高中物理核心素养视域下的试题创新策略

于玉和

(江苏省连云港市和安中学，江苏 连云港 222100)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》在第6部分“实施建议”中提出的8条“命题建议”应该成为试卷命制、试题创新和改编的纲领性要求．“命题建议”中要求：试题应有明确的测试目标；试题所涉及的知识内容应具有代表性；试题的情境要具有一定的问题性、现实性、探究性或开放性；试题的编制要科学、规范．只有做到“命题建议”中诸项要求才能在教学评价和学业水平考试中落实和渗透核心素养的“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”等要素．核心素养视域下试题的创新策略从如下5个角度进行了尝试．

1 情境创新策略

物理来源于生活，又为生活服务．物理试题的情景千差万别，来源也十分广泛，新技术、新理论、新器具、热点新闻、时事政治、体育、烹饪、旅游、阅读等等都可以作为情景入题．可以说，有用的、新颖的题设情景充满了我们生活的方方面面，关键在于我们物理教师要做个有心人，要有采掘、创造的意识，要有独到的发现“眼光”和灵敏的“嗅觉”！而且这类试题由于来源于生活、贴近生活，学生倍感亲切，对于提高学生学习物理的积极性有很大的帮助．

图1

例1.如图1是洛可可(LKK)公司推出一种神奇的杯子：烧开的热水倒进杯后，摇晃1min就可以降至55 ℃左右，饮用不烫，这种55度杯曾出现“10分钟售罄”的骄人业绩．其专利证书显示：杯子采用的是相变金属填充于内部导热层与外部隔热层之间，热水通过导热层将热量释放至相变金属，相变金属快速吸热并熔化，热水温度迅速降低．随后，热水降温时，相变金属凝固放热，此热量可长时间保持热水的温度于相变金属的熔点附近，达到保温效果．

(1) 当杯内水的温度持续为55 ℃时，对相变金属的说法正确的是

(A) 是液晶的一种.

(B) 是多晶体.

(C) 内能和分子势能都不变.

(D) 内能和分子势能都减小.

(2) 若将温度为99 ℃的热水倒入杯中密封(设体积不变)，当温度达到55 ℃时，杯中水上方空气的压强变原来倍，请用压强成因的微观含义解释这一现象：．(保留2位有效数字)

(3) 当99 ℃的热水达到55 ℃时，某人一口喝去54 g水，则他这一口喝下的水分子个数为多少？如将水在刚降至55 ℃时全部倒出，迅速加入质量为原来1.25倍的0 ℃冰水，在不考虑热量散失的条件下，能否再次达到55 ℃？说明理由．

核心素养视域观点：《课程标准》建议中要求考试内容的任务情境应符合学生的心理发展水平和认知规律，反映科学本质，密切联系社会、经济、科技、生产与生活实际．本题情境55度杯即是一个生活实际问题，人们认为“神奇”的杯子原理仅是一个简单的物理问题，使学生感觉物理就在身边，学好物理可以解决实际问题，切身体会到学好物理是有用的．要求学生通过问题情境中专利证书的内容和生活经验、物理基础知识重新加工，抽象出本质特征，完成从日常概念向物理观念的转变，促进了科学思维的发展．同时还考查了“科学思维”的逻辑推理、科学假设及“科学态度与责任”等核心素养要素．

2 组合创新策略

“创造的原理，最终是信息的截断和再排列组合．”排列组合是客观世界中十分普遍的现象．这里的组合并不是各个要素简单的罗列、机械的叠加．而是在统一的整体目标下，和谐、有机地进行，并且各个要素之间在某些方面有相互作用和影响．组合法就应该是属于试题的创新！这种创新法就如同儿童的积木游戏，它是命题人根据要考查的知识点和能力，把组成试题的基本要素进行不同的组合，从而创新出新题的一种方法．

图2

例2.(2017年江苏高考题)如图2所示，一小物块被夹子夹紧，夹子通过轻绳悬挂在小环上，小环套在水平光滑细杆上，物块质量为M，到小环的距离为L，其两侧面与夹子间的最大静摩擦力均为F．小环和物块以速度v向右匀速运动，小环碰到杆上的钉子P后立刻停止，物块向上摆动．整个过程中，物块在夹子中没有滑动.小环和夹子的质量均不计，重力加速度为g．下列说法正确的是

(A) 物块向右匀速运动时，绳中的张力等于2F.

(B) 小环碰到钉子P时，绳中的张力大于2F.

