从2021年高考看物理关键能力考查

摘 要：中国高考评价体系明确要求考查学生的关键能力，高中物理关键能力包含了“科学思维”和“科学探究”中的主要内容，也是物理核心素养的重要组成部分.新的物理高考加大了关键能力的考查力度，有必要对其深度剖析和解读，以便更好地引导物理教学.

关键词：高考试题;关键能力;推理论证能力;实验探究能力;创新能力

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）17-0052-04

基金项目：北京市物理学会课题“过程教学导向下的思维发展型课堂建构”（项目编号：WLXH202097）.

作者简介：田成良（1974-），男，山东人，本科，中学高级教师，中学特级教师，硕士生导师，物理教研员，研究方向：物理思维课堂、物理科学方法教育、课堂教学艺术等.

1 关键能力解读

1.1 课程标准中的关键能力

《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出了发展学生学科核心素养的要求，其中“物理观念”代表知识的内化，是其他核心素养的基础，“科学思维”和“科学探究”是关键能力，“科学态度与责任”是必备品格.课程标准明确指出“科学思维”和“科学探究”包含的要素是构建物理科考试关键能力的重要基础.将“科学思维”中的科学推理、科学论证合并为“推理论证能力”;在“模型建构”“质疑创新”的基础上，提出“模型建构能力”和“创新能力”;将物理学科所要求的实验能力与科学探究整合为“实验探究能力”;“理解能力”主要对应学科素养中的“物理观念”，强调对于物理概念、规律的深度理解与灵活应用[1].

基于以上整合，物理学科考试提出理解能力、推理论证能力、模型建构能力、实验探究能力、创新能力五大关键能力，具体如图1所示.五大关键能力既是对课程标准中关键能力的具体化，也是对以前物理学科考试大纲中提出的物理能力的继承与发展，是根据物理教学实际和时代发展要求提出的新的能力.

1.2 高考评价体系中的关键能力

高考评价体系中的关键能力指即将进入高校的学习者在面对与学科相关的生活实践或学习探索问题情境时，高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力.它是符合高水平人才培养体系所必需、适应时代要求并支撑其终身发展的能力，是培育核心价值、发展学科素养所必须具备的能力基础.包含3种能力群：即知识获取能力群;思维认知能力群;实践操作能力群[2].

1.3 二者关系

物理学科考试提出的5种能力与高考评价体系的关键能力群匹配度很高，其中理解能力属于知识获取能力群，模型建构能力、推理论证能力和创新能力属于思维认知能力群，实验探究能力属于实践操作能力群.具体关系如图2所示.

2 关键能力考查

2.1 理解能力

“理解能力”是指理解知识的意义，把握物理情境的本质特征，能将知识与情境联系起来，并运用已有的知识和方法解决问题的能力.具体包括：理解物理概念和规律的确切含义，明确其适用对象、适用条件和适用范围，清楚地认识其表达形式;能领会物理概念和规律所涉及的基本思想和方法，并能正确选用物理概念和规律进行综合解决问题[3].

例题1 （2021全国乙卷 14题）如图3所示，光滑水平地面上有一小车，一轻弹簧的一端与车厢的挡板相连，另一端与滑块相连，滑块与车厢的水平底板间有摩擦.用力向右推动车厢使弹簧压缩，撤去推力时滑块在车厢底板上有相对滑动.在地面参考系（可视为惯性系）中，从撤去推力开始，小车、弹簧和滑块组成的系统

A.动量守恒，机械能守恒

B.动量守恒，机械能不守恒

C.动量不守恒，机械能守恒

D.动量不守恒，机械能不守恒

评析：答案选B，本题主要结合具体的问题情景，考查学生对动能和动量守恒等物理规律的理解，以及动能和动量守恒条件的判断，体现了理解能力的考查.由于本系统所受合外力为零，系统动量守恒;只有重力或弹力做功，机械能守恒，根据系统受力情况与各力做功情况依据动量守恒与机械能守恒的条件分析答题.

