航天航空元素试题命制特色与启示

摘 要：我国航天事业的蓬勃发展离不开基础教育。中学阶段的物理课程教学，为我国宇宙探索、航天科技方面创新人才的培养奠定了坚实的工程学科的基础。本文以英国物理奥林匹克中级物理思维竞赛试题为例，分析其中航天航空元素类试题的考查形式与特点，总结此类试题的拟制思路，以期为我国中、高考相关类型的试题多样化模式提供参考。

关键词：航天航空；中、高考试题；拟制思路

1 引言近年来，我国航天航空事业欣欣向荣。2023年10月31日，神舟十六号载人飞船返回舱成功着陆，航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮身体健康状况良好，我国空间站应用与发展阶段首次载人飞行任务取得圆满成功。航天事业的蓬勃发展离不开基础教育，以《义务教育物理课程标准（2022年版）》《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》为代表的课程标准以及教材都着重强调了促进我国航天航空科技事业发展的相关知识在基础教育阶段的重要性。［1，2］

与此同时，历经百年沿革，英国的教育制度相对完善，教学风气严谨且具有一定的灵活性，英国国际课程近年来已成为我国诸多中学生青睐的主流课程之一。本文通过分析英国物理奥林匹克中级物理思维竞赛试题中航天航空类元素的命题特色，以期为我国同类试题的命制思路提供参考和启示。

2 航天元素的分类英国物理奥林匹克竞赛（British Physics Olympiad，简称BPhO）是为10～13年级（即14～17岁）的中学生提供的国际级物理竞赛，情境素材可读性高，题型新颖，信息载体丰富，涉及知识点广泛，与日常生活联系紧密。

本文通过借鉴《2021中国的航天》白皮书，将航天航空元素分为三类。［3］

2.1 天体及天体系统

天体是存在于宇宙中的各种星体和星际物质，包括行星、恒星、星云、彗星、星团等。天体系统是天体之间相互联系、相互影响所形成的系统，如太阳系（如图1所示）、银河系、星系团等。

2.2 天文现象

天文现象是天体到了某个特定位置（客观上的位置）或状态而形成的特殊现象。有天体与天体之间的掩

食现象，如日全食、日偏食及日环食；有由引力作用而形成的极其密集、光也无法逃逸的现象——黑洞（如图2所示）；还有行星冲合、流星闪逝、彗星隐现、新星爆发、陨星坠落等天文现象。

2.3 航天工具

航天工具是指用于进入太空和在太空中执行任务的设备和载具。这些工具包括各种航天器和相关设备（如图3所示），用于宇宙探索、科学实验研究、通信工程和卫星部署等任务。

由图4可知，在 BPhO近几年的航天元素中，“天体及天体系统”元素是出现频次最高的，“天文现象”元素出现频次仅为前者的一半。“天文现象”元素在2019年首次作为 BPhO试题元素出现后，每年都进行考查。分析可知，“天体及天体系统”元素是BPhO近几年的航天航空类试题中渗透最为充分的元素，“天文现象”元素为2019年新增考查元素。

3 航天航空元素试题特色分析

3.1 “天体及天体系统”元素：航天航空元素融入试题的基石

“天体及天体系统”元素是航天航空类试题考查频次最高的元素。除地球外，月球、太阳、太阳系、银河系均包含在该元素试题考查范围内。航天航空元素类试题，倾向于以“天体及天体系统”元素类试题作为基石，在此基础上命制“天文现象”元素类试题和“航天工具”元素类试题。此类试题的问题情境更加具象、真实。

例1 （2018年第5题）1971年，在阿波罗15号登月任务中，一把锤子和一根羽毛从1.7m的高度同时落下。“锤子”和“羽毛”同时降落在月球表面。在地球上，从1.7m高处落下的锤子大约需要0.6s才能落地。考虑到月球上的重力加速度约为1.6m/s2，锤子和羽毛落到月球表面所需的时间约为（ ）。

A. 0.1s B. 0.6s C. 1.5s D. 3.8s E. 10s

试题解析：此题以地球和月球为基石，以阿波罗15号登月任务为问题情境，探寻“锤子”和“羽毛”同时降落在月球表面所需的时间。地球和月球作为两种不同的天体，它们不同的重力加速度是解题的关键信息。只有把握不同天体、天体系统具有的特殊性和相似性，才能将半径、周期和质量不同的天体联系在一起思考，进而从地球环境设定中跳脱出来，置身于浩瀚的宇宙中进行探索。

3.2 “天文现象”元素：注重逻辑推理能力

2020年英国物理奥林匹克竞赛试卷上首次出现考查天文现象的简答题。这一变化不仅丰富了航天航空元素的考查形式，也引起了人们对“天文现象”解释的关注。解释是物理学中重要的认知心理活动。利用物理学概念、规律或原理对天文现象进行的解释，既是划分物理学核心素养水平的重要依据，也是评价核心素养的重要途径。解释活动在本质上是逻辑推理的活动，解释要有理有据地进行“循理”“推类”。

