基于“四层”“四翼”的新高考物理试题情境化评析——以2022年“3+1+2”新高考8省市为例

史载天 李贵安 樊 琼 杜西安

(1. 西安市第七十一中学,陕西 西安 710054; 2. 陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西 西安 710119)

2019年12月19日,教育部考试中心正式发布了《中国高考评价体系》.这一新评价体系明确了新高考改革下的评价内涵:由“一核”“四层”“四翼”组成.“一核”是高考的核心功能,即“立德树人、服务选才、引导教学”;“四层”为高考的考查内容,即“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”;“四翼”为高考的考查要求,即“基础性、综合性、应用性、创新性”.[1]

教育部一同发布的《中国高考评价体系说明》中将“情境”定义为“高考评价体系中的考查载体”.《普通高中物理课程标准》(2020年修订版)也明确提出,教师应将物理知识与真实情境相结合,真正实现学生物理核心素养的提升.这与“四层”“四翼”的评价要求首尾呼应.因此对于众多即将面临新高考省份的一线教师,能否熟悉新高考物理试题情境化的特点就尤为重要.

截至2023年,有15个省份的“3+1+2”新高考还未整体落地实施,但已近在咫尺,其中吉林等7省区于2024年正式落地,陕西等8省区于2025年落地,新疆和西藏地区暂未公布改革方案.因此已平稳落地的“3+1+2”新高考8省市的高考试题更加具有可分析性与借鉴性.本文基于“四层”“四翼”两个一级评价维度对2022年“3+1+2”新高考的8省市物理试题情境化特点进行分析,并对情境化特征进行分类对比,为一线物理教师的教学提供有益参考.

1 基于“四层”“四翼”试题分析

1.1 “四层”考查内容统计分析

对2022年“3+1+2”新高考8省市的物理试题考查内容进行归属统计,统计结果如表1及表2所示.通过两表可以看出,8省市考查内容的共同点主要集中在运动学规律、牛顿运动定律、功能关系和动量守恒定律等力学知识上.从选择性必修内容上看,表1中的4省没有延续“老高考”的框架,而是将选修内容穿插在前面的试题之中,尤其是湖北省的第14题,依托水族馆情境将光学考查内容与平抛运动融合,进一步突出了“新高考”的改革特点及“四层”中学科素养的评价体现.

表1 4省试题必备知识考查统计表

表2 其余4省市必备知识考查统计表

表2中的4省市在选择性必修部分上与表1的4省有较大区别.这些省份继续将热学与光学部分单列成选择性题目,学生可以任意从两个中挑选一个题目作答即可.从表面上看,有选择性可以降低难度,但通过对比题目自身难度,表2中的4省市,其情境与知识的融合度更高,且对数学能力有着更高要求,体现了“四层”中关键能力的评价内涵.

基于“四层”中剩余的“核心价值”“学科素养”及“关键能力”对8份试题进行频次统计分析.首先对这3个一级维度下的二级维度分别进行编码,如表3所示.

表3 “四层”二级维度编码表

8个省份的题目数量不尽相同,因此在对二级维度进行统计时,用频次与总数比值的百分数进行对比,结果如图1所示.从图中能够简单看出在部分维度下,8省之间存在较大区别.

图1 8省市核心价值、学科素养、关键能力考查频率统计图

在“核心价值”维度中,8省市考查频率最高的是“世界观和方法论”,基本达到80%以上.该方面要求学生掌握马克思主义世界观、坚持唯物辩证方法论、对待实际问题能够理论联系实际,透过现象直达本质.例如,辽宁省第2题、福建省第8、13题以及河北省第3题等皆以我国科技前沿、大国体育及全球生态环境贡献等领域为情境,增强中国特色社会主义道路自信、文化自信,培养爱国主义情怀,彰显了“核心价值”的方向引领作用.

在“学科素养”考查中,8省市的差异化在“实践探索”维度较为明显,除江苏省只有一道实验题以外,其余7省市为两道题.其中在考查研究探索和语言表达方面,重庆、湖南和广东3省尤为重视,体现在将实践探索的情境融合在其他题目中,需要学生合理组织和调动相关知识与能力,探究情境与物理模型之间的联系,提出新视角从而寻求解决实际问题的有效方法.考查频次最多的主要还是“思维方法”,要求学生从人文、科学与创新3个角度提升思维能力,能够对人文情境进行多元化、关联化、层次构造化分析;能对问题之间的联系运用抽象与联想、归纳与概括等方法来解决;能综合运用相关知识与能力对开放性的问题情境提出新视角、新观点,例如湖南省第5题,要求学生从新颖情境中提取物理模型,从而解决实际问题.

