基于高考命题的高中物理学科能力培养的教学策略——以“动量”主题为例

王洪泠

（福州第二中学，福建 福州 350001）

物理学科的核心素养作为学生物理学习和适应社会发展的关键能力，在受到教育界广泛关注的同时，对学生核心素养的培养也日益成为学校教学工作的重点。物理核心素养是学生物理学习过程的内化，它决定了学生面对物理问题时的能力表现，而对学生能力表现的研究又成为落实物理核心素养的重要手段。因此，基于学生行为表现的物理学科能力理论为我们提供了系统化的研究方法和研究路径。

20 世纪末的物理高考说明提出了理解、推理、分析综合、应用数学处理物理问题和实验等五项能力目标。［1］21 世纪初，综合能力和创新能力得到普遍重视，探究能力、阅读能力和整合能力也逐渐在物理学科能力中得到体现。郭玉英、续佩君、邢红军、李春密等都提出了各自的对物理学科能力的论述，其中郭玉英、张玉峰和姚建欣提出的物理学科能力表现理论框架，即学习理解能力、应用实践能力和迁移创新能力等三大维度，以学生能力表现为载体，继承国内外对物理学科能力的探索，总结出了物理学科能力的共性要素［2］。本文将根据此学科能力的理论框架进行论述。

“学习理解、应用实践、迁移创新”这三个维度涵盖了学生当下学习生活和应对未来社会挑战的基本内容。根据三个能力维度的解构，学习理解能力维度可以进一步具体分解为A1 观察记忆、A2 概括论证、A3 关联整合；应用实践能力维度可以进一步具体分解为B1 分析解释、B2 推论预测、B3 综合应用；迁移创新能力维度可以进一步具体分解为C1 直觉联想、C2迁移与质疑、C3 构建新模型。［2］我们将以“动量”这一高中物理教学及高考命题的重点知识为例，基于物理学科能力理论这一分析工具，对近几年高考“动量”命题与物理学科能力的一致性进行量化的对比研究，并据此提出基于三个能力维度、九个一级指标的“动量”教学策略。

一、高考物理试题与物理学科能力的一致性

基于物理学科能力的命题细目表以学科能力的九个二级指标和试题所涉及的主要知识内容为横纵坐标建立细目表，将知识在具体学习过程中的情境对应到表格中，并据此寻找试题与内容、能力维度的一一对应关系。表1 展示的“物理学科能力与动量主题命题细目表（2017—2020 年的高考全国卷动量命题对照）”就是基于学科能力维度，将“动量”这一主题按照动量定理和动量守恒定律两块内容，按照不同的情境分解到表格中。通过对照2017 年—2020 年高考全国卷的动量试题，整理得出在高考命题中“动量”这一主题在三个学科能力维度、九个一级指标中的占比和覆盖面，并据此为高中物理教学提供参考和依据。

表1 物理学科能力与动量主题命题细目表（2017——2020 年的高考全国卷动量命题对照）

根据统计，我们发现在2017 年—2020 年高考全国卷的动量试题主要涵盖了学习理解、应用实践这两个维度，在迁移创新这个维度基本没有出现。并且在九个子维度中并不均衡，大量的高考动量试题集中于观察记忆、推论预测、综合实践子维度中，这体现出高考更多的考察的是关于动量最简单的概念记忆与知识的综合应用能力。迁移创新的维度中没有出现对应的高考试题，以及二级子维度中没有对应的高考试题，这可能基于高考命卷过程中对题量设置和区分度设置的考虑。“动量”的迁移创新维度确实是一个高难度的能力要求，虽然在统计的高考全国卷中没有体现，但在非高考的试题或部分地方卷中，各个子维度我们都可以找到对应的试题，如在各省市的模拟卷出现了具体的考查维度，这在后面的教学策略中也将举例说明。

我们将据此将基于学科能力三个维度的学生表现及其教学策略的重点放在前两个维度，即“学习理解能力”和“应用实践能力”的分析上。

二、培养学科能力的教学策略

（一）学习理解能力维度

1.基于“观察记忆”的教学策略

观察记忆根据任务的不同可以分为“观察与信息提取”和“信息与知识对应”两种类型。学生在记忆“动量”“冲量”等概念时存在记忆停留于表面的问题，即信息与知识没有做到很好的对应。具体表现如“矢量性”这一知识的对应上，学生虽然知道“动量”和“冲量”是矢量，但是在应用过程中依然潜意识地将它们当作标量对待。特别是计算动量的变化量时，学生会更明显地表现出这种问题。如某质量1kg 的小球以1m/s 的初速度撞击墙面后以依然以1m/s 的速率反弹，则学生在计算动量变化量时往往会直接用初末速率与质量的乘积相减得出动量的变化量为零的错误结论。教师在教学过程中要通过尽可能多的实例和演示实验来强化学生对矢量性的认知，并且可以通过“试错”的方式，如设置一些学生容易产生错误的实例或习题，暴露出他们错误的“潜意识”，进而达到强化认知的教学效果。