例2 （2022年第11题）2022年将有两次日食和两次月食。4月30日的日偏食将只在南美洲南部地区可见。5月15日的月全食将在北美洲大部分地区、南美洲所有地区、南欧大部分地区、西南亚、非洲所有地区和南极洲都能看到。请解释为什么日食只能在相对较小的区域直接观测到，而月食可以在地球上许多不同的地方直接观测到，其覆盖的区域要大得多。如有需要，可画图辅助解释。

试题解析：试题情境真实，源于常见的“日月”天文现象。但是对于学生来说，常闻、常见并不代表明白其逻辑、原理。此类试题可以用以下几种方式去推理。

第一，演绎推理。从已知推出未知，根据普遍的“逻辑”去解释具体结果。题中的现象变化的原因是运动，进而想到太阳、月球、地球的相互运动，从而推导出太阳、月球和地球相互运动至三者处于同一直线时会发生日食、月食现象。

第二，归纳推理。由特殊具体的事例推导出一般原理。除用上述演绎推理外，同时可对“观察者地理位置、天体大小和距离”进行归纳推理。

第三，发生学推理。［4］解释一个事件即为展示它如何发生，例如题中要求将此现象画图展示。把研究的对象作为在一个事件发生序列的最后阶段呈现出来的现象，通过描述那一序列的连续阶段来对其进行解释。此题体现物理与天文现象的密切关系，运用物理课程中所形成的物理观念和科学思维分析，解释“日食、月食”天文现象，增强实践意识、养成科学态度、促进物理学科核心素养的形成。

3.3 “航天工具”元素：注重问题解决与应用知识

用航天工具进行宇宙探索、科学实验研究、通信工程和卫星部署等任务并非一蹴而就，要在前期不断提出假设、验证假设、遇到问题、解决问题，才能在真实情况下有万全之策。因此航天工具倾向于以综合类大题形式出现，用5个以上的问题链进行引导，让学生在解决问题的过程中逐步掌握知识并应用知识。

例3 （2017年第13题）在儒勒·凡尔纳的1865年的小说《从地球到月球》中，儒勒·凡尔纳讲述了一群爱好者试图建造一个巨大的太空舱，将三个人送入太空，目标是登陆月球。以下问题是关于儒勒·凡尔纳的想法是否可行的。（注：在下列问题中，忽略地球自转、大炮在地球上的位置和大气的影响）

问题（1）：证明题。与其瞄准月球，不如考虑用大炮将1000kg重的太空舱从地球表面发射到与国际空间站的轨道高度相当，距离地球表面330km的轨道上。假设在330km的高度上重力加速度为10m/s2不变。证明太空舱必须以大约2.5km/s的最小速度从地球表面发射。

问题（2）：简答题。重力加速度实际上随着地球表面高度的增加而减小，在330km的高空小于10m/s2。说明这对问题（1）证明题中计算的速度有何影响。

问题（3）：作图题。当太空舱沿着炮管加速发射时，太空舱可以承受的最大恒定加速度为amax＝100m/s2。假设太空舱沿着炮管均匀加速，并在离开炮管时达到问题（1）证明题中计算的速度。画出太空舱在炮管内从静止加速到离开炮管的速度—时间图像，添加适当的坐标值。

问题（4）：计算题。运用上述图表或其他图表，计算大炮的最小长度。

问题（5）：简答题。一个物体从地球表面完全逃离地球引力场所需的速度，用方程表示为vescape＝2gR，式中R为地球半径，g为重力加速度。分析儒勒·凡尔纳提出的用大炮从地球表面发射太空舱的可行性。

问题（6）：计算题。假设地球的半径是6400km，计算从地球表面逃逸的速度。

问题（7）：类似的逃逸速度方程也适用于太阳系中其他类似的天体。用逃逸速度方程也可以来解释其他问题。第一，将从小行星带的小行星上开采的矿物直接射回地球是可能的；第二，月球、小型岩石行星和其他卫星几乎没有大气层。

试题解析如下。

第一步，反复设问、厘清概念。

问题不仅是为了考查知识点而提出，也是对学生思路的引导，问题环环相扣，帮助学生形成思路闭环，厘清知识点的内涵和外延。如例3问题（1）中证明从地球表面发射的最小发射速度，对最小发射速度有形成初步的理解。在问题（2）中再让学生思考重力加速度变化条件下的最小发射速度，学生此时便能对比问题（1）中加速度不变的情况，总结出重力加速度变化对最小发射速度的影响，更加清晰地认识最小发射速度概念的内涵与外延。同时问题（3）中要求太空舱沿着炮管均匀加速，并在离开炮管时达到问题（1）中计算的速度，是对概念清晰后的实际应用，确保学生对知识点是理解的并且会实际应用解题。由易到难的问题设置也更符合学生的思维习惯，流畅的问题链设置有利于学生在解题过程中克服思维障碍，形成明确清晰的概念。