在“关键能力”考查中,频率最高的是“推理论证”,物理学科作为一切自然科学的基础,逻辑推理能力必不可缺.在“信息采集与理解”和“模型建构”维度,8省市有部分区别,例如福建省较为注重考查学生能否客观、全面地从大量文字中获取相关信息,并能够从情境中提取暗含的有效信息.湖北省则更注重学生能否从复杂情境中准确描述和概括模型特征及其相互关系,如第9、14及16题.

1.2 “四翼”考查要求统计分析

基于“四翼”考查要求对8省市试题情境化进行统计分析,分析内容依据3个方向:依据《中国高考评价体系说明》将情境定为考查载体,并分为生活实践与学习探索两类情境;依据情境与知识的关联性强度分为组合式情境、结合式情境与融合式情境;[2]依据“四翼”考查要求,分为基础性、综合性、应用性及创新性.统计结果如表4所示,表中数据为对应的试题频数.

表4 基于“四翼”考查要求的情境化统计分析表

通过表4可以得出,湖南、重庆、广东3省市相较于其他5省侧重于将生活实践情境与试题融合,例如采用北京冬奥会体育项目、“冰墩墩”文化及“神舟十三号”航空航天事业等情境,且与试题内容的融合方式也更偏向结合式与融合式,多数反映“应用性”和“创新性”的考查要求.对于“基础性”与“综合性”的考查多通过学习探索的情境来完成,例如电饭煲内部结构与电路构成、板块碰撞与能量分析以及气缸隔板与阻尼问题等.

从8省市均值上看,生活实践情境与学习探索情境数量几乎持平.融合式的情境化方式也超过了结合式.“四翼”考查要求中以“综合性”和“应用性”居多,但“创新性”相较于同年全国乙卷已有较大提升.因此新高考改革后的试题具有明显加强生活实践情境与知识体系的创新性融合.

2 情境化特点分析

2.1 “组合式”情境彰显大国自信与担当

在8省市的试题中,组合式情境占比较少,问题来源于情境却不依赖于情境,但在加强课程思政背景下,“组合式”可以满足创设科技前沿事业情境的同时考查基础性内容,彰显强国自信的同时也注重了核心价值的塑造.典型例题如辽宁省第3题.

(C)E=(m1+m2+m3)c2.

(D)E=(m1+m2-m3)c2.

评析:本题以中国锦屏深地实验室的核天体物理研究成果为情境,使考生认识到我国核天体物理研究的国际地位,增强了民族自信感.考生需要通过题目中给出的核反应方程式,利用核反应中质量数和电荷数守恒,得出X的质量数为3,电荷数为1,为氚核.再根据质能方程以及质量亏损释放能量计算出整体反应释放的能量表达式.该情境素材的选取为2022年所创造的成就,时代性较强,凸显了核心价值的培养.

2.2 “结合式”情境注重问题解决与应用

“结合式”情境在8省市试题中占比较高,平均可达到近7题的数量.在本情境中,问题来源于情境且需依据情境内容解决,问题常来源于较为复杂的物理结构,考生需要对情境的文字描述进行理解,对有效的信息进行提取加工,再将复杂的物理结构与已知的常用物理模型相结合,从而分析求解.“结合式”可以满足考查解决实际问题能力的同时考查综合性知识,突出物理学科的实用价值,培养了科学思维的物理核心素养.[3]典型例题如福建省第8题.

例2.(福建省第8题)我国霍尔推进器技术世界领先,其简化的工作原理如图2所示.放电通道两端电极间存在一加速电场,该区域内有一与电场近似垂直的约束磁场(未画出)用于提高工作物质被电离的比例.工作时,工作物质氙气进入放电通道后被电离为氙离子,再经电场加速喷出,形成推力.某次测试中,氙气被电离的比例为95%,氙离子喷射速度为1.6×104m/s,推进器产生的推力为80 mN.已知氙离子的比荷为7.3×105C/kg;计算时,取氙离子的初速度为0,忽略磁场对离子的作用力及粒子之间的相互作用,则

图2 例2题图

(A) 氙离子的加速电压约为175 V.

(B) 氙离子的加速电压约为700 V.

(C) 氙离子向外喷射形成的电流约为37 A.

(D) 每秒进入放电通道的氙气质量约为5.3×10-6kg.

评析:本题以我国霍尔推进器技术为情境,需要考生对题目中所描述的工作原理进行分析加工.“有一与电场近似垂直的约束磁场”会对考生有混淆视听的作用,考生需理解氙气是经过部分电离、加速再喷出从而形成推力的过程,整个情境涉及电势能与动能的能量转化,涉及动量定理的应用以及电流与电荷的关系,融合了高中物理的几大模块,对考生的物理思维能力有较高要求.此外,还需注意95%的电离比例以及单位换算,对数学运算也有一定要求.从该“结合式”情境可以明显看出,新高考改革后的物理试题不会再大量使用常见的“物块”“小球”等模型,而是会从实际问题出发,需将公式定理灵活地运用在情境中,注重考查学生问题解决与应用的能力.