图3

(组合创新题)如图3所示，水平光滑细杆上P点套一小环，小环通过长L=1m轻绳悬挂一夹子，夹子夹有质量m=1 kg的物块，物块两竖直侧面与夹子间的最大静摩擦力均为fm=7 N．现对物块施加F=8 N的水平恒力作用，物块和小环一起沿水平方向做初速度为0的匀加速直线运动，小环碰到杆上的钉子Q时立即停止运动，物块恰好相对夹子滑动，此时夹子立即锁定物块，锁定后物块仍受恒力F的作用．小环和夹子的大小及质量均不计，物块可看成质点，重力加速度g=10 m/s2.求：

(1) 物块做匀加速直线运动的加速度a；

(2)P、Q两点间的距离s；

(3) 物块向右摆的最大高度h．

核心素养视域观点：组合创新题和原题考查的实物模型相似，但运动模型却完全不同，考查核心素养的维度和深度也大不相同．创新题不仅考查了“物理观念”素养的相互作用观念和能量观念，“科学思维”的科学推理，还考查了运动观念、模型建构等因素．尤其是夹子锁定后，物块做曲线运动的受力分析和运动情况分析是本题的一个难点．

3 类比创新策略

类比创新是把两类事物加以比较，从中寻找其相似点或不同点，以便在同中求异或异中求同中进行创新的方法．属于逻辑推理型创新方法，是人们在研究和进行工作的一种思路，是将创新理论转化为可以操作化手段的功能，它是创新理论与创新实践之间的一座桥梁．

图4

例3.(原题)一个足够长的竖直放置的磁铁结构如图4所示．在图中磁铁的两个磁极分别为同心的圆形和圆环形.在两极之间的缝隙中，存在辐射状的磁场，磁场方向水平向外，某点的磁感应强度大小与该点到磁极中心轴的距离成反比．用横截面积一定的细金属丝制成的圆形单匝线圈，从某高度被无初速释放，在磁极缝隙间下落的过程中，线圈平面始终水平且保持与磁极共轴.线圈被释放后

(A) 线圈中没有感应电流，线圈做自由落体运动.

(B) 在图4俯视图中，线圈中感应电流沿逆时针方向.

(C) 线圈有最大速度，线圈半径越大，最大速度越小.

(D) 线圈有最大速度，线圈半径越大，最大速度越大.

图5

(类比创新题)如图5所示，空间存在着与圆台母线垂直向外的磁场，各处的磁感应强度大小均为B，圆台母线与竖直方向的夹角为θ，一个质量为m、半径为r的匀质金属环位于圆台底部．环中维持恒定的电流I不变，圆环由静止向上运动，经过时间t后撤去该恒定电流并保持圆环闭合，圆环全程上升的最大高度为H．已知重力加速度为g，磁场的范围足够大．在圆环向上运动的过程中，下列说法正确的是

(A) 在时间t内安培力对圆环做功为mgH.

(B) 圆环先做匀加速运动后做匀减速运动.

(D) 圆环先有扩张后有收缩的趋势.

核心素养视域观点：由圆柱类比圆台模型，虽然形状相似，产生的磁场相差不大，但电流的受力情况却大相径庭，由本来只有竖直方向的受力变成水平、竖直方向均受力，力的作用效果也不同，对运动和形变的影响更复杂．由原题的圆环下落到创新题的弹跳上升，使运动情境更丰富．创新题考查的核心素养要素有：运动观念、相互作用观念、能量观念、模型建构、分析综合及推理论证等。

4 迁移创新策略

迁移创新是学生更高层次的物理能力表现，指学生利用物理核心知识和科学方法解决陌生和不确定性问题以及探寻新知识和新方法的能力．迁移创新任务分为：直觉联想、迁移与质疑、建构新模型三层级．

图6

例4.(原题)从地面上以初速度v0竖直向上抛出一质量为m的球，若运动过程中受到的空气阻力与其速率v成正比关系，球运动的速率随时间变化规律如图6所示，t1时刻到达最高点，再落回地面，落地时速率为v1，且落地前球已经做匀速运动，求：

(1) 球从抛出到落地过程中克服空气阻力所做的功;

(2) 球抛出瞬间的加速度大小；

(3) 球上升的最大高度H．

图7

(迁移创新题)如图7所示,在竖直平面内有一足够长的平行光滑导轨MN、PQ，导轨宽L=0.2 m，在导轨间连接电阻R=0.2 Ω，其他电阻不计，导轨间有与导轨平面垂直的匀强磁场，B=0.5 T，方向向里．有一导体棒ab其质量m=0.01 kg，能与导轨始终保持良好接触并能沿导体移动，现给ab竖直向上的初速度v0=4 m/s，从导轨底端向上运动，经过t=0.2 s到达最高点，然后又沿导轨下滑，在到达底端前已做匀速运动．问：

