创设真实问题情境 提升科学思维品质——2021年全国高考物理试题评析

黄多智

(贵州省三穗县民族高级中学,贵州 黔东南 556500)

为契合《中国高考评价体系》建构“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”高考考查内容体系目标，实现“招—考—教—学”全流程各个环节无缝衔接、良性互动的目标，2021年高考物理命题发生了深刻变化，考题高度源于真实情境，凸显思维品质的重要地位。[1]

1 原题呈现及评析

题1(2021年全国高考甲卷第15题)：“旋转纽扣”是一种传统游戏。如图1所示，先将纽扣绕几圈，使穿过纽扣的两股细绳拧在一起，然后用力反复拉绳的两端，纽扣正转和反转会交替出现。拉动多次后，纽扣绕其中心的转速可达50 r/s，此时纽扣上距离中心1 cm处的点，其向心加速度大小约为( )。

图1

A. 10 m/s2B. 100 m/s2

C. 1 000 m/s2D. 10 000 m/s2

评析：该题立意很好，所选事例源于生活中的真实情境，有利于学生形成物理观念，促进学生养成从物理学视角解释自然现象、解决实际问题的习惯。使学生看见一个或者多个自然现象时，能够自觉地运用物理概念、规律和方法去发现、描述和解决问题，而想要达到这样的目的，绝不是“刷题”能够做到。这要求在日常的教学实践中，做到反复训练和思考客观事物的本质属性、内在规律及相互关系，基于事实证据和科学推理，能对不同观点和结论提出质疑和批判，进行相应的检验和修正，进而提出创造性的见解。[2]该考题不足的是：“纽扣游戏”已经时代久远，上世纪七、八十年代出生的人可能熟知，现在的学生甚至连题中所述的纽扣都未必见过。即便是在农村，用纽扣做这个游戏的也不多。因此试题命制可以历史重现但也要兼顾与时俱进，尽量与学生真实的生活体验相关。

溯源：通过访谈，绝大多数学生认为解决这个问题比较容易，少数学生在研究对象的确定上出现了一定的偏差。这部分学生认为：纽扣的质量未知，且整颗纽扣上每点的线速度、角速度及加速度都不一样，因此不能取纽扣上的一点作为研究对象。实际上这样的事例在人教版高中物理必修2中有相似的描述：一部机器由电动机带动，机器上的皮带轮的半径是电动机皮带轮半径的3倍，皮带与两轮之间不发生滑动。已知机器皮带轮边缘上一点的向心加速度为0.10 m/s2……[3]

在人教版的这道题里面提到了皮带轮边缘上一点的加速度，只要在平时的教学中善于引导学生进行物理情境的分析，上述问题就会迎刃而解。

图2

题2(2021年全国高考乙卷第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2所示。科学家认为S2的运动轨迹是半长轴约为1 000 AU(太阳到地球的距离为1 AU)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

评析：这是一道以科学史实为背景的试题，考查万有引力定律及相关知识。历年来，以重大科学发现史料为背景的试题很多，不同之处在于：以往仅仅是以重大科学发现为引子，另外给出经过简化的物理现象和过程，通过抽象概括出物理本质，然后建构物理模型解决问题，还是有较浓的“解题”味道。而本题直接给出科学发现的现象以及记录的数据，其中关键数据“S2的周期约为16年”需要学生通过对简图的分析与总结得到，科学家在进行科学研究的过程中也常常画这样的简图，物理教学也普遍地画草图帮助分析。学习的效果、思维的品质直接决定学生能否找到图2中数据的特征，从而发现恒星S2的周期这个关键数据。很明显，这种操作使得“解决问题”的味道更浓，更加接近科学研究和发现的实际。费曼指出：物理学家总认为你需要着手的只是：给定如此这般的条件下，会冒出什么结果？对科学现象进行分析抽象，收集并基于证据做出推理判断、检验修正等，这些正是“解决问题”所需的科学思维。

在解答本题时，很多学生往往局限于文字、所给的数据以及图形呈现的轨迹特征，囿于开普勒行星运动定律的常数由中心天体决定的认识，而没有办法使问题得到解决。已经来到门边却没有进去，实在遗憾。看似一点点的差距，其实有深刻的内涵在其中，值得高中一线教师深思：教学要改革，要把学生置于真实的物理情境中去发现、描述和解决问题。彭前程指出：突出核心素养教育的教学设计应该是“思维型教学”，大致流程是创设情境、提出问题、自主探究、总结反思、应用迁移。[4]可以说：高中物理无情境不教学。

溯源：图2是恒星S2的运动轨迹图，它揭示了：(1) 绕其他天体运行并不是行星的专利，恒星也可以绕其他天体(比如黑洞)运行；(2) S2运行的轨迹是椭圆，符合开普勒行星运动第一定律；(3) S2运行的半个周期是8年(1994年到2002年)，周期是16年。