另外，第22题考查小球做平抛运动的实验，在分析处理数据时应将运动分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向匀变速直线运动进行处理，结合题干给出的时间及图中位移的数据进行求解，重点考查平抛知识的应用和理解，也体现了理解能力的考查.

2.2 模型建构能力

“模型建构能力”是指针对物理现象抽象出其主要特征，通过类比、想象等方法建构物理模型，并能用物理语言进行描述，在實际问题中能运用物理模型解决问题的能力.具体要求如下：理解常见的研究对象、物理状态、物理过程等物理模型建立的条件;在较复杂的实际问题中，能识别并选用恰当的物理模型解决问题[3].

例题2 （2021全国乙卷 18题）科学家对银河系中心附近的恒星S2进行了多年的持续观测，给出1994年到2002年间S2的位置如图4所示.科学家认为S2的运动轨迹是半长轴约为1000AU （太阳到地球的距离为1AU）的椭圆，银河系中心可能存在超大质量黑洞.这项研究工作获得了2020年诺贝尔物理学奖.若认为S2所受的作用力主要为该大质量黑洞的引力，设太阳的质量为M，可以推测出该黑洞质量约为

A.4×104M B.4×106M

C.4×108M D.4×1010M

解答：设地球的质量为m，地球到太阳的距离为r=1AU，地球的公转周期为T=1年;由万有引力提供向心力可得：GMmr2=mr4π2T2，解得：M=4π2r3GT2.

对于S2受到黑洞的作用，椭圆轨迹半长轴R=1000AU，根据图中数据结合图像可以得到S2运动的半周期（T′2）为8年，则周期为T′=16年，根据开普勒第三定律结合万有引力公式可以得出：M黑=4π2R3GT′2，因此有：M黑=R3T2r3T′2M，代入数据解得：M黑≈4×106M，故B正确，ACD错误.

评析：答案选B，本题考查万有引力定律中的定量计算，属于较难的能力考查题.由于涉及的天体比较多，物理量也比较多，又需要建立模型，题目较为复杂，读懂题意并不容易，很多学生难以下手.

本题主要是考查学生模型建构能力，首先根据题目中的文字和图像，获取信息，确定解答条件，再根据万有引力定律进行分析.其中地球的公转周期和S2的公转周期是隐形的，需要进一步的挖掘，才能转化为解答试题条件.所以，解答该题的关键是能够根据图中的数据获取信息，理清思路建立模型，正确分析S2运行周期，结合万有引力提供向心力进行分析，即可迎刃而解，本题很好地体现了模型建构关键能力的考查.

另外，24题考查了拍篮球问题，应用动能定理求出篮球自由下落时篮球与地面碰撞前與碰撞后瞬间的动能，求出篮球每次与地面碰撞前后的动能的比值，运动员拍球时对篮球做的功和作用力的大小，本题也考查了物理模型建构能力.

2.3 推理论证能力

“推理论证能力”是指能根据已知的物理事实，通过分析、推理和论证，得出正确结论并做出正确解释的能力.具体包含：能应用物理概念和物理规律正确分析、推断物理状态的存在条件;根据具体问题，运用物理规律和数学方法确定物理量之间的定量关系，通过运算、估算进行推断和论证;针对不同观点进行适当反驳，证据充分，推理过程符合逻辑.