2.基于“概括论证”的教学策略

概括论证包括“抽象概括”和“指向知识获得的推理”两种类型。学生理论推导“动量定理”“动量守恒定律”的公式的过程就属于“指向知识获得的推理”。学生的困难主要表现为用旧知识推导新规律的不熟悉，即无法建立起新旧物理量间的关联，在论证过程中对矢量性应用不当等。教师在教学过程中应积极地发挥学生的主观能动性，让学生自主完成公式的论证的全过程，如果有困难教师可以给予提示性的建议，应尽可能避免教师全过程的演算式推导和自问自答式的提问式教学。为提升学生的“概括论证”能力，教师应当积极放手，通过学生上台讲解，学生间互相讨论等方式，让学生充分地参与到概括论证的学习过程中。教师还可以通过投影展示、当场批阅等方式生动展示学生在论证过程中出现的问题，以点带面地将“概括论证”的细节、技巧、注意事项展示给所有学生，达到总体提升的教学效果。

3.基于“关联整合”的教学策略

“关联整合是学习理解维度中对学生最高层次的要求，可以分为‘知识关系建构’和‘核心概念整合’两类。”［1］学生在关联整合“动量”的各类知识时，表现出的问题是类似物理量之间的混淆和错用。特别是在“动量”与“动能”“冲量”和“功”“动量定理”和“动能定理”“动量守恒”和“机械能守恒”等概念、规律间的迷失。具体表现为将某一物理量的特性套用在其他物理量上，如水平面上移动的物体重力不做功，但是重力有冲量，学生有时就会误认为重力的冲量也是零。功是力对空间的积累，需要考虑力和位移的方向问题；而冲量是力对时间的积累，求冲量直接可以用力和时间的乘积。为更好地解决学生对动量“关联整合”的学习，教师在课堂教学中可以充分采用对比教学的策略，将类似物理量和物理规律间的异同通过表格醒目的表达出来。同时，教师通过引导学生自主建立动量地思维导图，由学生来阐述思维导图的关联，也是一种快速帮助学生建构知识间关联，提升核心概念、整合效率的有效策略。

（二）应用实践能力维度

1.基于“分析解释”的教学策略

分析解释可以根据任务情境分为“分析问题情境”和“解释物理现象”两类。学生存在的困难主要表现为不能从生活现象中提炼出物理规律，或者在提炼出物理规律后不能很好解释现象。教师在教学过程中应多向学生展示生活中的实例，例题应该多一些生活情境的描述，不应一直选用理想化模型。比如打篮球时接球缓冲的动作和弹簧减震的例子都可以解释“动量变化相同时力的作用时间越长作用力越小”，但是打篮球的例子更贴近学生的生活。只有选择恰当的情境才激发学生的自主意识，进而帮助学生从物理走向生活，从生活中感受物理，为他们分析问题情境提供创造条件。在教学过程中，教师应当积极肯定并鼓励学生的自我思考，允许他们犯错，必要时可以对某一问题开展充分的交流和讨论，有步骤地培养学生完整的物理分析和表达的能力，即从用物理术语描述生活现象，到用物理规律阐述物理量关系，最后能够用有逻辑的分析串接整个过程。

2.基于“推论预测”的教学策略

“推论预测可以根据最终结果分为‘推理论证’和‘推理预测’两类，两者都是科学理论的实践应用过程。”［1］其中推理论证与学习理解维度下“概括论证”比较类似，但二者依然有明显的区别。“推理论证”侧重于解决问题的推理能力，“概括论证”特指获得新知识的输入型思维过程。学生在这方面的困难主要表现为因推理过程中涉及的对象选择、受力分析、规律应用、分析推导等都对学生有较高的要求，学生对过程分析不到位或没能掌握推理的全过程，导致推理中断或者推理错误。以“称米问题”为例，设问自动称米机切断“米流”后，空中“米流”因对容器有冲击力而对称量的影响问题。学生要能够以“取在极短时间Δt内，落到米堆上的一小部分米Δm 为研究对象”，通过对这一微小单元应用动量定理，推导出冲击力大小与空中的“米流”质量相等，最后预测买卖公平的结论。一旦学生没有选择合适的分析对象，推理就会遇到困难。

