細(xì)微處注重物理思想的切入應(yīng)用上滲透STEM教學(xué)理念
——2018年全國高考新課標(biāo)卷物理試題評(píng)析

張成清 陳家禮

(廣東省廣州市番禺中學(xué)，廣東 廣州 511400)

2018年全國高考新課標(biāo)試題(物理部分)的謎底也已經(jīng)揭開,綜觀3套新課標(biāo)卷的物理試題,可謂精彩紛呈,看后讓人爽心悅目、回味無窮,從簡單的物理原理在生活中的應(yīng)用到復(fù)雜的物理知識(shí)在高科技中的體現(xiàn),從物理概念的簡單理解到物理規(guī)律在物理事件中的重要應(yīng)用,使人不得不感嘆高考考題獨(dú)具匠心．與2017年的高考試題相比,物理試題的難度有所降低,沒有刻意追求物理思維的深度和數(shù)學(xué)運(yùn)算能力的極致,但對(duì)考生進(jìn)行“了解、識(shí)記”和“理解”、簡單的運(yùn)算或判斷分析、綜合分析能力3個(gè)層次的能力考查非常突出,同時(shí)也注重將物理科學(xué)思想作為試題的切入點(diǎn),在應(yīng)用上突現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等理念在試題中的滲透,物理試題呈現(xiàn)出“細(xì)微處注重物理科學(xué)思想的切入,應(yīng)用上巧妙滲透STEM教學(xué)理念”的命題思想．以下筆者就試題滲透STEM教學(xué)理念談?wù)剮c(diǎn)看法．

1 注重物理科學(xué)思想的切入,刻意回避偏題怪題

自全國新課標(biāo)卷出現(xiàn)以來,普遍印象是物理試題每道題的物理思維要求都非常高,沒有簡單送分題．但2018年全國高考新課標(biāo)卷打破這一常規(guī),降低物理思維的深度,對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、基本概念、基本規(guī)律及核心思維方法的考查不太在意難度的大小,注重的是物理思想的切入,甚至有意回避偏題怪題,解題過程不需要依靠特殊技巧,只要掌握基本方法,獲取正確答案的難度不大．

圖1

案例1.(2018年理科綜合全國Ⅱ卷第14題)(單選):如圖1,某同學(xué)用繩子拉動(dòng)木箱,使他從靜止開始沿粗糙水平路面運(yùn)動(dòng)至具有某一速度,木箱獲得的動(dòng)能一定

(A) 小于拉力所做的功.

(B) 等于拉力所做的功.

(C) 等于克服摩擦力所做的功.

(D) 大于克服摩擦力所做的功.

案例分析：本案例直接由動(dòng)能定理切入,只要知道對(duì)木箱做功的只有兩個(gè)力(分別是拉力和摩擦力),其中拉力做正功,摩擦力做負(fù)功,就很容易得到正確答案．

案例解析：由動(dòng)能定理知,WF-Wf=Ek-0,得到Ek=WF-Wf

案例反思： (1) 本案例物理科學(xué)思想的切入非常直接,不會(huì)使考生產(chǎn)生其他與本題解答方法無關(guān)的想法;(2) 本案例沒有很復(fù)雜的背景,對(duì)物體做功的判斷比較容易,可以說從發(fā)現(xiàn)問題(通過讀題尋找需要解答的問題)開始,到設(shè)計(jì)解決問題的方法(利用正確的物理原理),最后很容易聯(lián)想到利用物理學(xué)中動(dòng)能定理解決問題,獲取正確答案,整個(gè)解答過程滲透了物理學(xué)科思想的注入;(3) 試題的干擾項(xiàng)也比較容易排除,幾乎不需要物理思維的深度．

案例2.(2018年理科綜合全國Ⅲ卷第16題)(單選):一電阻接到方波交流電源上,在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q方;若該電阻接到正弦交變電源上,在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q正．該電阻上電壓的峰值為u0,周期為T,如圖2所示．則Q方:Q正等于

圖2

(C) 1∶2. (D) 2∶1.

案例分析：本案例直接由交變電流的有效值切入,只要利用交變電流有效值的定義正確計(jì)算出兩種電源的有效值大小,就可以得到正確答案．

選項(xiàng)(D)正確,(A)、(B)、(C)錯(cuò)．

案例反思： (1) 物理思想的直接切入在本案例中展現(xiàn)無遺;(2) 本案例中提供的兩個(gè)交流電源均為最基礎(chǔ)最常見的交變電流,有可以回避偏題的嫌疑,重要的是考查物理思想．

(A) 15和28. (B) 15和30.