2.3 “融合式”情境突出设计理念与创新

通过上文表4能够得出,8省市试题中“融合式”情境的题目均值达到了7个以上,已经超过“结合式”情境.这个是近5年内全国卷所达不到的结果(全国卷指还未参加新高考的省份物理试题).“融合式”情境化试题是将情境与知识融合在一起,情境的描述即为物理探究过程或物理模型的自身描述,且多数为复杂陌生的设计或探索情境,需要考生具有信息物理化的高阶认知能力.因此能够看出,新高考改革后的试题情境更加突出设计理念与创新思维.设计理念的典型例题主要由实验题承担,创新思维的典型例题如湖南省第18题.

例3.(湖南省第18题)如图3所示,某种防窥屏由透明介质和对光完全吸收的屏障构成,其中屏障垂直于屏幕平行排列,可实现对像素单元可视角度θ的控制(可视角度θ定义为某像素单元发出的光在图示平面内折射到空气后最大折射角的2倍).透明介质的折射率n=2,屏障间隙L=0.8 mm.发光像素单元紧贴屏下,位于相邻两屏障的正中间.不考虑光的衍射.

图3 例3题图

(1) 若把发光像素单元视为点光源,要求可视角度θ控制为60°,求屏障的高度d;

(2) 若屏障高度d=1.0 mm,且发光像素单元的宽度不能忽略,求像素单元宽度x最小为多少时,其可视角度θ刚好被扩为180°(只要看到像素单元的任意一点,即视为能看到该像素单元).

评析:本题以智能手机所常用的防窥屏为情境,通过对防窥屏的设计思路理解和分析,将真实的问题式情境与光的知识融为一体.考生需要先理解防窥屏所对应的物理模型,进而理解题目中给出可视角度的定义,通过改变屏幕发光像素单元的大小与所要求的防窥设计角度,提取有效的数字信息,运用推理论证的方法解决问题.本题的情境选取具有时代发展意义,在智能手机已经普及的今天,保护个人信息的防窥屏应运而生.它反映了信息时代需要探索研究的方向,同时体现了一定的设计理念和创新思维,因此“融合性”情境题目的增多会是改革的方向之一.

3 教学启示

3.1 融入课程思政元素,提升物理兴趣

2014年至今,“课程思政”已成为落实立德树人根本任务的强劲引擎,且新高考改革实施至今,是否有足够比例的学生选择物理学科作为高考科目将对我国未来科学技术的发展有决定性的作用.因此在创设情境时可融入课程思政元素,培养家国情怀的同时恰好可提升物理学习兴趣.[4]物理学科覆盖面大、包容性广、科学性强,教师可以立足实验,将传统优秀文化与马克思主义理论融入实验课程设计中;教师也可致敬先辈,将中国特色物理学史融入课堂教学中.巴甫洛夫曾说,“科学没有国界,科学家却有国界”,分享像钱学森这样的爱国科学家故事,增强民族自信与学习动机;还可进行物理科普,依托智能化时代技术加深课程思政理念的融入.

3.2 提供丰富情境素材,增长物理见识

丰富的物理情境其实就在我们身边,“处处留心皆学问”.教师可将与本节知识相关的丰富情境融入课堂教学中,不再以绝对的物理模型化情境进行讲解.课堂之外教师更加可以丰富物理学科活动,依托物理学科节、社团等活动形式,观察并思考身边的物理现象,增长学生的物理情境见识,以此使学生在遇到需要解决实际复杂情境的问题时能够游刃有余.

3.3 创造实践探索机会,培养创新思维

教师在提供丰富物理情境的同时,再为学生创造实践探究情境的机会,加强学生对情境与实际问题融合的深度理解能力,例如设计改装电表、三级火箭等.对于智能化探索的“融合式”情境,可以使用Geogebra、Phyphox等智能终端软件辅助教学,培养学生的创新思维,增强了信息采集、加工处理能力,在面对“融合式”情境问题时,能够具有高阶的综合运用能力.

4 结语

新高考改革在全国推行已成大势所趋,高考试题情境化也在逐步推进,因此教师能否使学生将知识、情境及问题有机统一起来就尤为重要.本文依据 “四层”“四翼”两个角度对2022年“3+1+2”新高考的8省市物理试题情境化特点进行分析,并对情景化特征进行分类对比,为一线物理教师同行的教学提供有益教学策略,以期积极从容地应对新高考改革带来的变化.