评价物理观念的高考试题剖析与应对策略

2022-05-07浙江刘银奎

教学考试(高考物理) 2022年1期

浙江刘银奎

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称新课标)在命题建议中指出：“试题应有明确的测试目标。试题的立意要明确，要清楚地指向物理学科核心素养某个或多个方面，尽量明确到对具体要素的测试。”本文对2021年全国各地高考试卷中评价物理观念的试题进行深度剖析，总结出可以借鉴的命题规律与应对策略。

1 物理观念的深度理解

1.1 物理观念的内涵

新课标中关于“物理观念”的说明有以下三句话：“‘物理观念’是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。”新课标研制组专家黄恕伯老师对这三句话做了深入的解读：第一个分句告诉我们物理观念是一种基本认识；第二个分句告诉我们物理观念不是概念和规律的简单堆砌，而是把所学的概念和规律组合成富有逻辑的合理的知识结构；第三个分句告诉我们物理观念还是解释自然现象和解决实际问题的基础。很显然，掌握基本认识、构建知识结构只是物理观念形成的初步，而解释自然现象、解决实际问题才是物理观念的课程目标。

1.2 物理观念包含的素养要素分析

“物理观念”包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念三个要素，可以看出，这三个要素的分类是按照知识层面进行的，而“科学思维、科学探究、科学态度与责任”的要素分类是按照素养要素进行的，如：科学探究就分为“问题、证据、解释、交流”等四个素养要素。显然物理观念的分类方法与其他三个方面是不同的。

要真正有效地落实物理观念目标，教学中还需要从素养层面上认识物理观念的要素。黄恕伯老师认为，从素养层面上看，物理观念应包括“形成观念”和“解决问题”两个要素。原因有以下两个：第一，新课标的第一条就是“形成物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等，能用其解释自然现象和解决问题。”第二，在新课标的物理观念五级水平划分表中，每级水平的描述中均包括“形成观念”和“解决问题”两个要素，如下表所示。

物理观念五级水平划分

基于以上分析，我们就可以用如图1所示的框架结构来表示物理学科核心素养，它包括4个方面素养和13个素养要素。

图1 物理学科核心素养结构图

2 评价物理观念的高考试题剖析

由前面的分析可知，从素养层面来看，物理观念包括了“形成观念”和“解决问题”两个素养要素。下面就从这两个方面对2021年的高考试题进行分析，探究评价物理观念的命题规律。

2.1 评价学生的物理知识结构是否完善

要评价学生物理观念的形成情况，实际上就是评价学生头脑中的物理知识的结构是否完善，即学生能否把所学的概念和规律组合成富有逻辑的合理结构，使其成为解决实际问题的关键视角和分析物理问题的思维指南。

2.1.1 评价学生小范围内知识结构是否完善

【例1】(2021年6月浙江省普通高校招生选考科目考试第4题)2021年5月15日，天问一号着陆器在成功着陆火星表面的过程中，经大气层290 s的减速，速度从4.9×103m/s减为4.6×102m/s；打开降落伞后，经过90 s速度进一步减为1.0×102m/s；与降落伞分离，打开发动机减速后处于悬停状态；经过对着陆点的探测后平稳着陆。若打开降落伞至分离前的运动可视为竖直向下运动，则着陆器

(B)

图2

A.打开降落伞前，只受到气体阻力的作用

B.打开降落伞至分离前，受到的合力方向竖直向上

C.打开降落伞至分离前，只受到浮力和气体阻力的作用

D.悬停状态中，发动机喷火的反作用力与气体阻力是平衡力

【试题说明】本题是考查受力分析的一道简单题，是针对小范围内的知识结构的考查，旨在评价学生对着陆器在火星表面降落过程中受力分析是否清晰，尤其是对着陆器处在不同状态对应不同受力情况能否区分。

【素养要素】(仅针对物理观念素养，下同)着陆器是否受到重力、大气阻力、大气浮力的判断，合力、反作用力、平衡力等概念的理解，受力分析、力的合成的应用。考查学生力的概念与受力分析的局部知识结构是否完善，运动与相互作用观念是否已初步形成。

【学业质量】水平2：形成初步的物理观念。

2.1.2 评价学生大范围内知识结构是否完善

【例2】(山东省2021年普通高中学业水平等级考试第8题)迷你系绳卫星在地球赤道正上方的电离层中，沿圆形轨道绕地飞行。系绳卫星由两子卫星组成，它们之间的导体绳沿地球半径方向，如图3所示。在电池和感应电动势的共同作用下，导体绳中形成指向地心的电流，等效总电阻为r。导体绳所受的安培力克服大小为f的环境阻力，可使卫星保持在原轨道上。已知卫星离地平均高度为H，导体绳长为L(L≪H)，地球半径为R，质量为M，轨道处磁感应强度大小为B，方向垂直于赤道平面。忽略地球自转的影响。据此可得，电池电动势为

图3

(B)

【试题说明】本题是把万有引力定律与电磁感应等知识综合起来的一道中等难度试题，旨在评价学生对力、电综合知识的掌握与运用能力，是针对力学与电磁学大范围内的知识结构的考查。

