由一道高考题的演变探讨物理核心素养的考查

黄瑞花

(上海市奉贤区教育学院，上海 201499)

1 问题提出背景

2017年版《普通高中物理课程标准》对学业质量提出了明确要求.物理学业考试水平的内容注重考查物理学科核心素养物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任4个方面.而这4个方面主要包括物质观、运动观、相互作用观、能量观，模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新，问题、证据、解释、交流，科学本质、科学态度、社会责任等15个要素.学业质量根据问题情境的复杂程度、知识和技能的结构化程度、思维方式或价值观念的综合程度等，把物理学科核心素养的4个方面又划分为5级水平.

如何在平时的习题教学、课后作业等通过题目的选编来促进学生的学科核心素养的培养，以及如何在平时的阶段考查和质量调研等各类考试，通过题目的编制能检测到物理学科核心素养的各个要素的水平，从而真正达成教学评的一致，值得我们研究探讨.下面选取2019年普通高等学校招生全国统一考试(江苏)卷中的一题，尝试通过题目的演变来探讨物理核心素养的考查.

2 高考原题及其考查目标分析

图1

原题.(2019年江苏卷第2题)如图1所示，一只气球在风中处于静止状态，风对气球的作用力水平向右，细绳与竖直方向的夹角为α，绳的拉力为T，则风对气球作用力的大小为

(C)Tsinα. (D)Tcosα.

这是一个很常规的试题，难度不大.考查内容为物体的平衡.

图2

预期学生解题分析过程，先阅读题目，读取关键词“静止”，气球处于平衡状态，满足平衡条件.确定研究对象气球，把气球看成质点，对其受力分析，受到重力G(气球重力不计也可以，不影响答题结果)、绳子对气球斜向下的拉力T、风对气球水平向右的作用力F和空气对气球的浮力F浮，如图2.在水平和竖直方向建立坐标轴，把力T分解为水平和竖直.根据平衡条件，得到F=Tsinα.正确选项为(C).

此题涉及了哪些物理核心素养要素的考查？考查的素养水平属于几级？具体分析见表1.

表1 原题考查的素养要素及质量水平

此题考查涉及运动观和相互作用观、模型建构和科学推理几个要素，学业质量水平属于1和2，考查水平要求不高.那么，同样这样一个情境，通过演变能不能考查出核心素养的其他要素呢？

3 题目演变及其考查目标分析

3.1 减少定量计算，注重说理开放

图3

演变1：如图3所示，一只氢气球在风中处于静止状态，则气球对空气作用力的方向是怎样的？为什么？

考查内容：物体的平衡和牛顿第三定律.题目是说理题，需要文字表述.

图4

预期学生可能思考分析解答过程.① 若气球重力不能忽略，以气球为研究对象，看成质点，对气球受力分析，气球受到重力G、绳子对气球斜向下的拉力T和空气对气球的作用力F而平衡.根据平衡条件，空气对气球的力F分解为G和T反方向的两个分力，可知在受力示意图如图4中两虚线之间斜向上都可以(不包括边界值).最后根据牛顿第三定律，得到气球对空气的反作用力，在G和T方向之间斜向下(不包括G和T方向).② 若气球重力可以忽略，以气球为研究对象，看成质点，对气球受力分析，绳子对气球斜向下的拉力T和空气对气球的作用力F二力平衡.根据牛顿第三定律，气球对空气的反作用力就是沿绳子斜向下的方向.

变化后题目没有定量计算，由于气球重力是否要考虑的缘故，答案可能出现一个范围，也可能是一个唯一值，存在多个可能性，所以具有一定开放性.也可以以客观题形式出现.

此题考查仍然涉及运动观和相互作用观、模型建构和科学推理几个要素，但考查内容有所增加，考查水平有所提升.与原题相同的考查目标不再列出，把变化的内容分析在表2.

表2 演变考查目标的变化

演变2：如图3，一只气球在风中处于静止状态，风对气球的作用力水平向右.为知道风对气球的作用力的大小，需要知道下列哪组物理量即可.

(A) 绳子的拉力、气球的重力.

(B) 气球受到的浮力、气球的重力.

(C) 气球的重力、重力与绳子方向的夹角.

(D) 绳子的拉力、细绳与竖直方向的夹角.

图5

考查内容仍为物体的平衡.把题目的题干和选项串起来就是结论.

预期学生解题分析过程，审题还是要抓住“静止”两字，确定对象气球，对其受力分析.如图5所示，受到重力G、绳子对气球斜向下的拉力T、风对气球水平向右的作用力F和空气对气球的浮力F浮.把力进行合成或分解处理，设细绳与竖直方向的夹角为α，根据平衡条件，得到水平方向F=Tsinα，竖直方向F浮=Tcosα+G.确定研究方案，方案①： 根据水平方向F=Tsinα，测得绳子的拉力和细绳与竖直方向的夹角即可知道F，选项(D)正确.方案②： 根据竖直方向F浮=Tcosα+G，得到T=(F浮-G)/cosα,得到F=(F浮-G)sinα/cosα=(F浮-G)tanα，测得F浮、G和细绳与竖直方向的夹角α即可知道F，选项(B)不完整.

此题不同于原题的是，题干中没有已知的物理量，需要学生自己思考确定方案，并根据方案确定需要测量的物理量，从而来验证选项提出的结论正确与否.

