例析高考试题对物理核心素养的考查——以江苏卷和北京卷两道同型选择题为例

朱柏树

(东台市教师发展中心,江苏 盐城 224200)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》(以下简称《标准》)与2003年版相比,不仅凝练了高中物理核心素养,而且增加了高中物理学业质量标准和学业水平考试命题建议.学业质量标准将高中物理学业质量划分为不同水平,描述了不同水平学习结果的具体表现,并明确学生完成高中物理学习任务后,学科核心素养应达到的水平,对高中物理学业水平考试提出建议,为阶段性考试、学业水平考试和升学考试命题提供重要依据.2018年是《标准》颁布后首次高考,从各地高考试题呈现的特点来看,命题者依据《标准》的规定和要求,积极探索创设类型多样、具有一定复杂程度的真实情境作为试题的任务情境,力求从“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”4个维度来甄别学生高中物理的学业水平.本文选取2018年江苏省和北京市高考试卷中两道同类型选择题,以《标准》中“学业质量”和“命题建议”的相关内容为依据,根据高考对学生核心素养相关维度水平的要求,从试题情境和对学生物理核心素养考查两个方面分析两道试题的命题特点.

1 原题呈现

题目1.(2018年江苏物理卷第3题)某弹射管每次弹出的小球速度相等.在沿光滑竖直轨道自由下落过程中,该弹射管保持水平,先后弹出两只小球.忽略空气阻力,两只小球落到水平地面的

(A) 时刻相同,地点相同.

(B) 时刻相同,地点不同.

(C) 时刻不同,地点相同.

(D) 时刻不同,地点不同.

答案:(B).

题目2.(2018年北京理综卷第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200 m处无初速下落的小球将落在正下方位置偏东约6 cm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.

答案:(D).

2 试题情境

情境化试题在考试中得到越来越广泛的关注,一些国际性测评项目如PISA等,在其考试中主要使用此类试题.近年来,情境化试题在高考等选拔考试中得到重视和应用.《标准》第6部分的“命题建议”中指出,要探索设计与现实相关的问题情境,加强对学生应用物理知识综合解决实际问题能力的考查,以区分学生物理核心素养的水平.[1]情境化试题能检测学生知识运用和独立思考的能力,达成对学生物理学科核心素养考查的考试目标,发挥区分学生物理核心素养水平的评价功能.

情境化试题由试题立意、背景材料和情境任务3个要素构成.[2]题目1和题目2的试题立意、背景材料和情境任务3要素分析见表1.

表1 题目1和题目2的试题立意、背景材料和情境任务

试题立意.试题立意体现试题的考查目标,是试题设计的基本思想.《标准》第6部分的“命题建议”中指出,高考试题立意要明确,要清楚地指向核心素养某个或多个维度,尽量明确到对具体核心素养的测试.[1]题目1和题目2均主要考查物理学科核心素养中“物理观念”“科学思维”两个维度,其中,对“物理观念”的考查是基础,对“科学思维”的考查是核心.在高中物理核心素养的4个维度中,对“物理观念”的考查往往与对其他素养的考查相伴而生.

背景材料.背景材料是设计情境任务的基础,为考查学生运用知识的能力而建立起知识与生活实际的桥梁.背景材料的熟悉程度和复杂性是情境化试题两种重要的指标,直接影响学生的知识的运用与迁移水平.《标准》第6部分的“命题建议”中指出,考试内容的任务情境应符合学生心理发展和认知规律,反映物理学科本质,密切联系社会、科技和生活实际.[1]题目1和题目2的背景材料都是以落体运动为基础的实践性背景,涉及学生共有的学习经验,是不同学生群体所熟悉的背景,较好体现学生熟悉程度控制的合理性和公平性.题目1涉及两个研究对象,它们做初速度不同的斜抛运动;题目2只涉及一个研究对象,但它有3段不同的运动阶段,且题中提供新的信息——沿水平方向大小变化的“作用力”.相比较而言,题目2的陌生度和情境复杂度略大于题目1.

情境任务.情境任务以试题立意为指导,设计特定的具体任务,提供给学生一个待解决的问题.情境任务紧扣考查目标,是背景材料和试题立意的衔接点,直接体现试题的立意.《标准》第6部分的“命题建议”中指出,试题设问的角度及方式要科学、可信、灵活,符合学生的认知特点和能力水平;选择题要围绕一个中心,选择项要具有较强的干扰性.[1]题目1和2为单项选择题,均围绕抛体的运动过程这一中心设置情境任务,考查曲线运动处理方法,问题指向学生熟知的运动时间、位置和加速度等基本力学量.题目1将判断落地时刻和位置的两个问题组合为4个选项,用组合选项的方式来增加试题的难度,各选项结构、长度基本一致;题目2将对最高点运动状态判断和落点位置判断的两个问题分开,独立成两组选项,用单项选择题以独立选项的方式来降低试题的难度.

3 学业质量

《标准》第5部分“学业质量”中指出,高中物理学业质量是依据物理学科核心素养的“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学责任与态度”4个方面及其水平,根据问题情境的复杂程度、知识技能的结构化程度、思维方式或价值观念的综合程度,将高中物理学业质量划分为5级水平,每一级水平皆包含物理学科核心素养的4个方面,主要表现为学生在不同复杂程度情境中运用重要概念、思维、方法和观念等解决问题的关键特征.高中物理学业质量5级水平是高中学业水平考试的重要依据,其中学业质量水平4是用于高等学校招生录取的学业水平等级性考试的命题依据.[1]

《标准》第6部分的“命题建议”中指出,要从物理核心素养、试题情境和知识内容的要求等方面科学合理地设计试题;可根据物理学科核心素养的水平层次、试题情境的复杂性或新颖性、知识要求的深度或广度等多方面来设计试题的难度,符合考试的目的要求.[1]

题目1和题目2主要考查高中物理核心素养中“物理观念”“科学思维”两个维度,下面依据《标准》中相关规定和要求,分别从这两个维度对试题进行分析.

