基于学科核心素养的高考物理试题情境分析

李 晗 涂友超

(1. 河南省淮阳中学,河南 周口 466700； 2. 河南省信阳师范学院物理电子工程学院，河南 信阳 464000)

2019年11月,教育部考试中心发布了《中国高考评价体系》,该体系由“一核四层四翼”组成,明确了“一核”为考查目的,“四层”为考查内容,“四翼”为考查要求,并强调“四层”考查内容和“四翼”考查要求可通过创设问题情境和情境活动来实现,同时将问题情境分为学习探索问题情境和生活实践问题情境,将情境活动分为简单情境活动和复杂情境活动.[1]那么,在高考物理中应创设怎样的试题情境,来考查学生的必备知识和关键能力,从而能够全面有效地反映学生的物理学科核心素养水平呢?本文拟通过对近年来高考物理试题情境创设的分析,初步探讨了高考物理试题情境的类型、特征及价值等.

1 高考物理试题情境概念解析

所谓情境,是指运用文字、图表、数据等形式,围绕一定主题加以设置的,为呈现解题信息、设计问题任务、达成测试目标而提供的载体,是为激发学生的认知结构与素养表现搭建的平台,是影响学生分析与解决问题的策略与表现.[2]由于目前高考物理试题的呈现方式主要为纯文本(由文字和相关的物理符号组成)或混合文本(由纯文本和相关的图表等组成),[3]为此,结合物理学科的特点,可将高考物理试题情境定义为:以纯文本或混合文本的形式，为呈现相关信息和设计物理问题所选取的情境型材料,是学生进行情境活动的场所,是考查和培养学生物理学科素养的载体.

从现阶段物理学科的高考实际分析,高考物理试题中的学习探索问题情境由物理学史问题、课程标准和教材中的典型问题以及科学探究类问题组成;生活实践问题情境由自然现象问题、与生产生活相关的问题以及科技前沿问题组成.[2]除问题情境外,情境活动的复杂程度也决定着物理试题的难度,简单的情境活动主要考查基础知识和基本能力,学生只需要启动单一的认知活动即可;而复杂的情境活动则需要综合运用多个物理知识和多种技能,学生需要启动多个认知活动.因此,从问题情境和情境活动的复杂程度以及学生的认知实际出发,笔者尝试将学习探索问题情境和生活实践问题情境进一步细分为问题再现情境、问题关联情境、拓展迁移情境、现象解释情境和模型识别情境5种类型,从而使得高中物理试题情境的特征表现更加明确、教学价值更加突显、情境创设更具可操作性.

2 高考物理试题情境创设分析

2.1 问题再现情境

问题再现情境是通过创设学生已熟悉的试题情境,将学生在物理课程学习中得到的知识等融入其中,相应的情境活动也是对学生已掌握的物理知识的回忆性再现,此类试题主要是在基础性的层次上考查“四层”的相关内容.

图1

例1.(2020年高考全国Ⅰ卷理综第16题)如图1所示,一学生表演荡秋千.已知秋千的两根绳长均为10 m,该同学和秋千踏板的总质量约为50 kg.绳的质量忽略不计.当该同学荡到秋千支架的正下方时,速度大小为8 m/s,此时每根绳子平均承受的拉力约为

(A) 200 N. (B) 400 N.

(C) 600 N. (D) 800 N.

该题所选取的“荡秋千”这一情境型材料直接来自于人教版高中物理必修2第五章曲线运动“生活中的圆周运动”一节的课后习题.[4]进行相应情境活动所需要的知识(应用牛顿第二定律求解竖直面内圆周运动最低点的向心力)属于回忆性再现,因此该题所创设的情境属于问题再现情境,情境活动也属于简单层次.

该题利用“荡秋千”这一贴近生活、具有亲和力的物理情境,将所需要考查的物理知识非常自然地嵌入其中,使得该题的情境呈现方式显得更加亲切灵动,既能够激发学生的物理学习兴趣,又能够较好地考查学生从真实情境中抓住主要因素、抽象出物理模型、进而解决物理问题的能力和素养.该题在基础性层次上考查了圆周运动向心力的计算等必备知识,概念理解和模型建构等关键能力.

