例談高考物理試題情境的科學性

宋亞杰 胡雨宸

(1. 南京師范大學教師教育學院，江蘇 南京 210024; 2. 南京市金陵中學，江蘇 南京 210005)

1 引言

科學性原則是指試題、答案及解答過程均正確、規范,不出現科學性、常識性的錯誤．試題的科學性是保證考試公平的基本要求．一般來說,試題的科學性可以包含兩種不同的層面:狹義的科學性是指試題本身是正確的、可以解答的,不存在科學性錯誤．廣義的科學性除了包含試題本身的科學性以外,還包括試題的表述要簡潔、明確、規范,圖表準確,不存在歧義．諸如“情境背景不真實”、“模型建構不合理”、“題設條件不相容”、“已知數據不正確”等原因,均與試題命制的科學性原則相違背．這里,我們認為高考物理試題命制時應遵循一般意義上的科學性原則,即試題本身應正確無誤、規范有解,同時試題的表述(即情境創設)應簡明規范,故而這里從試題情境創設的角度將科學性原則歸納為以下3條:試題考查內容的科學性、試題圖文描述的一致性以及試題情境取材的真實性．下面我們通過幾道典型的高考物理真題來體會試題情境創設的科學性原則．

2 試題考查內容的科學性

試題考查內容的科學性是指指試題本身是正確有解的,不存在科學性、常識性或規范性錯誤．雖然這是試題設計過程中最基本的要求,但由于構思欠密,推敲不細,有科學性失誤的試題及解答在高考卷中亦偶有出現,其結果必然有損選拔性考試的公平性．因此,科學性原則是試題情境創設應遵循的最基本原則．

例1.[2012年江蘇卷第15(1)題]如圖1所示,待測區域中存在勻強電場和勻強磁場,根據帶電粒子射入時的受力情況可推測其電場和磁場．圖中裝置由加速器和平移器組成,平移器由兩對水平放置、相距為l的相同平行金屬板構成,極板長度為l、間距為d,兩對極板間偏轉電壓大小相等、電場方向相反．質量為m、電荷量為+q的粒子經加速電壓U0加速后,水平射入偏轉電壓為U1的平移器,最終從A點水平射入待測區域．不考慮粒子受到的重力．求粒子射出平移器時的速度大小v1.

圖1

評析：該題為2012年江蘇卷壓軸題第一問,考查“帶電粒子在電場中的運動”基本模型,試題難度較易,解題時只要考慮到該粒子在電壓等大反向的平行板電容器(即題中“平移器”)內的偏轉運動具有對稱性,并據此得出粒子在平移器的入射速度與出射速度大小相等,最后根據動能定理求解帶電粒子在加速器中的加速過程便可得出答案．需要特別指出的是,命題者在這里為了符合中學生的認知水平并服務于試題的測試與選拔功能,主觀上對該模型進行了簡化:認為兩電壓等大反向的平行板電容器之間不存在電場,故帶電粒子在兩平移器之間做勻速直線運動,即忽略電場的邊緣效應．事實上,帶電粒子的重力是可以被忽略的,但這里的電場效應顯然不可輕易忽略:依題意,兩組金屬板電容器的下極板均接地,即電壓均為0,而兩電容器上極板的電壓分別為-U1和U1,故兩上極板之間電勢差依題意應達到2U1．題中并未附加U1遠遠小于U0這樣的條件,顯然這時兩電容器之間存在電場,帶電粒子在兩金屬板電容器之間的運動不可能是勻速直線運動,故原題的解答不能成立．所以,筆者認為此題在這里創設情境時有所缺失,不夠嚴謹．當然,在試題考查內容本身上可認為符合科學性原則．實際上，若考慮到兩極板邊緣之間的復雜電場,不僅會導致該粒子的實際運動情況對中學生來說難以分析,也會使該題失去考試的選拔功能與意義．