3.1 物理观念

《标准》中“附录1 物理学科核心素养的水平划分”[1]的“物理观念”水平划分见表2,其中水平4是进入高等院校相关专业学习应达到的水平要求.

表2 物理学科核心素养中“物理观念”的水平划分

《标准》第6部分的“命题建议”中指出,试题所涉及的知识内容应具有代表性,要根据考试目标,按照课程标准中的课程内容要求,抽取具有代表性的核心物理概念、规律、思想和方法等内容设计试题.[1]为落实表2水平4中“具有清晰的物理观念,能从物理学的视角正确描述和解释自然现象”和“能综合应用物理知识解决实际问题”的要求,题目1和题目2所考查概念、规律和方法的情况见表3.

表3 题目1和题目2对“物理观念”水平4要求的落实情况

由表3可知,题目1和题目2几乎涵盖动力学中重要的概念、规律和常见的运动形式,所考查的知识内容具有广泛性,知识结构化程度高.两题均涉及加速度等5个物理量、牛顿运动定律等4个物理规律;涉及质点等3种基本模型、等效等2种物理思想和运动合成与分解的物理方法;涉及匀速直线运动、匀变速直线运动等4种运动形式.解决问题以加速度和牛顿第二定律为核心知识,融合运动合成与分解的物理方法,体现物理建模和等效的物理思想,突出对高中物理核心主干知识和重要物理思想方法的考查.学生从“运动与相互作用”的视角解决两题的认知过程,能完整地映射出力学中“运动与相互运动”的整体知识结构与框架,显现解决力学中这类实际问题的思路和方法.

3.2 科学思维

《标准》中“附录1 物理学科核心素养的水平划分”[1]的“科学思维”水平划分见表4,其中水平4是进入高等院校相关专业学习应达到的水平要求.

表4 物理学科核心素养中“科学思维”的水平划分

题目1和题目2对“物理观念”的考查是基础,对“科学思维”的考查才是试题考查的核心.在“科学思维”的4个要素中,两题主要考查“模型建构”和“科学推理”两个要素.

3.2.1 模型建构

上表水平4中“模型建构”包含“研究对象”和“研究过程”两个方面.题目1和2落实表4中“能将实际问题中的对象和过程换成物理模型”要求情况见表5.

表5 题目1和题目2对“模型建构”要求的落实情况

在“研究对象”方面,学生将小球转化为质点并不困难,但两题所述情境都不是学生“熟悉的问题情境”(表4中水平3对情境特性的描述),而是“实际问题中的对象”,符合表4中水平4对情境特性的描述.

在“运动过程”方面,题目1中小球做斜抛运动,题目2中小球做变加速曲线运动,都不是学生熟悉的平抛运动.学生要从小球运动的初始条件入手,以“物理观念”相关概念、规律和方法为基础,经历“科学推理”过程,才能建立表5中小球在水平和竖直两个方向分运动的运动模型.因此,题目1和题目2中指向“运动过程”的模型建构包含对物理知识运用和推理能力两方面的综合考查.

3.2.2 科学推理

题目1和题目2中均确立“科学推理”为试题考查的核心.题目1“科学推理”过程思维导图如图1所示.

图1 题目1推理过程的思维导图

通过推理,由竖直方向推断出两小球同时落地,由水平方向推断出先弹出的小球落点更远.

题目1分析其中一只小球运动情况对学生不难,难在需要运用运动分解的方法,形成图1所示层级清晰、思维严密的推理过程,并分别从竖直和水平两个方向判断小球的运动时间和落点位置.推理过程环环相扣、层次分明,学生需具备良好的逻辑思维能力和分析推理能力.

题目2中,小球的运动过程分为上升和下降两个阶段.上升阶段,小球在竖直方向受重力作用,做匀减速直线运动;水平方向受大小逐渐减小、方向向西的作用力,向西做加速度逐渐减小的变加速运动.到最高点时,小球竖直方向速度为0,加速度为g;水平方向速度最大,加速度为0.下降阶段,小球在竖直方向受重力作用,做自由落体运动;水平方向受大小逐渐增大、方向向东的作用力,向西做加速度逐渐增大的变加速运动.上升和下降阶段推理过程的思维导图与图1大同小异,在此不作重复.其中,下降阶段,小球水平方向的运动情况分析(小球是一直向西做减速运动,还是先向西减速再向东加速)是解决问题的关键,也是最终判定小球落定位置的依据.要解决这个问题,就要比较上升和下降两阶段小球在水平方向运动情况,而分析对比水平方向的变加速运动是个难点,需要利用对称思想对比分析上升和下降两阶段小球水平方向运动,其推理过程思维导图如图2所示.

图2 题目2比较上升和下降阶段水平方向运动的思维导图

通过推理得出落地时小球水平方向速度恰好减为0,则上升和下降过程中小球在水平方向一直向西运动,小球的落点在抛出点西侧.

4 结束语

高考创设类型多样、具有一定复杂程度的真实情境作为试题的任务情境,试题立意明确指向物理学科核心素养,关注学生对物理学科具体内容的掌握情况以及学生物理学科核心素养的不同表现,关注物理学科核心素养各维度的不同特征及要求,关注物理学科核心素养的整体性与综合性,就能通过学生应对复杂现实情境时的表现,衡量学生将情境与知识相联系解决实际问题的能力,落实对物理学科核心素养的考查,区分学生物理学科核心素养各维度的水平,达成检测学生物理学科核心素养的考试目标.