型来对题目中的问题进行综合的分析．这也是“科学思维”素养的第二个要素——科学推理．新课标中对于高中物理的课程目标定义为促进学生核心素养的养成与发展．新课标的课程目标中明确指出学生要让能运用科学思维方法从定性和定量两个角度对问题进行科学推理、找出规律、形成结论．

在研究平抛物体的运动时,学生发现“运动的合成与分解”的思想可以将研究对象从复杂的曲线运动转变为简单的直线运动．学生通过类比迁移的科学方法将“运动的合成与分解”的思想运用到本题中,就可以通过综合分析得出结论．科学推理过程如下.

我们假设物体以初速度v0从赤道上地面竖直上抛．上升过程物体受力情况如图1甲所示,下落过程如图1乙所示．

图1

根据运动的合成与分解中运动的独立性原理,物体在竖直方向上初速度和受力决定物体在竖直方向的运动．由图可知,物体在竖直方向具有初速度且只受重力,因此我们可以做出判断,物体在竖直方向做竖直上抛运动．

上升过程物体竖直方向的速度满足

vy=v0-gt，

(1)

当vy=0时,物体上升到最高点．

再根据题意,物体在水平方向上受到的力与竖直方向的速度大小成正比,即

Fx=kvy.

(2)

根据牛顿第二定律Fx=max,因此t=0时刻,a=kv0/m.

物体具有水平方向的加速度,物体做加速运动．因为竖直方向上物体运动的速度减小,所以水平方向上物体运动的加速度在不断减小,但物体依然做加速运动,物体上升到最高点时,vy=0时,所以Fx=0．可得到达最高点时物体水平方向的加速度为0,速度达到最大值．因此选项(A)、(B)都是错误的．

图2

竖直上抛运动的下降过程和上升过程关于最高点是对称的,即在同一高度上,物体在竖直方向的速度大小相等,方向相反．物体运动到同一高度时,上升过程和下降过程水平方向加速度大小相等方向相反．物体在水平方向上运动的vx-t图像如图2所示,由图可知,从抛出到落地的整个运动过程中物体在水平方向上没有改变运动方向,因此物体在落地时应当落在抛出点西侧．从而得出本题的正确选项为(D)．

以上为建构模型之后进行定性分析角度的科学推理过程．那么本题能否定量地计算出物体上升到最高点时水平方向的最大速度,以及落回抛出点的侧移呢?我们可以利用普通物理中的知识以及高等数学的积分思想,对题目中的构建的运动模型进行定量的科学推理．以下为推理过程:

普通物理中我们学习到使物体发生“落体偏东”现象的力为地球自转的科里奥利力．

上升过程

dvx=axdt，

可得vx=2ωv0t-ωgt2.

物体在竖直方向做竖直上抛运动,

因此有

可得vm=2ωh.

通过前面的v-t图像可知物体在上升过程和下落过程中水平方向侧移相同．为了简化计算过程,我们选择到达最高点后的自由落体为研究过程,来进行侧移量的定量计算．由方程(3)和(4)联立可知ax=2ωvy.

对于自由落体运动vy=gt.

由dvx=axdt得

由 dx=vxdt得

在建构模型进行科学推理和论证的过程中,我们不仅产生了这样的疑问:运动的合成与分解的思想中我们曾经提到“独立性原理”:即两个分运动是彼此独立,不产生相互影响的．本题中显然物体在竖直方向的运动影响了物体在水平方向的运动,这看上去与“独立性原理”的描述是矛盾的．显然,意识到这一点恰好让我们看到了对科学思维的第四个要素的考查:质疑创新．显而易见,我们构建的模型中,两个方向上的运动确实不满足独立性原理,那么“独立性原理”描述的研究对象到底是谁呢?我们继续对问题进行深入思考,不难发现,“独立性原理”的描述对象其实应该是力,而不是运动．物体在某个方向上的受力决定了物体在此方向上的运动,换句话说也就是说一个力是独立作用在物体上还是和其他力一起作用在物体上,对物体产生的加速度的贡献是等效的．这才是“独立性原理”的本质．回顾高中物理中的问题情境,不难发现,本题中的运动情境与多方向洛伦兹力作用在粒子上情境也有异曲同工之妙．

重新回顾一下本题对“科学思维”的素养考查,我们还可以发现本题同时渗透了对物理观念和科学态度与责任的素养考查:学生在建构模型、科学推理、科学论证、质疑创新的过程中对运动和相互作用观念将有着更加深刻感悟和认知;与此同时,题目中的情境更加贴近实际,题目中的模型如何在生活生产中加以运用等等都为提升学生在科学态度与社会责任的素养激发兴趣、创造动机．

纵观全国各地的高考试卷,不难发现,新课标背景下的高考改革虽然没有正式启动,但各地都在为课标的落地以及课标与高考的衔接未雨绸缪．核心素养背景下的学业等级考试与2021年之前高考试题的命制如何做到自然、平稳过渡,将是高考命制专家努力实现的短期目标．而作为一线教师的我们,如何在课堂教学中落实新课标提倡的课程理念,寻找到提升学科核心素养和学生核心素养有效路径,将是下一阶段所有同仁的首要任务和研究课题．