行星的轨迹图在教材中也会有呈现，只是我们在教学中忙于解题、刷题，远离了教材，偏离了根本，人教版高中物理必修2中的“科学足迹”栏目就展示了火星的逆行轨迹。

对于物理图像，学生可以从斜率、截距、交点、面积等方面探究图像的物理意义，但是学生对实物场景图会感到陌生，这说明学生收集证据和运用证据的能力不足。随着高考改革的推进，考试命题思想的转变提示我们在今后的教学中要将知识寓于真实的情境中，要着力培养学生收集证据、运用证据，以及基于证据发现问题、描述问题和解决问题的能力。

题3(2021年全国高考甲卷第24题)：如图3所示，一倾角为θ的光滑斜面上有50个减速带(图中未完全画出)，相邻减速带间的距离均为d，减速带的宽度远小于d；一质量为m的无动力小车(可视为质点)从距第一个减速带L处由静止释放。已知小车通过减速带损失的机械能与到达减速带时的速度有关。观察发现，小车通过第30个减速带后，在相邻减速带间的平均速度均相同。小车通过第50个减速带后立刻进入与斜面光滑连接的水平地面，继续滑行距离s后停下。已知小车与地面间的动摩擦因数为μ，重力加速度大小为g。

图3

(1) 求小车通过第30个减速带后，经过每一个减速带时损失的机械能；

(2) 求小车通过前30个减速带的过程中在每一个减速带上平均损失的机械能；

(3) 若小车在前30个减速带上平均每一个损失的机械能大于之后每一个减速带上损失的机械能，则L应满足什么条件？

评析：小车现在已经是普遍的家庭交通工具，小车经过减速带也是大家习以为常的事情。本题以小车通过减速带为背景提出问题让学生解答，符合《国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》中提出的要求：“创新试题形式，加强情境设计，注重联系社会生活实际，增加综合性、开放性、应用性、探究性试题”。近几年高考卷第24题的难度都不大，情境简单，问题浅显，都是基本概念、基本规律和基本方法的直接运用，不需要太多计算和思考，较易解决。在2021年，无论是甲卷还是乙卷，这样的题几乎没有。依靠“刷题”提高学习成绩的做法十分被动，高考试题的变化使大多数师生感到不适，认为物理题太难。从2021年的考卷来看，尤其是甲卷，情境新颖、计算量大、信息丰富，对思维品质要求很高。《普通高中物理课程标准(2017年版，2020年修订)》《中国高考评价体系》《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》等纲领性文件对此已经提出明确要求，只是我们研究得多，落实得少，复习依旧是依靠大量教辅资料。

考后，笔者对部分学生进行了访谈，结果表明题目做错有以下原因：一是直接把这道题当成通过连续相等位移的匀变速直线运动的问题来处理；二是文字理解力差，弄不清物理情境，找不到隐含的物理量之间的关系。总是按照“刷题”的老套路思考，其结果是问题理解不清，自然也就没有办法解决。从本质上讲，本题考查了能的转化和守恒定律，学生往往忽视这些不是具体的公式、等式、图表的问题，不习惯于解决这类问题。恰恰这又是实际的问题：小车经过减速带有能量损失，动能(速度)减小；经过减速带后又加速，动能(速度)增加，小车通过第30个减速带后，在相邻减速带间的平均速度均相同。

2 新高考应对策略

2.1 淡化考点意识，提升关键能力

过去有考纲作参考，题型及试题难度都比较容易把握，教辅资料也能根据考纲做出相应变化，应对自如。现在，考试以课程标准为依据，不再发布考纲，试题命制的变数在增加，教辅资料一时也难以追踪。在这样的背景下，教师应该自觉淡化考点意识，认真研读课程标准、教材等，深刻领会，勤于实践。围绕学科关键能力和科学思维的提升，切实从带领学生研究考题向研究问题转变，从研究题型向研究现象转变。以学习陪伴者的身份启迪学生自己发现物理现象、物理过程中的问题，描述并解决问题。

2.2 创设真实物理情境，促使学生从被动解答问题向主动解决问题转变

创设真实的物理情境不仅仅是在实验室，更多的要走入社会大课堂，进工厂、到高校、深入田地原野之间。到这些地方去体验真实的情境，反复分析、总结，找出物理本质，找到问题解决的办法，同时增强情感体验，使学生得到“教育性发展”。过去学生做试卷、做实验都是被动的，设计好的，过程中没有意外，完成任务就是完美。可是一到实际中去，千变万化、千头万绪，学生眼花缭乱，不知道从何入手，一撂撂试卷堆叠得来的知识经验派不上用场。比如2021年的甲卷第24题、乙卷第18题等，学生感到很难就是这个原因。在真实的情境中，学生从物理学视角，运用所学知识对现象及过程进行分析，实现“第二次翻转”。透过此类知识的学习，“见到”“体验到”那些“不可言说”“不可分析”“只可意会不可言传”的存在。[5]这使得学生从已有的经验、知识水平出发，简约地经历人类发现与建构知识的过程，形成物理观念，提升科学思维等能力。