(C) 16和30. (D) 17和31.

案例分析：本案例直接由核反應(yīng)過程中遵循的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒切入,只要知道α粒子和中子n的電荷數(shù)及質(zhì)量數(shù),可以確定正確答案．

案例解析：α粒子是氦的原子核,其電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別為2和4,中子n的電荷數(shù)及質(zhì)量數(shù)分別是0和1,根據(jù)核反應(yīng)過程中兩個(gè)守恒,可以確定放射性元素X的原子核其電荷數(shù)為15,質(zhì)量數(shù)為30,則放射性元素X的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別為15和30,選項(xiàng)(B)正確,(A)、(C)、(D)錯(cuò)．

案例反思：(1) 雖然本案例中沒有直接給出α粒子和中子n的電荷數(shù)及質(zhì)量數(shù),給物理知識(shí)的應(yīng)用設(shè)置了一些障礙,但α粒子和中子n均為核物理中常見的基本粒子,考生應(yīng)該能記住這兩個(gè)粒子的基本特征;(2) 在完成核反應(yīng)方程時(shí),考生最擔(dān)心的是不清楚某原子系數(shù)對(duì)應(yīng)的原子核,本案例在該問題的設(shè)置上有意回避了該問題,不要求判斷元素X的種類,很明顯考查注重的仍然是物理思想．

2 不夸大技術(shù)在物理學(xué)中作用,巧妙將技術(shù)問題滲透于試題中

在近幾年全國新課標(biāo)高考試卷的物理試題中,出現(xiàn)不少直接將技術(shù)展現(xiàn)在考生面前的試題,例如2017年理科綜合全國Ⅰ卷第18題中的掃描隧道顯微鏡(STM),2017年理科綜合全國Ⅱ卷第21題中的自制簡易電動(dòng)機(jī),2017年理科綜合全國Ⅲ卷第33題中的測量稀薄氣體壓強(qiáng)的儀器,2016年理科綜合全國Ⅰ卷第23題中的由熱敏電阻控制的報(bào)警系統(tǒng)等.這些題是學(xué)以致用的好題,能很好地反映技術(shù)在物理學(xué)中重要性,但試題給出的情景太直接,導(dǎo)致很多考生因沒有看懂試題而無從下手．2018年全國新課標(biāo)高考試卷在這方面有所改變,既強(qiáng)調(diào)技術(shù)的重要性,又沒有夸大技術(shù)的作用,而是將技術(shù)問題巧妙地滲透在物理試題中,使考生在解答問題時(shí)體會(huì)到技術(shù)的作用之余也感受到物理的味道．

案例4.(2018年理科綜合全國Ⅰ卷第14題)(單選):高鐵列車在啟動(dòng)階段可看作初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)．在啟動(dòng)階段,列車的動(dòng)能

(A) 與它所經(jīng)歷的時(shí)間成正比.

(B) 與它的位移成正比.

(C) 與它的速度成正比.

(D) 與它的動(dòng)量成正比.

案例分析：高鐵列車在啟動(dòng)階段可看作初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)特征已經(jīng)確定,可以根據(jù)問題的需要直接利用不同的物理規(guī)律表達(dá)列車的動(dòng)能,判斷答案正確與否．

案例反思：(1) 高鐵技術(shù)是目前世界上最先進(jìn)的技術(shù)之一,將高鐵列車引進(jìn)高考試題是技術(shù)在物理學(xué)中應(yīng)用的很好體現(xiàn);(2) 本案例雖然涉及高鐵技術(shù),但沒有就有關(guān)的技術(shù)進(jìn)行探究,而是直接應(yīng)用物理原理獲取正確答案,盡量回避技術(shù)問題對(duì)解答帶來的困惑．

案例5.(2018年理科綜合全國Ⅰ卷第20題)(多選):2017年,人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波．根據(jù)科學(xué)家復(fù)原的過程,在兩顆中子星合并前約100s時(shí),它們相距約400km,繞二者連線上的某點(diǎn)每秒轉(zhuǎn)動(dòng)12圈．將兩顆中子星都看作質(zhì)量均勻分布的球體,由這些數(shù)據(jù)、萬有引力常量并利用牛頓力學(xué)知識(shí),可以估算出這一時(shí)刻兩顆中子星

圖3

(A) 質(zhì)量之積.

(B) 質(zhì)量之和.