此题除了考查运动观和相互作用观、模型建构几个要素，还涉及科学思维和科学探究中其他一些要素的考查.具体分析见表3.

表3 演变2考查目标的变化

3.2 创设真实情境，注重问题解决

图6

题目素材：真实的照片，放飞的氢气球，气球长度约为9 cm，未充气时质量约为1.1 g.镜头正对气球和绳子所在的竖直面拍摄.用量程±20 N，精度0.01 N的力传感器测得如图6所示时的拉力为0.05 N.

演变3：如图6，这是一个气球在水平向右风力作用下处于静止状态的照片.为测得风对气球的作用力的大小，选用的器材是

(A) 力传感器，刻度尺.

(B) 压强传感器，量角器.

(C) 力传感器，温度计.

(D) 压强传感器，温度计.

考查内容仍为物体的平衡.题目特点带有实验测量，器材的选择.而器材的选择是建立在方案设计的基础之后进行选用.所以可以说是演变2后的延伸.

预期学生分析解答过程，方案设计同演变2.选择器材力传感器和刻度尺(或量角器).除了前面涉及考查的素养要素外，还涉及表4中的素养要素及水平.

表4 演变3考查目标的变化

演变4：如图6，这是一个气球在水平向右风力作用下处于静止状态的照片.用力传感器测得了绳子的拉力为0.05 N.请根据照片，估测水平风力的大小.

考查内容仍为物体的平衡.题目带有实验测量.与前面演变2和3不同的是，不只是涉及方案和器材的选择，而是实验结论.也可以以客观题形式出现，选择风力最接近的力大小.

预期学生分析解答过程，方案设计同演变2.利用刻度尺测出线长约为1.80 cm时，线的水平投影约为0.85 cm，得到风力F约为0.024 N涉及到的素养要素及水平见表5.

表5

演变5：如图6，这是一个氢气球在水平向右风力作用下处于静止状态的照片.测得气球未充气时质量约为1.1 g，力传感器量程±20 N，精度0.01 N.为测出风对气球的作用力的大小，甲、乙两学生分别设计了实验方案.

思考过程：确定对象气球，对其受力分析，受到重力G、绳子对气球斜向下的拉力T、风对气球水平向右的作用力F和空气对气球的浮力F浮.

甲的方案：根据平衡条件，得到水平方向F=Tsinα.用力传感器测量绳子的拉力T，用量角器测量细绳与竖直方向的夹角α，各1次.测得数据代入公式即得风力.

乙的方案：根据平衡条件，得到竖直方向F浮=Tcosα+G，得到T=(F浮-G)/cosα，代入水平方向F=Tsinα，得到F=(F浮-G)sinα/cosα.可以再进一步测量F浮、用力传感器测量G、用量角器测量细绳与竖直方向的夹角α.

请你对甲、乙方案进行评价，并选择其中一个方案提出进一步测量方案或改善之处.

考查内容仍为物体的平衡，题目要求是对已有的方案进行评价.

答题提示：评价视角，可以从实验可行性、精确性等角度去思考.如果实验存在安全问题，还需要从安全性角度去思考.

此题除了考查相互作用观、科学推理等素养要素外，还考查了如下素养要素，见表6.

表6

3.3 设问联系社会，注重责任培养

图7

演变6：高空气球是一般位于平流层，高度可达40-50 km，被广泛应用于高能天体物理、宇宙线、红外天文、大气物理、大气化学、地面遥感、微重力实验等方面的研究，同时也大量应用于外层空间宇宙设备的预研和试飞以及军事方面等.如图7，这是一个被绳子拴住的静止的氢气球，绳子的另一端被手拉着.如果释放气球，

(1) 气球能否成为高空气球？为什么？请简要解释.

(2) 请针对释放后的气球另外再提出一个物理问题，并简要解释.

考查内容涉及热学、运动和力的关系、能量等.题目具有开放性，要求从物理学视角提出问题、解释问题.

预期学生思考分析解答过程，普通气球不能成为高空气球.原来静止的气球，由于少了绳子的拉力，将向上运动.随着高度增大,空气逐渐稀薄,气压减小,气球内部一定质量的气体的压强大于外部的大气压，气体体积增大，气球膨胀爆裂.

预期学生提出的问题，释放后气球将做什么运动？释放后气球的重力势能将如何变化？释放后气球内封闭气体的压强将如何变化？释放后气球内气体分子的热运动将如何变化？……

也可以把预期学生提出的问题作为几个选项提出，然后让学生选择其中一项进行解释，难度降低.让学生具有自主选择地完成考查，增加了学生的自主性.当然每个选项的难度系数可能稍有不同，如果要赋分可以对其进行不等值赋分(在这里对其赋分及公平性问题不做探讨).上述第(2)题可以变为，请在下列问题选项中只选择一项回答，并简要解释.

(A) 释放后气球做什么运动？

(B) 释放后封闭气球的压强将如何变化？

(C) 释放后气球的重力势能将如何变化？

(D) 释放后气球内气体分子的热运动将如何变化?……

此题考核素养要素如表7所示.

上述一个高考试题经过多个演变，同一情境涉及不同素养要素的考查，考查素养要素较全.而一个题目的选编主要取决于预想要考查的素养目标，就是预想考查什么素养要素及水平去选编题目.

表7