［推理预测实例——称米问题］“目前自动称米机已被许多大粮店广泛使用，但使用过程中却遇到这样的尴尬问题：买者认为，因米流落到容器中时有向下的冲力不划算；卖者则认为，当预定米的质量数满足时，自动装置即刻切断米流时，此刻尚有一些米仍在空中，这些米是多给卖者的，因而双方争执起来，究竟哪方说法对呢？用物理学原理分析空中米流的总重量恰等于米流对米堆的冲击力，或者说磅秤的示数恰好等于磅秤上米堆和空中米流的质量和，根本不存在划算、不划算的问题。”［3］

图1

因此，教师培养学生的“推理预测”能力，要注重过程的引导。帮助学生先掌握好推理的各个分步骤，即对象选择、受力分析、规律应用、分析推导的具体过程；再帮助他们熟悉简单问题到复杂问题的转换和过渡，即理想化模型过渡到生活化问题，从单一对象过渡到多个物体；进而学生就能循序渐进地掌握推理分析的全过程。

3.基于“综合应用”的教学策略

综合应用是应用实践维度对学生的最高能力要求，它包括“多过程的问题解决”和“多知识的综合应用”。在高考考题中大部分的动量命题都基于对学生这种能力的考查，而学生表现出的问题主要集中在不能厘清复杂的情境和不能将物理情境转化为物理模型上。如“2021 年1 月福建省新高考适应性考试物理试题第15 题”，此题属于非常典型的动量和能量问题的综合应用。第一次碰撞时，学生要熟悉“一动一静”的弹性碰撞的模型，综合利用动量和能量的关系求解问题。第二次、第三次碰撞就需要学生找出每次碰撞前后的物理量，再结合运动学的知识综合求解。学生在此题的解答过程中表现出的问题有对常见模型（如“一动一静”弹性碰撞）不熟悉，利用运动学的规律联系多个碰撞过程有困难，对多过程的分析不够细致等。

［2021 年1 月福建省新高考适应性考试物理试题第15 题］如图2 所示，光滑绝缘水平桌面位于以ab、cd为边界的匀强电场中，电场方向垂直边界向右。两小球A 和B 放置在水平桌面上，其位置连线与电场方向平行。两小球质量均为m，A 带电荷量为q（q＞0），B 不带电。初始时小球A 距ab 边界的距离为L，两小球间的距离也为L。已知电场区域两个边界ab、cd 间的距离为10L，电场强度大小为E。现释放小球A，A 在电场力作用下沿直线加速运动，与小球B 发生弹性碰撞。两小球碰撞时没有电荷转移，碰撞的时间极短。求：

图2

（1）两小球发生第一次碰撞后，B 获得的动量大小；

（2）两小球发生第一次碰撞后至第二次碰撞前，A、B 间的最大距离；

（3）当小球B 离开电场区域时，A 在电场中的位置。［4］

教师在教学过程中可以通过精选典型模型，并辅以同类模型的情境来加深学生对常见模型的熟悉程度。针对多次碰撞前后物理量间规律的寻找和联系，教学过程中可以引导学生“由果溯因”，逆向分析问题，倒寻物理量的关系。教学过程中让学生在此处多花些时间去比较已有物理量和待求物理量间的关系，自主得出结论是有意义的，教师千万不能替代学生完成这个分析过程。多过程问题对学生能力有较高要求，学生在分析中不够细致是正常现象，平时教师要对学生的独立分析的意愿以及过程中表现出的微小进步给予充分的鼓励和肯定，让学生产生积极的态度。

紧密联系社会生活与科技发展，要求学生抽象出物理模型，明确其中的物理规律、物理量之间的变化，并用自己的语言进行表达。物理知识和技能的教学是培养物理核心素养的重要载体，过多挖掘非主干知识不一定有助于课程目标的实现。物理学科核心素养共有四个要素，难以在一节课上体现得面面俱到，教师应当基于物理的学科能力，整体规划并设计好每节课的教学，关注学生每个维度的发展，促进课堂教学与高考命题的一致性。