第二步，设问丰富、综合分析。

问题中的设问多以解释、证明、作图、说明、推导等行为动词表述，强调解决问题的具体过程及注重证据的寻找和使用。如问题（5）要求学生能够在实际问题中建构物理模型，根据已有条件对物理问题进行综合分析和推理，能正确寻找证据展开论证，基于物理知识做出合理解释，并准确表述、评论问题的可行性。从多角度思考问题，以检验学生在实际问题情境中运用抽象、分析、综合、评价等高阶思维的能力。

第三步，相似同理、有效迁移。

问题（5）提出一个物体从地球表面完全逃离地球引力场所需速度的新概念，用vescape＝2gR表示。问题（6）计算从地球表面逃逸的速度。而太阳系中许多天体都与地球具有一定的相似性，依据其相似性的有效迁移可以减少人类探索宇宙的难度。只要合理归类、相似同理，我们对一个公式的理解就可以迁移应用到与地球相似的天体上，促进学生更有效地解决问题。而问题（7）直接拓宽学生思维，告诉学生太阳系中其他类似的天体同样可用逃逸速度方程，并用其来实际解释将从小行星带的小行星上开采的矿物直接射回地球是可能的，月球、小型岩石行星和其他卫星几乎没有大气层等。培养学生在遇到问题时能合理归类、相似同理，有效迁移知识并解决问题。

4 “航天航空元素”试题的启示

4.1 天体为基石，关注时事热点

试题的命制出发点应该落在天体及天体系统。近年来，时事热点新闻往往是新一年物理考试的命题背景。［5］近年来我国探月工程取得了卓越的成果，物理试题侧重于弘扬航天航空精神，试题中的天体频数最高的为月球，天体系统频数最高为地月系。除此之外，天问一号（火星探测）、羲和号（探日）、悟空号（暗物质探测）也在如火如荼地进行中，作为试题元素也应受到大家更多的关注。人类探索宇宙不仅仅是因为人类的求知欲，还有人类的求生欲。任何存在人类生存可能性的天体及天体系统，都值得学生关注、值得教师挖掘、值得将其作为出发点去命制试题。

4.2 强化天文知识，解释天文现象

近年来我国实施了嫦娥工程、建造了500m口径球面射电望远镜等“国家重器”，由此对高素质人才的需求量明显上升，与之同步的天文教育必不可少。［6］天文学与物理学密切相关，通过对宇宙、星际尘埃、恒星、行星等天体的物理性质及其运动规律与物理学中的原理进行对比和研究，可以加深学生对物理学核心概念的理解，提高学习效果。［7］因此，教师应通过多种途径提高自身天文学的知识储备，挖掘物理与天文巧妙结合的知识点。试题命制应增加对天文现象的解释，考查学生用物理逻辑解释天文现象的能力。

4.3 以解决问题为中心，问题连贯而丰富

核心素养是指学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。将问题设置在真实的情境中，让学生围绕真实存在的任务进行思考，从传统的“解题”模式转向“解决问题”模式，对于学生核心素养的培养是最切实有效的。综合型大题中的每个问题不应该是割裂开的，不应仅限计算题一种题型，最后一题的难度不应较前面相比跨度过大。因此，综合型大题的命制应以解决问题为中心，问题围绕中心而连贯，设问形式多样而全面。促进学生思考问题的一致性和连贯性，培养学生面对复杂问题时应具备的科学探究能力。

5 结语从国产C919大型客机惊艳亮相，到神舟系列飞船遨游苍穹，再到载人登月火箭主发动机试车成功，这些备受关注的“大国重器”，离不开我国教育“大手”的推波助澜。高考的核心功能在于“立德树人、服务选才、引导教学”。为了更好地培养航天航空人才，高考物理试题的命制应以天体及天体系统为点，以天文现象为线，以航天工具为面，以期为航天航空事业在新时代的发展更尽一份力。

参考文献

［1］ 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版）［M］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022：10-11．

［2］ 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020：15-17．

［3］ 澄空.未来五年，中国将开启全面建设航天强国新征程——《2021中国的航天》白皮书发布［J］.国际太空，2022（2）：4-7．

［4］ 陈强.发生学方法指引下的地理教学设计——以“地方时、时区和区时”教学片段为例［J］.教育观察，2019，8（17）：27-29．

［5］ 华庆富.关注时事热点 生成物理考题［J］.中学物理，2018，36（10）：38-40．

［6］ 许祺，田海俊，刘高潮，等.义务教育阶段天文教育的现状及其建议［J］.西华师范大学学报（自然科学版），2024，45（2）：224-230．

［7］ 黄霞，郑克荣，刘霖.大学物理教学与现代天体物理的有机结合［J］.广西物理，2023，44（3）：42-44．