例题3 （2021全国乙卷 21题）水平地面上有一质量为m1的长木板，木板的左端上有一质量为m2的物块，如图5（a）所示.用水平向右的拉力F作用在物块上，F随时间t的变化关系如图5（b）所示，其中F1、F2分别为t1、t2时刻F的大小.木板的加速度a1随时间t的变化关系如图5（c）所示.已知木板与地面间的动摩擦因数为μ1，物块与木板间的动摩擦因数为μ2.假设最大静摩擦力均与相应的滑动摩擦力相等，重力加速度大小为g.则

D.在0-t2时间段物块与木板加速度相等

评析：选BCD，本题考查滑块木板模型的临界极值问题，属于很难的综合题，属于动力学问题中的重点和难点，也是复习备考中的必做题型.由于研究对象、受力分析、运动过程都很复杂，特别是临界状态的确定，是很多学生无法逾越的壁垒.解答本题，需由两个临界点，确定三段过程，运用图像和牛顿第二定律进行分析，主要考查从图像中获取信息能力，再利用整体法和隔离法，运用牛顿运动定律进行分析论证的能力.在研究几个物体的共同加速度时可以选整体为研究对象，但在研究某个物体时要注意隔离法的应用.

另外，33题考查理想气体状态方程与热力学第一定律的应用，需要根据图像分析清楚气体状态的变化过程，也体现了推理分析能力的考查.

2.4 实验探究能力

“实验探究能力”是指能独立完成基本的学生实验，能针对具体探究的问题，根据已有条件制定实验探究方案，根据实验数据形成合理结论并做出科学解释和评价的能力. 具体包括： 独立完成课标中规定的“学生必做实验”，能针对具体的物理情境，提出可探究的物理问题，进行科学的猜想或假设，能运用已学过的知识和方法，根据已有的实验器材制订实验探究方案， 获取数据并能用多种方法从中探寻规律、得出结论;能撰写完整、规范的实验探究报告，能对误差进行分析和讨论，并提出修改和完善的建议.

例题4 （2021全国乙卷 23题）一实验小组利用图6（a） 所示的电路测量一电池的电动势E（约1.5V）和内阻r（小于2Ω）.图中电压表量程为1V，内阻RV=380.0Ω;定值电阻R0=20.0Ω;电阻箱R，最大阻值为999.9Ω;S为开关.按电路图连接电路.完成下列填空：

（1）为保护电压表，闭合开关前，电阻箱接入电路的电阻值可以选Ω（填“5.0”或“15.0”）;

（2）闭合开关，多次调节电阻箱，记录下阻值R和电压表的相应读数U;

（3）根据图6（a）所示电路，用R、R0、RV、E和r表示1U，得1U=;

（4）利用测量数据，做1U-R图线，如图6（b）所示;

（5）通过图6（b）可得E=V（保留2位小数），r=Ω（保留1位小数）;

（6）若将图6（a）中的电压表当成理想电表，得到的电源电动势为E′，由此产生的误差为|E′-EE|×100%=%.

评析：本题考查“测量电池的电动势和内阻”的实验，属于较难的综合题.由于本实验原理是唯一的，即闭合电路欧姆定律，但由于实验仪器不同，可以设计不同的测量方案，各种考题基本上都是对伏安法的改编和创新.解答本题需从实验原理出发，结合具体的实验方法，写出闭合电路欧姆定律的表达式，转化为图像中的一次函数，由斜率和截距，求出电动势和内阻.电学实验的误差分析，需要考虑的因素较多，始终是难点.本题涉及测量实验原理、数据处理以及误差分析等问题，很好地体现了实验探究能力的考查.

答案：（1）15.0;（3）1E+r（R0+RV）ER0RV+R（R0+RV）ER0RV;（5）1.55，1.0;（6）5.

2.5 创新能力

“创新能力”是指在已有经验的基础上，通过自主学习和独立思考，发现新问题、获取新知识、创造新方法、解决新问题的能力.具体包括：通过阅读和观察，获取新知识、新方法等新信息;对已有结论提出合理质疑，发现多种可能性，采用多种的方式和方法解决问题;面对新颖或复杂的物理情境，能发现新问题，能创造性地构建新的物理模型，应用新思路、新方法解决问题.