(1)ab棒匀速下滑的速度v1；

(2) 从抛出至下滑到底端的过程中电路产生的焦耳热；

(3) 上升过程中通过导体棒ab的电量．

核心素养视域观点：原题和创新题考查的方法、能力几乎相同，同样考查了“物理观念”中的运动观念、相互作用观念、能量观念，“科学思维”的模型建构、分析综合及推理论证等要素．迁移创新题是抓住原题中空气阻力与速度成正比关系并巧妙的迁移到安培力与速度的正比关系，顺利将力学情境转换为磁场环境，完成了迁移创新的过程．尤其是原题第3问求的是高度，在创新题中进一步要求计算通过棒的电量，是分析问题的思维升华，是求出上升高度后自然而然的问题．

5 实验创新策略

物理学是一门实验科学，物理实验是物理教学的重要内容．在培养学生的科学思维、探究能力、科学态度和科学精神方面具有特殊的地位．物理实验也是考查学生创新能力和实践能力的最好载体．由于中学实验原理丰富，涉及的器材多种多样，测量手段灵活多变，数据处理多维度多角度，所以设计实验是对学生实验能力的一种综合性考查，往往具有一定的难度和较好的区分度．设计实验创新可分为实验装置创新和实验原理创新．

例5.某探究学习小组欲探究物体的加速度与力、质量的关系，他们在实验室组装了一套如图8所示的装置，图中小车的质量用M表示，沙和沙桶的总质量用m表示．要顺利完成该实验，则

图8

(1) 为使小车所受合外力等于细线的拉力，应采取的措施是；

(2) 要使细线的拉力约等于沙和沙桶的总重力，应满足的条件是．

图9

(实验装置创新题)某实验小组在“探究加速度与物体受力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，其实验装置如图9所示．已知小车质量M，所使用的打点计时器交变电流频率f=50 Hz．其实验步骤是：

(A) 按图中所示安装好实验装置.

(B) 调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动.

(C) 取下细绳和砝码盘，记下砝码和砝码盘的总质量m.

(D) 将小车置于打点计时器旁，先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a.

(E) 重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复(B)—(D)步骤，求得小车在不同合外力F作用下的加速度．则

(1) 实验步骤中“(B)调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动”(填“是”或“不是”)为了平衡小车与长木板间的摩擦力，按上述方案做实验，(填“要求”或“不要求”)砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量．

(2) 若某次实验步骤“(C)取下细绳和砝码盘，记下砝码和砝码盘的总质量m0”，测出该次小车运动的加速度为a，则“加速度与力、质量”的关系式为(用所给的字母表示，重力加速度为g)．

(实验原理创新题)某实验小组应用如图10所示装置“探究加速度与物体受力的关系”，实验步骤如下：

图10

(A) 按图所示安装好实验装置，其中与定滑轮及弹簧测力计相连的细线竖直；

(B) 调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下匀速运动；

(C) 挂上砝码盘，接通电源后，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求出小车的加速度；

(D) 改变砝码盘中砝码的质量，重复步骤(C)，求得小车在不同合力作用下的加速度．

根据以上实验过程，回答以下问题：

(1) 对于上述实验，下列说法正确的是．

(A) 小车的加速度与砝码盘的加速度大小相等.

(B) 与小车相连的细线与长木板一定要平行.

(C) 砝码和砝码盘的总质量应远小于小车的质量.

(D) 弹簧测力计的读数应为砝码和砝码盘总重力的一半.

(2) 若实验操作正确，测得小车的质量为M，砝码及砝码盘的总质量为m，弹簧秤的示数为F，小车运动的加速度为a，则“加速度与力、质量”的关系式为(用所给的字母表示，重力加速度为g)．

核心素养视域观点：“实验：探究加速度与力和质量的关系”应当成为力学实验的集大成者，是力学实验的综合，也是考查频率最高的力学实验．装置创新题和原理创新题均考查了核心素养的四个维度的水平，科学推理、科学论证、证据和解释均有不同程度的考查，科学态度和科学精神也有一定的体现．学生应当根据实验装置，发掘题中信息，理解设计意图，领会实验精神，运用科学思维，解决应探究的问题．有效呈现学生从实验原理、实验器材、信息收集和处理方面的能力．