從高考的解題策略看物理核心素養

任敬國

摘 要：以2017年高考理綜卷Ⅰ第25題為例，巧用運動分解的觀點，把質點運動過程的分析加以簡化，使物理學科思維內化成個人能力，在課堂教學中注重物理學科核心素養的形成培養。

關鍵詞：高考試題解析；運動分解；物理核心素養

【原題】真空中存在電場強度大小為E1的勻強電場，一帶電油滴在該電場中豎直向上，速度大小為v0，在油滴處于位置A時，將電場強度的大小突然增大到某值，但保持其方向不變。持續一段時間t1后，又突然將電場反向，但保持其大小不變；再持續同樣一段時間后，油滴運動到B點。重力加速度大小為g。

（1）油滴運動到B點時的速度；

（2）求增大后的電場強度的大小；為保證后來的電場強度比原來的大，試給出相應的t1和v0應滿足的條件。已知不存在電場時，油滴以初速度v0做豎直上拋運動的最大高度恰好等于B、A兩點間距離的兩倍。

限于篇幅，原卷的參考答案筆者在此不再贅述。通過對本題解題的策略分析，思考在物理教學中所應體現的科學核心素養。

1 第一問分析與解答呈現的物理核心素養

第一問的問題體現以下兩個方面素養：

（1）需要建立正確的物理情境。題中沒有給出質點（油滴）的空間運動軌跡，需要一定的空間想象力，才能夠在具體的物理情景中去概括、抽象、分析出題中要用到的物理概念和規律。

（2）需要良好的物理建模能力。沒有給出油滴的帶電性質和具體的電場方向，雖然解題過程與這些信息無關，但想在短時間正確的地構建物理模型、明確運動過程、選擇合適的物理規律、建立有效的物理方程還是比較困難。

過程分析：設向上為正，電場強度增大后的場強大小為E2，油滴在增大電場E2后的的運動過程中，受到先向上t1時間qE2和再向下t1時間qE2的力作用，在2t1時間內受到的電場力沖量剛好抵消，即：qE2t1-qE2t1=0，在2t1時間內受到有向下的恒力mg，那么整個過程可以用動量定理的規律來處理，相比用動力學觀點來求B點的速度大小，會更顯得方便且更高效。

解答如下：令到達B點的速度為vB，則有：

-2mgt1+qE2t1-qE2t1=mvB-mv0

即可求得： vB=v0-2gt1

以上分析可知，試題所設置的問題能體現學生解題的能力和思維習慣，能體現選拔性考試所關注的個人發展能力，也能較好地了體現教師在日常的教學中對解決問題能力的培養。題的多解性恰是檢驗學生對物理基本概念、基本規律、基本分析能力、重要思維方法、關鍵執行能力等的應用。能夠通過梳理知識構架，讀取恰當的物理規律合理地解決實際問題，是對學生具有內在物理科學品質的綜合檢驗。

2 第二問分析與解答呈現的物理核心素養

第二問的問題體現以下五個方面素養：

（1）需要良好閱讀理解能力。題中使用了條件后置法來設置問題，問題關鍵句之一“已知不存在電場時，油滴以初速度v0做豎直上拋運動的最大高度恰好等于B、A兩點間距離的兩倍”寫在最后，與日常的條件信息基本都是先入為主地呈現，有較大的反差；這種較大差別的語言表述，強化了考查學生閱讀和理解問題的能力。問題的關鍵條件不易讀懂，需要考生認真閱讀，根據題意理解。

（2）需要嚴謹的科學思辨能力。雖兩個問題需要考生回答，題目中只是輕描淡寫地用一個“；”分開，原題的表述需要多次重復讀題才能抓住關鍵詞、清楚題目的要求，顯然在考試的緊張狀態下考生不易思辨，這是考查學生個人在日常學習中，養成對問題鉆研恒心和毅力、良好科學態度和科學精神。當然整個問題如果用以下方式的表述則會大有不同，問題的指向性明確且更加有效；若已知不存在電場時，油滴以初速度v0做豎直上拋運動的最大高度恰好等于B、A兩點間距離的兩倍，求增大后的電場強度E2的大小。并討論為保證改變前后的電場強度大小E2>E1，試給出相應的t1和v0間應滿足的條件。

（3）需要縝密的物理思維能力。審題中對“距離”一詞的隱含條件，容易忽略質點（油滴）在重力場中豎直上拋時的最大高度AC間距離H與它在復合場中2t1時間內運動的AB間位移大小h的關系，要考慮矢量的方向性，考生需要在有限的時間內分辨出B點可以在A點的上方，也可以在A點的下方的兩種情況（如圖1所示，H=2h或H=-2h），是對物理思維縝密性的考察，如果稍有不慎容易造成漏解情況，這種縝密的物理科學思維能力也是日常物理教學中最具特性的追求之一。

（4）需要良好的運用數學處理物理問題的能力。為保證后來的電場強度比原來的大（E2>E1），試給出相應的t1和v0應滿足的條件，討論過程對數學運算能力提出較高的要求，這也對應了考綱中對能夠利用數學工具解決物理問題的核心能力地提出的要求，體現了高校選拔性考試在核心能力要求上是一個不落的。