例题5 （2021全国乙卷 25题）如图7所示，一倾角为α的光滑固定斜面的顶端放有质量M=0.06kg的U型导体框，导体框的电阻忽略不计;一电阻R=3Ω的金属棒CD的两端置于导体框上，与导体框构成矩形回路CDEF;EF与斜面底边平行，长度L=0.6m.初始时CD与EF相距s0=0.4m，金属棒与导体框同时由静止开始下滑，金属棒下滑距离s1=316m后进入一方向垂直于斜面的匀强磁场区域，磁场边界（图中虚线）与斜面底边平行;金属棒在磁场中做匀速运动，直至离开磁场区域.当金属棒离开磁场的瞬间，导体框的EF边正好进入磁场，并在匀速运动一段距离后开始加速.已知金属棒与导体框之间始终接触良好，磁场的磁感应强度大小B=1T，重力加速度大小取g=10m/s2，sinα=0.6.求

（1）金属棒在磁场中运动时所受安培力的大小;

（2）金属棒的质量以及金属棒与导体框之间的动摩擦因数;

（3）导体框匀速运动的距离.

评析：本题是电磁感应与力学相结合的一道综合题，物理过程复杂，用到的物理规律也很多，涉及审题分析、寻找研究对象、针对具体的过程写出表达式，难度较大，对能力考查有很高要求.根据题意分析清楚金属棒与导体框的运动过程与受力情况是解题的前提与关键，应用牛顿第二定律、E=BLv、闭合电路的欧姆定律与安培力公式、平衡条件与运动学公式即可解题.本题具有很强的综合性，解答本题需要较高的创新能力，试题具有很好的区分度，能把不同层次的学生区分开.

另外，本卷第16题考查带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，需要画出粒子的轨迹图，然后由几何关系求出轨迹圆半径和磁场圆半径之间的关系，最后由洛伦兹力提供向心力求出速度，根据速度之比等于半径之比求出粒子两次的入射速度之比.这体现了根据已有知识解决实际问题的创新能力考查.33题考查复杂的理想气体问题，学生要根据条件气体温度不变和等温变化，求出玻璃管内被封闭气体的状态参量，应用玻意耳定律分析答题，也体现了创新能力考查.

3 问题与建议

3.1 丰富试题情境

试题情境是落实核心素养考查的载体，是深化新时代物理考试内容改革的重要突破口.教学中应紧密联系科技、生活、体育、军事等热点事件，创设真实问题情境，不仅考查学生在真实情境中解决问题的能力，还能培养科学精神，引领爱国主义等价值教育.另外，积极利用教材中的素材，创设学生比较熟悉的学习情境，创新试题设问的方式，也能很好地促进学生思维能力的发展.本试卷中生活情境类试题比例相对较少，不能较好地体现学生问题分析、问题解决能力.适当增加生活情境试题的数量，能促进落实高考评价体系的要求.

3.2 强化思维过程

发展学生的科学思维能力是教学的核心，也是新课标和新高考的明确要求.教学中要改变以往只注重知识结论，不注重学习过程的现象.科学思维的发展离不开好的学习过程，聚焦主干或核心知识，创设真实情景，注重用问题引领思维发展的意识，强化问题分析和问题解决的过程，突出用主干知识解决实际问题的能力，加强知识的深层理解与综合应用.从而落实模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等关键能力的发展.

3.3 注重基础性考查

高考评价体系重视对基本概念、基本规律的理解和掌握，夯实学科基础：能从不同视角来思考问题，促进学生物理观念的形成与发展;有意识地引导学生运用科学方法分析问题、解决问题，并将其内化为自身的思维方式，提高学生解决问题的能力.本试卷中对“四翼”的考查，体现基础性不够，综合性和创新性试题数量较多，试卷整体难度偏大，不利于学生学习兴趣的激发，自信心的树立.建议增加基础性试题的数量，体现试题的层级性和梯度性，会更利于人才的选拔，更好地引导和服务教学.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径[J].中国考试，2019（12）：38-44.

[3]张春丽.对“基于高考评价体系的五种关键能力”含义界定的尝试[J].物理教學探讨，2020，38（06）：41-45.

（收稿日期：2021-06-20）