物理试题体现科学探究有关核心素养要求的举例与分析*

方润根

(杭州学军中学 浙江 杭州 310012)

梁 旭

(浙江省教育厅教研室 浙江 杭州 310012)

陈 琼

(浙江省慈溪中学 浙江 宁波 315300)

2020年浙江省已经启用依据新课标编写的教材，如何考查核心素养？以前的试题中是否比较全面地考查了核心素养?我们在浙江省教育厅教研室“高中物理核心素养考查研究课题组”对近几年全国及上海、江苏、浙江高考(选考)物理试题的筛选和分析的基础上，根据科学探究素养的5个水平划分，列举了科学探究各要素的部分试题，分析了考查水平.

1 科学探究“问题”要素的试题举例及特征分析

【例1】(2000年高考上海物理卷第15题)图1为一名宇航员“漂浮”在地球外层空间的照片.根据照片展示的情景提出两个与物理知识有关的问题(所提出的问题可以涉及力学、电磁学、热学、光学、原子物理学等各个部分.只需提出问题，不必作出回答和解释).

图1 “问题”要素的例1题图

例：这名“漂浮”在太空中的宇航员相对地球是运动还是静止的？

参考答案：(1)宇航员是否受地球引力作用？(宇航员受力是否平衡？)

(2)宇航员背后的天空为什么是黑暗的？(宇航员是利用什么与地面进行联系的？)

【例2】(2020年高考全国理综卷Ⅱ第9题)一细绳跨过悬挂的定滑轮，两端分别系有小球A和B，如图2所示.一实验小组用此装置测量小球B运动的加速度.

图2 “问题”要素的例2题图

令两小球静止，细绳拉紧，然后释放小球，测得小球B释放时的高度h0=0.590 m，下降一段距离后的高度h=0.100 m；由h0下降至h所用的时间T=0.730 s.由此求得小球B加速度的大小a=_____________m/s2(保留3位有效数字).从实验室提供的数据得知，小球A和B的质量分别为100.0 g和150.0 g，当地重力加速度大小g=9.80 m/s2.根据牛顿第二定律计算可得小球B加速度的大小a′=___________m/s2(保留3位有效数字).

可以看出，a′与a有明显差异，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：________________.

参考答案：1.84；1.96；滑轮的轴不光滑，绳和滑轮之间有摩擦(或滑轮有质量).

科学探究“问题”要素的5级水平表述如下：具有问题意识(水平1)；能观察物理现象，提出物理问题(水平2)；能分析物理现象，提出可探究的物理问题，作出初步的假设(水平3)；能分析相关事实或结论，提出并准确表述可探究的物理问题，作出有依据的假设(水平4)；能面对真实情境，从不同角度提出并准确表述可探究的物理问题，作出科学假设(水平5)[1].例1中的“根据照片的情景提出两个与物理知识有关的问题”属于“观察物理现象，提出物理问题”(水平2)，参考答案给出的也是水平2的问题，“宇航员是否受地球引力作用？”“宇航员背后的天空为什么是黑暗的？”例2“可以看出，a′与a有明显差异，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：.”这一结果不能通过推理、论证等思维来得到，其本质是考查问题(假设)素养，等同于“a′与a有明显差异，除实验中的偶然误差外，你想到的问题有哪些？有何猜想(假设)？”属于“能分析物理现象，提出可探究的物理问题，作出初步的假设(水平3)”.

2 科学探究“证据”要素的试题举例及特征分析

【例3】(2018年4月浙江选考卷第18题)

(1)小明用多用电表测量一小段2B铅笔芯的电阻Rx，正确的操作顺序是(填字母).

A.把选择开关旋转到交流电压最高挡

B.调节欧姆调零旋钮使指针指到欧姆零点

C.把红、黑表笔分别接在Rx两端，然后读数

D.把选择开关旋转到合适的挡位，将红、黑表笔接触

E.把红、黑表笔分别插入多用电表“+”“-”插孔，用螺丝刀调节指针定位螺丝，使指针指零

(2)小明正确操作后，多用电表的指针位置如图3所示，则Rx=Ω

图3 “证据”要素的例3电表读数

(3)小张认为用多用电表测量小电阻误差太大，采用伏安法测量.

现有实验器材如下：电源(电动势3 V，内阻可忽略)，电压表(量程3 V，内阻约为3 kΩ)，多用电表(2.5 mA挡、25 mA挡和250 mA挡，对应的内电阻约为40 Ω，4 Ω和0.4 Ω)，滑动变阻器RP(0～10 Ω)，定值电阻R0(阻值10 Ω)，开关及导线若干.

测量铅笔芯的电阻Rx，下列电路图中最合适的是图4中(填字母)，多用电表选择开关应置于挡.

参考答案：(1)EDBCA；(2)2.9Ω；(3)B，250 mA.

【例4】(2013年高考全国大纲卷第22题)如图5所示，E为直流电源，G为灵敏电流计，A和B为两个圆柱形电极，P是木板，C和D为两个探针，S为开关.现用上述实验器材进行“用描迹法画出电场中平面上的等势线”的实验.