(C) 速率之和.

(D) 各自的自轉(zhuǎn)角速度.

案例分析：在對(duì)宇宙的探究中,人類已經(jīng)能探測到雙星的有關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,只要能正確構(gòu)建雙星模型,可以根據(jù)有關(guān)的物理規(guī)律和數(shù)學(xué)運(yùn)算得到正確答案．

案例解析：雙中子星合并前的模型如圖3所示,設(shè)兩顆中子星的質(zhì)量分別為m1、m2,繞連線上的O點(diǎn)做相同周期T的勻速圓周運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)半徑分別為r1、r2,兩星相距為L.

案例反思：(1) 航天技術(shù)是當(dāng)今世界上最尖端的技術(shù),而對(duì)宇宙的探測更是這些尖端技術(shù)中的皇冠,高考試題中出現(xiàn)這類應(yīng)用題側(cè)面反映了對(duì)技術(shù)問題的重視;(2) 本案例交代了航天技術(shù)的前景,但沒有就該技術(shù)進(jìn)行深入的討論,而是以雙星模型為背景,研究一個(gè)非常常見的天體運(yùn)動(dòng)問題.這一方面降低了技術(shù)問題對(duì)解答帶來的干擾,另一方面也反映了出題的意圖,了解技術(shù)在物理學(xué)科中的作用,但必須掌握的是基本原理和基本規(guī)律的應(yīng)用．

案例6.(2018年理科綜合全國Ⅰ卷第23題):某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖4所示的電路探究在25℃～80℃范圍內(nèi)某熱敏電阻的溫度特性．所用的器材有:置于溫控室(圖中虛線區(qū)域)中的熱敏電阻RT,其標(biāo)稱值(25℃時(shí)的阻值)為900.0Ω;電源E(6V,內(nèi)阻可以忽略);電壓表V(量程150mV);定值電阻R0(阻值20.0Ω),滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值1000Ω);電阻箱R2(阻值范圍0～999.9Ω);單刀開關(guān)S1,單刀雙擲開關(guān)S2．

圖4

實(shí)驗(yàn)時(shí),先按圖(4)連接好電路,再將溫控室的溫度t升至80.0℃．將S2與1端接通,閉合S1,調(diào)節(jié)R1的滑片位置,使電壓表讀數(shù)為某一值U0;保持R1的滑片位置不變,將R2置于最大值,將S2與2端接通,調(diào)節(jié)R2,使電壓表讀數(shù)仍為U0;斷開S1,記下此時(shí)R2的讀數(shù)．逐步降低溫控室的溫度t,得到相應(yīng)溫度下R2的阻值,直到溫度降到25.0℃．實(shí)驗(yàn)得到的R2-t數(shù)據(jù)見表1.

表1

回答下列問題:

(1) 在閉合S1前,圖(4)中R1的滑片應(yīng)移動(dòng)到________(填“a”或“b”)端.

(2) 在圖(5)的坐標(biāo)紙上補(bǔ)齊數(shù)據(jù)表中所給的數(shù)據(jù)點(diǎn),并作出R2-t曲線.

(3) 由圖(5)可得到RT在25℃～80℃范圍內(nèi)的溫度特性．當(dāng)t=44.0℃時(shí),可得RT=________Ω.

(4) 將RT握在手心,手心溫度下R2的相應(yīng)讀數(shù)如圖(6)所示,該讀數(shù)為________Ω,則手心溫度為________℃．

案例分析：探究在25℃～80℃范圍內(nèi)某熱敏電阻的溫度特性時(shí),利用等效替代的方法可以很方便獲取該熱敏電阻的溫度特性.本案例探究的方法比較隱蔽,既用到等效的思想,又間接利用數(shù)學(xué)圖像的知識(shí),使探究過程完美且合理．

案例解析： (1) 在閉合S1前,為保證電源和各用電器的安全,必須將圖(4)中R1的滑片應(yīng)移動(dòng)到“b”端.

圖7

(2) 在實(shí)驗(yàn)中,將S2與2端接通,調(diào)節(jié)R2,使電壓表讀數(shù)仍為U0,保證了電路中的電流不變,用電阻R2替代熱敏電阻RT,則每次讀出的是通過相同電流且不同溫度下熱敏電阻的阻值,用此數(shù)據(jù)補(bǔ)齊數(shù)據(jù)表中所給的數(shù)據(jù)點(diǎn)后作出R2-t曲線實(shí)際就是熱敏電阻RT的溫度特性曲線,如圖7所示．

(3) 由R2-t曲線知,當(dāng)t=44.0℃時(shí),可得RT=450 Ω.