（5）需要良好解題策略能力。物理的核心素養中應用物理規律解決實際問題的能力在這里體現，也是最難能力目標之一。參考答案中整個過程用勻變速運動的觀點來解題，這個對考生的臨場考試心里及運算能力的有很高的要求，平時要能在題海中能夠踏浪的學生才有可能安全地渡過該“漩渦”，順利、完整地答好本題。但是物理學科素養中最終的目標是培養成適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力[1]，良好的解題方法、解題策略是體現這一目標在教學中實現情況的關鍵依據之一。

過程分析：本題中所給的參考答案中，需要聯立8個式子才能算出來，這對一個普通考生來說在短時間內完成相應的計算量是難以承受之重，一般列完式子會直接選擇放棄，這樣對物理知識的考察單純地轉變成數學計算的能力的要求上，這本不是物理學習的本意所在。是否能通過改變解題方法策略從根本上扭轉這一情況呢。筆者細致研究后發現如果能用“運動的合成與分解”的方法來求相應的問題，則會輕松許多，甚至它并不算是一個難題了。

首先，合成與分解之間是等效替代的，一個合力可以分解成無數對分力，同樣的一個質點運動也可以分解成多種的運動的合成，若本題中以質點（油滴）在重力場中運動過程看做豎直上拋運動和在電場中的加速運動兩個分運動的合成，那么問題便可迎刃而解。

其次，本題中電場的場強大小不變，只是電場力先向是向上再向下，因此由電場引起的分運動就是先向上加速再向上減速，而且向上和向下運動過程是具有對稱性的，由第（1）問可知，這一分運動在這一過程的初末狀態的速度均為0。

兩個運動過程的v—t圖像，如圖2-a，和圖2-b所示。

通過對同一個問題換個角度再認識，把本題涉及多個重要的概念和知識點（有質點、運動學、牛二定律、動量定理、運動的合成與分解等）的整合，不僅呈現清晰的物理概念、解題思路等科學思維，還體現出對運動完美的對稱性美的理解。這種方法看似不在中學教科書中明確地呈現或要求掌握，但教學的目的是為的培養具有一定的創新意識和創新能力新興人才，使他們能夠根據學習的知識經驗去發現問題、提出問題、尋找合理解決方案和策略、通過論證分析、最終解決問題等探究能力，也是實現物理科學核心素養的目標之一。

最后討論E2>E1的條件，根據題目的要求，看似只要使⑤或⑥兩式前面的系數大于1即可，但在本題中實際則要考慮到物體上拋過程的需要，向上初速度至少要大于0的隱含條件，同時要用到數學工具解決實際物理問題的能力，題中可以用配方法來完成。

結合第⑤式的情況是：

其中⑩式舍去的原因是小于0部分不合題意，而大于0部分已經在⑨描述到了，所以最終有三種相應的v0和t1間所滿足的條件。從題中分析挖掘出隱含條件，也是發現問題能力的要求，還要結合數學工具處理物理問題能力，這里主要是解不等式，是易錯點也是難點。

3 教學中應融入物理核心素養的培養

綜上所述，從高考的能力要求來看，本題注重從建立物理情境、物理建模、閱讀理解能力、思辨推理能力、綜合分析能力、應用數學處理物理問題的能力、根據已有知識儲備進行創新應用能力等多方面考察物理學科核心素養，體現了高考作為高校選拔性考試在能力區分方面的良苦用心。總體來說，本題緊扣考綱，考點相對靈活，通過分析巧解的方法不僅體現物理科學對復雜問題處理中常用的化繁為簡策略，還可以把看似繁雜的問題極大簡約化，且從運動過程、位移表達式及討論的結果的表達無不反應了對稱的美感。這樣的分析與解答過程還能對學生產生一種震撼心靈感受：良好物理科學思維方法可在處理現實問題的過程中產生藝術般的效果，對養成良好的學習和思維習慣，提升學習物理的興趣，克服畏難情緒增強解決復雜問題的信心。這些能力是學生通過物理學習形成內化的帶有物理學科特性的品質，是學生科學素養的關鍵成分。

因此，在日常物理教學中應融入各種科學素養的培養，注重通過物理現象的探究獲得正確的物理觀念。充分發揮學生學習的積極性，鼓勵和尊重學生的通過課堂活動過程中，思考和生成的結論的交流碰撞，讓他們的科學思維達到自然生成的目的。關注和肯定每位同學參與的科學探究過程，讓他們建立自信，形成具有獨立處理問題能力和初步的創新能力的個體，只有掌握科學分析問題的方法，在考試中遇到比較復雜的計算題時，才不會產生畏難情緒，而是學會冷靜地思考、獨立分析[2]。在學習成長的過程中逐漸地確立正確的人生觀和科學的探究精神，成為適應社會發展的要求的各種人才。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003：2-3.

[2]楊永忠.2016年高考理綜新課標卷Ⅲ第25題評析暨核心素養培養研究[J].中學物理教學參考，2016（8）：63.