3 試題圖文描述的一致性

物理學科的特點決定了物理試題的情境創設除文字敘述類試題之外,還包括大量的模型、圖表類試題,而模型建構類試題中的物理模型往往以模型圖的形式加以呈現.這就對試題情境的創設提出了更高的要求．一般來說,文字敘述類問題經過命題者的反復斟酌與提煉,大多滿足簡潔、明確并規范的要求,但圖表類問題則容易成為試題命制過程中的被忽視之處,尤其是題干中含有“如圖所示”這類字眼的試題．我們知道,無論是實物圖還是模型圖,構圖應遵循一定的原則,在力所能及的情況下圖繪內容應盡量符合實際;而“如圖所示”這類文字敘述,意味著試題中圖片與文字處于同等位置,這也就要求在繪圖過程中小心謹慎,試題圖文描述之間應具有一致性,以免使學生產生歧義,給學生帶來誤導．一般來說,物理學中某些過程難以在圖片中準確地呈現,例如“行星運動”“萬有引力與航天”或者“回旋加速器”這樣宏觀大尺度的模型;但是對于簡單的運動學模型,構圖時應注意題圖中各元素的大小、位置等比例關系,保證試題圖文描述的一致性,從而提升試題的科學性．

圖2

例2.(2015年山東卷第15題)距地面高5 m的水平直軌道上A、B兩點相距2 m,在B點用細線懸掛一小球,離地高度為h,如圖2所示．小車始終以4 m/s的速度沿軌道勻速運動,經過A點時將隨車攜帶的小球由軌道高度自由卸下,小車運動至B點時細線被軋斷,最后兩球同時落地．不計空氣阻力,取重力加速度的大小g=10 m/s2．可求得h等于

(A) 1.25 m. (B) 2.25 m.

(C) 3.75 m. (D) 4.75 m.

4 試題情境取材的真實性

物理學本身的特點決定了物理試題情境的創設要注意聯系生活、科技,引導學生聯系實際已達到學以致用的目的．試題情境取材的真實性不僅是試題科學性的必備條件,也是拓寬學生視野的必要保證,真實的情境也有助于培養學生實事求是的科學態度．在歷年的高考物理卷中往往會出現以當今世界中外科技的前沿進展與突破為情境的試題,例如最新的諾貝爾物理獎成果,我國現代科技成就等．這類試題不僅可以引導學生學以致用,更可以通過試題情境實現培養學生的民族自豪、榮譽感,拓寬學生視野、與時俱進等多種功能．試題情境取材的真實性不僅是試題科學性的必備條件,也是拓寬學生視野的必要保證,真實的情境也有助于培養學生實事求是的科學態度．然而我們發現,即便在高考題的命制過程中,也偶有出現因命題專家自身疏漏而導致的試題情境不真實的個例．試題命制過程中,命題者需要大量查閱文獻資料,謹慎比較并進行選擇,以保證試題情境取材的真實性．

例3.(2013年廣東卷第13題)某航母跑道長200 m．飛機在航母上滑行的最大加速度為6 m/s2,起飛需要的最低速度為50 m/s．那么,飛機在滑行前,需要借助彈射系統獲得的最小速度為

(A) 5 m/s. (B) 10 m/s.

(C) 15 m/s. (D) 20 m/s.

參考解答： 由題意可知,最大位移x=200 m,加速度a=6 m/s2,末速度vt=50 m/s,求最小初速度v0．由vt2-v02=2ax可得v0=10 m/s,故(B)選項正確．

評析： 本題文字表述與解答皆無科學性錯誤,規范準確．但筆者通過查閱相關資料發現,一般來說,航空母艦上戰斗機起飛需要的最低速度約為250 km/h,即70 m/s左右,而航母本身在運行過程中其速度約為50 km/h,即15 m/s左右,故戰機起飛時相對航母的最低速度約為50 m/s,其自身絕對速度約70 m/s．眾所周知,物理學中描述物體的運動時,若不特殊指明,我們約定俗成選取地面為參考系,本題中飛機“起飛需要的最低速度為50 m/s”無論從默認的參考系選取規則還是試題具體語境的角度去理解,都是以地面為參考系,故而顯然與事實并不相符．

5 反思與啟示

通過對上述典型例題的分析,筆者認為:高考物理卷作為當前國內最具權威性與代表性的物理試題,無論在選拔人才還是反撥引導教學方面均發揮著至關重要的作用,并具有典型代表意義,其試題命制工作在創設情境時首先應遵循科學性原則:創設試題的內容及解答應保證科學、嚴謹,不存在科學性錯誤;試題情境中圖文描述應一致,以免產生歧義,給考生造成困惑甚至誤導;命題時應對素材進行必要的加工或適當的精簡、理想化,但對試題情境中的選材內容、必要的數據或結論應保持其真實性,避免向考生傳達錯誤的信息,引導學生樹立實事求是的精神．