由一道高考題的演變探討物理核心素養的考查

黃瑞花

(上海市奉賢區教育學院，上海 201499)

1 問題提出背景

2017年版《普通高中物理課程標準》對學業質量提出了明確要求.物理學業考試水平的內容注重考查物理學科核心素養物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任4個方面.而這4個方面主要包括物質觀、運動觀、相互作用觀、能量觀，模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新，問題、證據、解釋、交流，科學本質、科學態度、社會責任等15個要素.學業質量根據問題情境的復雜程度、知識和技能的結構化程度、思維方式或價值觀念的綜合程度等，把物理學科核心素養的4個方面又劃分為5級水平.

如何在平時的習題教學、課后作業等通過題目的選編來促進學生的學科核心素養的培養，以及如何在平時的階段考查和質量調研等各類考試，通過題目的編制能檢測到物理學科核心素養的各個要素的水平，從而真正達成教學評的一致，值得我們研究探討.下面選取2019年普通高等學校招生全國統一考試(江蘇)卷中的一題，嘗試通過題目的演變來探討物理核心素養的考查.

2 高考原題及其考查目標分析

圖1

原題.(2019年江蘇卷第2題)如圖1所示，一只氣球在風中處于靜止狀態，風對氣球的作用力水平向右，細繩與豎直方向的夾角為α，繩的拉力為T，則風對氣球作用力的大小為

(C)Tsinα. (D)Tcosα.

這是一個很常規的試題，難度不大.考查內容為物體的平衡.

圖2

預期學生解題分析過程，先閱讀題目，讀取關鍵詞“靜止”，氣球處于平衡狀態，滿足平衡條件.確定研究對象氣球，把氣球看成質點，對其受力分析，受到重力G(氣球重力不計也可以，不影響答題結果)、繩子對氣球斜向下的拉力T、風對氣球水平向右的作用力F和空氣對氣球的浮力F浮，如圖2.在水平和豎直方向建立坐標軸，把力T分解為水平和豎直.根據平衡條件，得到F=Tsinα.正確選項為(C).

此題涉及了哪些物理核心素養要素的考查？考查的素養水平屬于幾級？具體分析見表1.

表1 原題考查的素養要素及質量水平

此題考查涉及運動觀和相互作用觀、模型建構和科學推理幾個要素，學業質量水平屬于1和2，考查水平要求不高.那么，同樣這樣一個情境，通過演變能不能考查出核心素養的其他要素呢？

3 題目演變及其考查目標分析

3.1 減少定量計算，注重說理開放

圖3

演變1：如圖3所示，一只氫氣球在風中處于靜止狀態，則氣球對空氣作用力的方向是怎樣的？為什么？

考查內容：物體的平衡和牛頓第三定律.題目是說理題，需要文字表述.

圖4

預期學生可能思考分析解答過程.① 若氣球重力不能忽略，以氣球為研究對象，看成質點，對氣球受力分析，氣球受到重力G、繩子對氣球斜向下的拉力T和空氣對氣球的作用力F而平衡.根據平衡條件，空氣對氣球的力F分解為G和T反方向的兩個分力，可知在受力示意圖如圖4中兩虛線之間斜向上都可以(不包括邊界值).最后根據牛頓第三定律，得到氣球對空氣的反作用力，在G和T方向之間斜向下(不包括G和T方向).② 若氣球重力可以忽略，以氣球為研究對象，看成質點，對氣球受力分析，繩子對氣球斜向下的拉力T和空氣對氣球的作用力F二力平衡.根據牛頓第三定律，氣球對空氣的反作用力就是沿繩子斜向下的方向.

變化后題目沒有定量計算，由于氣球重力是否要考慮的緣故，答案可能出現一個范圍，也可能是一個唯一值，存在多個可能性，所以具有一定開放性.也可以以客觀題形式出現.

此題考查仍然涉及運動觀和相互作用觀、模型建構和科學推理幾個要素，但考查內容有所增加，考查水平有所提升.與原題相同的考查目標不再列出，把變化的內容分析在表2.

表2 演變考查目標的變化

演變2：如圖3，一只氣球在風中處于靜止狀態，風對氣球的作用力水平向右.為知道風對氣球的作用力的大小，需要知道下列哪組物理量即可.

(A) 繩子的拉力、氣球的重力.

(B) 氣球受到的浮力、氣球的重力.

(C) 氣球的重力、重力與繩子方向的夾角.

(D) 繩子的拉力、細繩與豎直方向的夾角.

圖5

考查內容仍為物體的平衡.把題目的題干和選項串起來就是結論.

預期學生解題分析過程，審題還是要抓住“靜止”兩字，確定對象氣球，對其受力分析.如圖5所示，受到重力G、繩子對氣球斜向下的拉力T、風對氣球水平向右的作用力F和空氣對氣球的浮力F浮.把力進行合成或分解處理，設細繩與豎直方向的夾角為α，根據平衡條件，得到水平方向F=Tsinα，豎直方向F浮=Tcosα+G.確定研究方案，方案①： 根據水平方向F=Tsinα，測得繩子的拉力和細繩與豎直方向的夾角即可知道F，選項(D)正確.方案②： 根據豎直方向F浮=Tcosα+G，得到T=(F浮-G)/cosα,得到F=(F浮-G)sinα/cosα=(F浮-G)tanα，測得F浮、G和細繩與豎直方向的夾角α即可知道F，選項(B)不完整.

此題不同于原題的是，題干中沒有已知的物理量，需要學生自己思考確定方案，并根據方案確定需要測量的物理量，從而來驗證選項提出的結論正確與否.