(4) 由圖(6)所知,RT握在手心,手心溫度下R2=620.0Ω.由R2-t曲線知,t=33.0℃.

案例反思：(1) 熱敏電阻是很多自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要元件,要很好的利用自動(dòng)控制技術(shù),必須對(duì)熱敏電阻的溫度特性要有全面的了解,這樣才能完美地使用好自動(dòng)控制技術(shù);(2) 本案例中探究熱敏電阻的溫度特性時(shí),采用的是物理學(xué)中常用的等效替代法,該方法很方便地將熱敏電阻在不同溫度下電阻直接讀出,利用R2-t曲線展現(xiàn)了熱敏電阻的溫度特性;(3) 本案例中的缺點(diǎn)是在圖(5)的坐標(biāo)紙上作出的R2-t圖線是曲線,與直線相比,可能存在較大的實(shí)驗(yàn)誤差.如果利用計(jì)算機(jī)Excel軟件中的圖表功能畫圖可能會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確．

3 物理試題中滲透了工程的氣息,解決問題的仍然是物理原理的應(yīng)用

全國新課標(biāo)高考試卷出臺(tái)后,物理試題中出現(xiàn)了不少涉及工程氣息的問題,例如2017年理科綜合全國Ⅰ卷第17題中的大科學(xué)工程“人造太陽”將氚核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電,2017年理科綜合全國Ⅲ卷第14題中的我國自行研制的天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室完成了首次交會(huì)對(duì)接工程,2017年理科綜合全國Ⅰ卷第24題中的太空飛船從其飛行軌道返回地面等均涉及到大型工程問題.這些問題釋放的信號(hào)是高考物理試題中一定要滲透如何利用物理原理解決工程問題中的技術(shù)細(xì)節(jié)．2018年全國新課標(biāo)高考試卷物理試題中同樣有工程問題的氣息,不過解決問題的主要手段依然是物理原理的應(yīng)用．

圖8

案例7.(2018年理科綜合全國Ⅲ卷第19題)(多選):地下礦井中的礦石裝在礦車中,用電機(jī)通過豎井運(yùn)送至地面．某豎井中礦車提升的速度大小v隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖8所示,其中圖線①②分別描述兩次不同的提升過程,它們變速階段加速度的大小都相同;兩次提升的高度相同,提升的質(zhì)量相等．不考慮摩擦阻力和空氣阻力．對(duì)于第①次和第②次提升過程

(A) 礦車上升所用的時(shí)間之比為4∶5.

(B) 電機(jī)的最大牽引力之比為2∶1.

(C) 電機(jī)輸出的最大功率之比為2∶1.

(D) 電機(jī)所做的功之比為4∶5.

案例分析：本案例是采礦工程中礦車在礦井中的運(yùn)動(dòng)問題,解決問題的方法仍然是正確利用v-t圖像的物理意義和相應(yīng)的物理概念和規(guī)律進(jìn)行解答,不難確定正確答案．

案例反思：(1) 大型采礦工程中礦車在礦井中的運(yùn)動(dòng)是必須要研究的問題,既要考慮其工作效率,也必須要考慮安全問題,這樣才能更有效利用礦車;(2) 本案例中雖然研究的是礦車運(yùn)動(dòng),但解決問題的方法是物理概念和物理原理的合理應(yīng)用,這樣的設(shè)置一方面將工程的氣息折射到問題中,另一方面沒有因工程問題的細(xì)節(jié)技術(shù)給考生解答問題產(chǎn)生障礙．

案例8.(2018年理科綜合全國Ⅱ卷第15題)(單選):高空墜物極易對(duì)行人造成傷害,若一個(gè)50g的雞蛋從一居民樓的25層墜下,與地面的撞擊時(shí)間約為2ms,則該雞蛋對(duì)地面產(chǎn)生的沖擊力約為

(A) 10N. (B) 102N.

(C) 103N. (D) 104N.

案例分析：本案例是高空墜物問題,解答問題的方法是動(dòng)能定理,由于本案例中沒有提供居民樓每層的高度和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?因此,只能采用估算的方法得到一個(gè)大約的結(jié)果．

案例解析：設(shè)居民樓每層的樓高為h,雞蛋撞擊地面前的速度為v,當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間.