此类情境型物理试题还有2020年全国Ⅱ卷第16题、2019年全国Ⅰ卷第18题等,它们均是在基础性层面上对学生物理学科核心素养进行考查,难度上通常属于容易题范畴.

2.2 问题关联情境

问题关联情境是通过设置一定的试题情境,将所需要考查的多个物理知识融入到情境之中,同时这些物理知识之间的关联并不明显,情境活动的进行需要学生在试题所考查的物理知识之间进行关联性联想.由于此类物理试题的问题情境和情境活动相对比较复杂,因此基于问题关联情境而命制的物理试题,主要是在综合性和创新性的层面上考查“四层”的相关内容.

图2

例2.(2019年高考全国Ⅰ卷理综第21题)在星球M上将一轻弹簧竖直固定在水平桌面上,把物体P轻放在弹簧上端,P由静止向下运动,物体的加速度a与弹簧的压缩量x间的关系如图2中实线所示.在另一星球N上用完全相同的弹簧,改用物体Q完成同样的过程,其a-x关系如图2中虚线所示.假设两星球均为质量均匀分布的球体.已知星球M的半径是星球N的3倍,则

(A)M与N的密度相同.

(B)Q的质量是P的3倍.

(C)Q下落过程中的最大动能是P的4倍.

(D)Q下落过程中弹簧的最大压缩量是P的4倍.

基于问题关联情境的物理试题一般综合性较强,对学生的能力要求也较高,在物理学科核心素养的考查上往往集中于科学思维和科学探究等方面.例如,2019年全国Ⅰ卷第17题、2018年全国Ⅰ卷第21题等也同属此类试题.

2.3 拓展迁移情境

拓展迁移情境是指在命制物理试题时,将所要考查的物理知识迁移到一个全新的情境型材料之中,或通过创设课程标准和教材中的典型问题情境,在学生已学知识的基础上进行适当的拓展,相应的情境活动必须依赖于对情境型材料的创新解读与转换以及相关物理知识和方法的创造性迁移与运用等.拓展迁移情境是复杂的学习探索问题情境,基于拓展迁移情境所设计的物理试题,主要在综合性和创新性层次上考查“四层”的相关内容.

图3

例3.(2019年4月浙江物理选考第12题)如图3所示,A、B、C为3个实心小球,A为铁球,B、C为木球.A、B两球分别连接在两根弹簧上,C球连接在细线一端,弹簧和细线的下端固定在装水的杯子底部,该水杯置于用绳子悬挂的静止吊篮内.若将挂吊篮的绳子剪断,则剪断的瞬间相对于杯底(不计空气阻力,ρ木<ρ水<ρ铁)

(A)A球将向上运动,B、C球将向下运动.

(B)A、B球将向上运动,C球不动.

(C)A球将向下运动,B球将向上运动,C球不动.

(D)A球将向上运动,B球将向下运动,C球不动.

之前学生在解决牛顿第二定律的瞬时性问题时,常见的情境是小球和弹簧均暴露在空气中(并且不考虑空气对小球的阻力作用),但该题却创造性地将弹簧和小球置于水中,并且要考虑水的浮力作用,因此该题所创设的情境属于拓展迁移情境.学生的情境活动需要依赖于对该情境型材料的创新解读与转换,并将相关物理知识创造性地迁移和运用.首先由牛顿第二定律判断出剪断绳子瞬间杯子的加速度等于重力加速度g,然后分别对3个小球进行受力分析,并结合剪断绳子瞬间弹簧的弹力不会发生突变，但拉住小球C的细线弹力会立即突变为0这一特性,由牛顿第二定律计算出小球A、B、C各自的加速度大小与方向,最后再转换成以杯子为参考系来考查3个小球相对于杯底的运动情况.这样的情境活动清楚表明,该题在综合性和创新性层次上考查了受力分析、参考系、牛顿第二定律等必备知识,以及推理论证、模型建构、创新思维等关键能力.

此类拓展迁移情境的物理试题还有2020年全国Ⅰ卷第18题、2020年全国Ⅱ卷第17题等.该类试题在高考中往往注重对物理知识、能力和方法的迁移,在物理学科核心素养的考查上一般是依据“四层”中的综合性和创新性,集中体现在科学思维和科学探究等方面.