此題除了考查運動觀和相互作用觀、模型建構幾個要素，還涉及科學思維和科學探究中其他一些要素的考查.具體分析見表3.

表3 演變2考查目標的變化

3.2 創設真實情境，注重問題解決

圖6

題目素材：真實的照片，放飛的氫氣球，氣球長度約為9 cm，未充氣時質量約為1.1 g.鏡頭正對氣球和繩子所在的豎直面拍攝.用量程±20 N，精度0.01 N的力傳感器測得如圖6所示時的拉力為0.05 N.

演變3：如圖6，這是一個氣球在水平向右風力作用下處于靜止狀態的照片.為測得風對氣球的作用力的大小，選用的器材是

(A) 力傳感器，刻度尺.

(B) 壓強傳感器，量角器.

(C) 力傳感器，溫度計.

(D) 壓強傳感器，溫度計.

考查內容仍為物體的平衡.題目特點帶有實驗測量，器材的選擇.而器材的選擇是建立在方案設計的基礎之后進行選用.所以可以說是演變2后的延伸.

預期學生分析解答過程，方案設計同演變2.選擇器材力傳感器和刻度尺(或量角器).除了前面涉及考查的素養要素外，還涉及表4中的素養要素及水平.

表4 演變3考查目標的變化

演變4：如圖6，這是一個氣球在水平向右風力作用下處于靜止狀態的照片.用力傳感器測得了繩子的拉力為0.05 N.請根據照片，估測水平風力的大小.

考查內容仍為物體的平衡.題目帶有實驗測量.與前面演變2和3不同的是，不只是涉及方案和器材的選擇，而是實驗結論.也可以以客觀題形式出現，選擇風力最接近的力大小.

預期學生分析解答過程，方案設計同演變2.利用刻度尺測出線長約為1.80 cm時，線的水平投影約為0.85 cm，得到風力F約為0.024 N涉及到的素養要素及水平見表5.

表5

演變5：如圖6，這是一個氫氣球在水平向右風力作用下處于靜止狀態的照片.測得氣球未充氣時質量約為1.1 g，力傳感器量程±20 N，精度0.01 N.為測出風對氣球的作用力的大小，甲、乙兩學生分別設計了實驗方案.

思考過程：確定對象氣球，對其受力分析，受到重力G、繩子對氣球斜向下的拉力T、風對氣球水平向右的作用力F和空氣對氣球的浮力F浮.

甲的方案：根據平衡條件，得到水平方向F=Tsinα.用力傳感器測量繩子的拉力T，用量角器測量細繩與豎直方向的夾角α，各1次.測得數據代入公式即得風力.

乙的方案：根據平衡條件，得到豎直方向F浮=Tcosα+G，得到T=(F浮-G)/cosα，代入水平方向F=Tsinα，得到F=(F浮-G)sinα/cosα.可以再進一步測量F浮、用力傳感器測量G、用量角器測量細繩與豎直方向的夾角α.

請你對甲、乙方案進行評價，并選擇其中一個方案提出進一步測量方案或改善之處.

考查內容仍為物體的平衡，題目要求是對已有的方案進行評價.

答題提示：評價視角，可以從實驗可行性、精確性等角度去思考.如果實驗存在安全問題，還需要從安全性角度去思考.

此題除了考查相互作用觀、科學推理等素養要素外，還考查了如下素養要素，見表6.

表6

3.3 設問聯系社會，注重責任培養

圖7

演變6：高空氣球是一般位于平流層，高度可達40-50 km，被廣泛應用于高能天體物理、宇宙線、紅外天文、大氣物理、大氣化學、地面遙感、微重力實驗等方面的研究，同時也大量應用于外層空間宇宙設備的預研和試飛以及軍事方面等.如圖7，這是一個被繩子拴住的靜止的氫氣球，繩子的另一端被手拉著.如果釋放氣球，

(1) 氣球能否成為高空氣球？為什么？請簡要解釋.

(2) 請針對釋放后的氣球另外再提出一個物理問題，并簡要解釋.

考查內容涉及熱學、運動和力的關系、能量等.題目具有開放性，要求從物理學視角提出問題、解釋問題.

預期學生思考分析解答過程，普通氣球不能成為高空氣球.原來靜止的氣球，由于少了繩子的拉力，將向上運動.隨著高度增大,空氣逐漸稀薄,氣壓減小,氣球內部一定質量的氣體的壓強大于外部的大氣壓，氣體體積增大，氣球膨脹爆裂.

預期學生提出的問題，釋放后氣球將做什么運動？釋放后氣球的重力勢能將如何變化？釋放后氣球內封閉氣體的壓強將如何變化？釋放后氣球內氣體分子的熱運動將如何變化？……

也可以把預期學生提出的問題作為幾個選項提出，然后讓學生選擇其中一項進行解釋，難度降低.讓學生具有自主選擇地完成考查，增加了學生的自主性.當然每個選項的難度系數可能稍有不同，如果要賦分可以對其進行不等值賦分(在這里對其賦分及公平性問題不做探討).上述第(2)題可以變為，請在下列問題選項中只選擇一項回答，并簡要解釋.

(A) 釋放后氣球做什么運動？

(B) 釋放后封閉氣球的壓強將如何變化？

(C) 釋放后氣球的重力勢能將如何變化？

(D) 釋放后氣球內氣體分子的熱運動將如何變化?……

此題考核素養要素如表7所示.

上述一個高考試題經過多個演變，同一情境涉及不同素養要素的考查，考查素養要素較全.而一個題目的選編主要取決于預想要考查的素養目標，就是預想考查什么素養要素及水平去選編題目.

表7