案例反思：(1) 在建筑工程中,經(jīng)常會(huì)遇到高空墜物傷人的問題,本案例中用一個(gè)雞蛋從高層建筑墜下產(chǎn)生的后果告訴考生建筑工程中安全問題的重要性,同時(shí)也暗示物理學(xué)知識(shí)的應(yīng)用在工程問題中處處存在;(2) 本案例中涉及的是估算問題,因此,考生必須具有一般常識(shí)性的知識(shí),如樓房中居民樓每層樓的高度等,否則,無法獲取正確答案．

4 數(shù)學(xué)是自然科學(xué)的工具,數(shù)學(xué)方法的正確實(shí)施是解答的關(guān)鍵

全國新課標(biāo)卷更加注重?cái)?shù)學(xué)方法在解答物理問題中作用,近幾年高考卷物理試題幾乎每年都有合理利用數(shù)學(xué)方法解答較為困難的物理問題,這一方面說明數(shù)學(xué)方法在解答物理問題時(shí)的巨大作用,另一方面也符合教學(xué)大綱所要求的“考生必須具備應(yīng)用數(shù)學(xué)正確處理物理問題的能力”這一基本能力．2018年全國新課標(biāo)高考試卷物理試題中也不例外,這種命題理念在今后還會(huì)繼續(xù)．

圖9

案例9.(2018年理科綜合全國Ⅱ卷第20題)(多選):如圖9所示,紙面內(nèi)有兩條互相垂直的長直絕緣導(dǎo)線L1,L2,L1中的電流方向向左,L2中的電流方向向上;L1的正上方有a,b兩點(diǎn),他們相對(duì)于L2對(duì)稱．整個(gè)系統(tǒng)處于勻強(qiáng)外磁場中,外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0,方向垂直于紙面向外．已知a,b兩點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小分別為B0/3和B0/2,方向也垂直于紙面向外．則

(A) 流經(jīng)L1的電流在b點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為7B0/12.

(B) 流經(jīng)L1的電流在a點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0/12.

(C) 流經(jīng)L2的電流在b點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0/12.

(D) 流經(jīng)L2的電流在a點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為7B0/12.

案例分析：本案例可以利用電流周圍的磁場特征、安培定則和磁場的疊加等物理規(guī)律綜合判斷和計(jì)算得到正確答案．

案例解析：由題設(shè)知,流經(jīng)L1的電流在a、b兩點(diǎn)產(chǎn)生的磁場大小相等,設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1,根據(jù)安培定則,這兩點(diǎn)磁場方向均向里;流經(jīng)L2的電流在a、b兩點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等,設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B2,根據(jù)安培定則,a點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向向外,b點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向向里．

案例反思：(1) 本案例是集物理原理應(yīng)用和數(shù)學(xué)方法巧解于一體的通過判斷計(jì)算得到結(jié)果的綜合題,雖然對(duì)數(shù)學(xué)計(jì)算的要求不高,但沒有正確的計(jì)算將無法獲取正確答案;(2) 本案例對(duì)物理原理應(yīng)用要求也比較高,尤其是直線電流周圍的磁場分布特征和矢量的合成,課本中沒有刻意要求直線電流周圍磁場分布的有關(guān)公式,但對(duì)磁場的特征有詳細(xì)的說明,只有真正理解直線電流周圍磁場分布特征,才能合理利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法解答問題．

圖10

(2) 磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小;

圖11

圖12 圖13

案例反思：(1) 本案例屬于典型的數(shù)學(xué)能力要求極高的物理綜合題,正確解答必須具有縝密的思維、清晰的解題思路和超強(qiáng)的運(yùn)算能力,試題特色環(huán)環(huán)相扣,哪一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題可能導(dǎo)致前功盡棄;(2) 本案例解答方法較多,運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解答物理問題的技能可以淋漓盡致展現(xiàn)出來.這既說明應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題的重要性,同時(shí)也可以反映考生解決實(shí)際問題能力的大小,是一道區(qū)分度很高的物理試題.這種能力是新高考的必然要求,在今后的高考中一定會(huì)加強(qiáng)這方面的考查．

以上是筆者就2018年新課標(biāo)高考物理試題中滲透STEM教學(xué)理念的幾點(diǎn)看法,在高考試題中滲透STEM教學(xué)理念,說明這種全新的教學(xué)理念在教學(xué)中有著特殊的地位,尤其是在應(yīng)用上要加大力度逐漸將新的教學(xué)理念滲透到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié),只有這樣才能在新高考中立于不敗之地．