【素养要素】万有引力定律、电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、安培力公式、左手定则、右手定则、二力平衡等要素，考查学生的大范围内搭建物理知识结构是否完善，运动与相互作用观念是否已经形成。

【学业质量】水平4：具有清晰、系统的物理观念。

2.2 评价学生是否会用物理观念解释自然现象和解决实际问题

物理观念既包括重要的物理概念、物理规律，同时，也包括在概念和规律基础上提炼出的观点；但无论是基本认识还是升华后的观点，它们共同的目标均指向解释自然现象和解决实际问题。

2.2.1 评价学生是否会从物理学的视角解释现象

【例3】(2021年广东省普通高中学业水平选择性考试第3题)唐代《耒耜经》记载了曲辕犁相对直辕犁的优势之一是起土省力，设牛用大小相等的拉力F通过耕索分别拉两种犁，F与竖直方向的夹角分别为α和β，α<β，如图4所示，忽略耕索质量，耕地过程中，下列说法正确的是

图4

(B)

A.耕索对曲辕犁拉力的水平分力比对直辕犁的大

B.耕索对曲辕犁拉力的竖直分力比对直辕犁的大

C.曲辕犁匀速前进时，耕索对犁的拉力小于犁对耕索的拉力

D.直辕犁加速前进时，耕索对犁的拉力大于犁对耕索的拉力

【试题说明】本题选取了我国古代曲辕犁相较直辕犁的优势对比情境，旨在评价学生能否应用学过的物理知识来分析和解释曲辕犁起土省力的原因。

【素养要素】受力分析、力的分解、牛顿第三定律。考查学生能否从物理学的视角解释一些生活现象。

【学业质量】水平2：能从物理学视角解释一些生活或生产中的现象。

2.2.2 评价学生能否用物理知识解决问题

【例4】(2021年1月浙江省普通高校招生选考科目考试第15题)为了提高松树上松果的采摘率和工作效率，工程技术人员利用松果的惯性发明了用打击杆、振动器使松果落下的两种装置，如图5所示。则

甲

(AD)

A.针对不同树木，落果效果最好的振动频率可能不同

B.随着振动器频率的增加，树干振动的幅度一定增大

C.打击杆对不同粗细树干打击结束后，树干的振动频率相同

D.稳定后，不同粗细树干的振动频率始终与振动器的振动频率相同

【试题说明】本题以利用共振原理来提高松树上松果的采摘率和工作效率为背景，旨在评价学生能否运用学过的物理知识来解决具体问题，体现学以致用、联系实际、关注STSE的物理学科特点。

【素养要素】受迫振动、自由振动、共振现象、共振条件、惯性概念、生活常识等，考查学生能否应用物理知识解决实际问题，考查“运动与相互作用观念”是否已经形成。

【学业质量】水平3：能应用物理知识解决实际问题。

3 应对策略

从上面列举的四个例题可以看出，2021年评价物理观念的高考题大多从“形成观念”和“解决问题”这两个要素来命制题目。因此，我们的课堂教学首要任务是促进学生物理观念的形成；在这个基础上，引导学生进行问题解决的训练，最终提升学生物理观念素养。

3.1 优化知识结构，形成物理观念

高中物理课程的学习，不是知识的堆砌，而是要让学生构建一个优化的知识系统结构。教师在帮助学生习得大量的物理知识之后，还要不失时机地引导学生进行知识结构优化，形成知识网络，从而使学生形成清晰、系统的物理观念。

学生学习完牛顿运动定律之后，教师要引导学生画出力与运动的知识结构图，教师可以综合多个学生的作品，然后汇总成一张优化的结构图，如图6所示，用一条中轴线把重点知识块串起来，两边再联结上知识细节部分，从而把相关知识连成一棵“知识树”。又如，必修2的第八章“机械能守恒定律”是形成能量观念的重要章节，章内概念繁杂、规律众多，学生难以掌握，如果能引导学生建立如图7所示的结构优化图，那就事半功倍了。这个结构图把四个概念(功、功率、动能、势能)、两条规律(动能定理、机械能守恒定律)、一个综合关系(功能关系)梳理得清晰明白，把相关的知识结成一张“知识网”。通过优化知识结构，学生实现“脑中有结构”，夯实学科基础，形成物理观念，奠定“解决问题”的基础。

图6 力与运动知识结构图

图7 机械能知识结构图

3.2 重视情境创设，训练问题解决

新课程标准提出的第二条教学建议：“在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设”，并指出“创设情境进行教学，对培养学生的物理核心素养具有关键作用。”若把物理知识比喻成“盐”，则教师创设的情境就是“汤”，盐只有溶于汤才好入口，知识只有融入情境才好理解和消化。例如在训练求解星球的质量问题时，可以采用以下两个题目：

【例5】宇航员在月球表面上用一弹簧秤称质量为m的物体时的读数为F，设引力常量为G，月球半径为R，则月球的质量为

(A)