2.4 现象解释情境

现象解释情境类试题所选取的情境型材料一般来源于3个方面:一是与自然界相关的物理现象；二是与生产生活紧密联系的物理现象；三是科技前沿事件.材料中所隐含的物理知识、物理模型都较为直接地源于学生已有的学习储备,学生的情境活动也相应地表现为材料中物理问题的抽象与获取、物理模型的建构与解决以及基于物理模型的实际现象解释等.现象解释情境属于较为简单的生活实践问题情境,基于此类情境命制的物理试题,一般是在基础性和应用性层次上考查“四层”的相关内容.

例4.(2020年全国高考Ⅰ卷理综第14题)行驶中的汽车如果发生剧烈碰撞,车内的安全气囊会被弹出并瞬间充满气体．若碰撞后汽车的速度在很短时间内减小为0,关于安全气囊在此过程中的作用,下列说法正确的是

(A) 增加了司机单位面积的受力大小.

(B) 减少了碰撞前后司机动量的变化量.

(C) 将司机的动能全部转换成汽车的动能.

(D) 延长了司机的受力时间并增大了司机的受力面积.

该题所选取的情境型材料源于学生熟悉的生活实际,情境中所隐含的物理知识(动量、动能等)均为学生已有的学习储备,学生的情境活动是首先从该情境中抽象出碰撞这一物理模型,进而根据气囊与司机发生碰撞时所满足的物理规律,判断各个选项所给出的对现象的解释是否正确,故该题所创设的情境属于现象解释情境.相应的情境活动表明,该题在基础性和应用性层次上考查了动量定理、动能等必备知识,以及规律理解、模型建构、解释应用等关键能力.

选取与自然现象、生产生活、现代科技等紧密联系的真实情境型材料,通过将材料情境与所要考查的物理知识有机融合,从而创设出现象解释情境类物理试题.此类试题贴近学生、贴近生活、贴近时代,既能激发学生的学习兴趣、实现“学以致用”,又能提升学生对科学本质的认识.[5]例如2019年北京物理卷第14题、2019年天津物理卷第4题、2018年全国Ⅰ卷第14题等也属于此类.

2.5 模型识别情境

模型识别情境的创设所选取的情境型材料一般来源于生产生活中的实际问题(例如与工业生产、航空航天、体育运动等相关的情境等),材料中所隐含的物理模型是学生日常学习中的常见模型,相应的情境活动主要表现为对材料中物理模型的建构与解决.

需要指出的是,模型识别情境是较为复杂的生活实践问题情境,创设此类试题情境,可以考查学生应用所学知识分析并解决生产生活实践中的实际问题,引导学生要高度关注与日常生产生活实际、科技进步等紧密相关的物理内容与问题,需要具备良好的实际问题解决能力.此类物理试题主要在综合性和应用性层次上考查“四层”的相关内容,同时还可以帮助学生树立劳动观念、厚植爱国情怀等.

图4

该题所选取的情境型材料源于中医治疗中常见的“拔火罐”疗法.材料中所隐含的物理知识(理想气体状态方程、玻意耳定律等)、物理模型(理想气体模型)均直接来自于学生已有的学习储备.相应的情境活动表明该题在综合性和应用性层次上考查理想气体状态方程、玻意耳定律等必备知识,以及规律理解、模型构建等关键能力.

该类试题情境通常来自于生产生活实践,是对真实生活情境的加工与改造,[6]它可以很好地考查学生从复杂情境中进行模型建构的能力,是落实物理学科核心素养考查的重要途径之一.例如,2020年全国理综Ⅰ卷第16题、2020年全国理综Ⅱ卷第16题、第17题等,都属于此类.

当然,以上5类高考物理试题情境的呈现并不是孤立的、绝对的,它们有时单独存在,有时也会交融在一起.

3 结语

“从生活走向物理,从物理走向社会”,物理来源于客观世界,物理回归于自然本真,因此物理学习离不开问题情境或情境问题,物理试题的情境化也必然会是高考物理命题的常态与“长态”.

基于高考的示范引领作用,研究高考物理试题情境的类型及特征,势必会对我们高中物理教学中物理情境的创设产生较深远的影响,同时,物理情境型问题的解决过程也是引导学生认识问题、分析问题、运用知识、提升能力的过程,更是培养学生有效提高物理学科核心素养的过程．