图5 “证据”要素的例4题图

(1)木板P上有白纸、导电纸和复写纸，最上面的应该是纸；

(2)用实线代表导线将实验器材正确连接.

参考答案：(1)导电纸；(2)如图6所示.

图6 “证据”要素的例4图答案

科学探究“证据”要素的5级水平表述如下：能在他人指导下使用简单的器材收集数据(水平1)；能根据已有的科学探究方案，使用基本的器材获得数据(水平2)；能在他人帮助下制订科学探究方案，使用基本的器材获得数据(水平3)；能制订科学探究方案，选用合适的器材获得数据(水平4)；能制订有一定新意的科学探究方案，灵活选用合适的器材获得数据(水平5)[1].

例3中“(1)小明用多用电表测量一小段2B铅笔芯的电阻Rx，正确的操作顺序是(填字母)”因操作步骤题中已经给出，但如何合理排序还需要自己思考，相当于“在他人帮助下制订科学探究方案”(水平3).“(2)小明正确操作后，多用电表的指针位置如图所示，则Rx=”相当于“使用基本的器材获得数据”(水平2).“(3)小张认为用多用电表测量小电阻误差太大，采用伏安法测量.测量铅笔芯的电阻Rx，下列电路图中最合适的是图4中(填字母)，多用电表选择开关应置于挡.”实质上就是“制订科学探究方案，选用合适的器材获得数据”(水平4).例4中“(2)用实线代表导线将实验器材正确连接”初看很难与“科学探究”几个要素对应，其本质就是“根据实验目的，设计实验电路图”，考虑到题目给出了器材，相当于“他人帮助”，实质上就是“能在他人帮助下制订科学探究方案，使用基本的器材获得数据”(水平3).

3 科学探究“解释”要素的试题举例及特征分析

【例5】(2010年高考江苏卷第11题)为了探究受到空气阻力时，物体运动速度随时间的变化规律，某同学采用了“加速度与物体质量、物体受力关系”的实验装置，如图7所示.实验时，平衡小车与木板之间的摩擦力后，在小车上安装一薄板，以增大空气对小车运动的阻力.

图7 “解释”要素的例5题图

(1)往砝码盘中加入一小砝码，在释放小车(选填“之前”或“之后”)接通打点计时器的电源，在纸带上打出一系列的点.

(2)从纸带上选取若干计数点进行测量，得出各计数点的时间t与速度v的数据如表1所示.

表1 各计数点的时间和速度数据

请根据实验数据在图8中作出小车的v-t图像.

图8 “解释”要素的例5 v-t图坐标纸

(3)通过对实验结果的分析，该同学认为：随着运动速度的增加，小车所受的空气阻力将变大，你是否同意他的观点？请根据v-t图像简要阐述理由.

参考答案：(1)之前；(2)如图11所示；(3)同意，理由略(见下面分析).

图9 “解释”要素的例6题图

(1)用ΔEp=mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到之间的竖直距离.

A.钢球在A点时的顶端

B.钢球在A点时的球心

C.钢球在A点时的底端

图10 “解释”要素的例6遮光条宽度图

(3)表2为该同学的实验结果.

表2 某同学验证机械能守恒实验结果

他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的.你是否同意他的观点？请说明理由.

(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议.

科学探究“解释”要素的5级水平表述如下：能对数据进行初步整理(水平1)；能对数据进行整理，得到初步结论(水平2)；能分析数据，发现特点，形成结论，尝试用已有的物理知识进行解释(水平3)；能分析发现其中规律，形成合理的结论，用已有的物理知识进行解释(水平4)；能用多种方法分析数据，发现规律，形成合理的结论，用已有的物理知识进行科学解释(水平5)[1].

由于科学探究“解释”类试题中的描述与科学探究“解释”要素的5级水平表述比较一致，只要仔细分析，便不难确定水平层次.

如例5中(2)“请根据实验数据作出小车的v-t图像”需要学生“根据数据描点，并按照趋势连成平滑曲线，如图11所示”，因从图线可得到定性结论，但还没有“形成结论，尝试用已有的物理知识进行解释”，属于“能对数据进行整理，得到初步结论”(水平2).

图11 “解释”要素的例5答案图

例5中(3)“通过对实验结果的分析，该同学认为：随着运动速度的增加，小车所受的空气阻力将变大，你是否同意他的观点？请根据v-t图像简要阐述理由”需要学生“(1)考虑摩擦力与速度无关并已经被平衡；(2)在运动方向进行受力分析：小车受拉力和空气阻力；结合v-t图像分析：速度越大时，加速度越小；结合牛顿第二定律可知小车受到的合力越来越小，说明小车受空气阻力越大，与高速运动物体更加注重外形流线形设计吻合”，上述解释分析推理过程清晰和确定，并不存在“尝试用已有的物理知识进行解释”(水平3)的情况，属于“能分析发现其中规律，形成合理的结论，用已有的物理知识进行解释”(水平4).

例6中(3)“他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的.你是否同意他的观点？请说明理由”，(4)“请你提出一条减小上述差异的改进建议”,需要学生“(1)根据表格数据分析：ΔEk大于ΔEp；(2)根据功能关系分析：若是空气