基于物理核心素養的試題情境研究

陸永華

(南京航空航天大學蘇州附屬中學 江蘇 蘇州 215000)

《普通高中物理課程標準(2017版)》強調物理核心素養導向，彰顯物理學科特質，倡導“教、學、評”一體化．其中，“情境”成為高頻關鍵詞，“教學與評價建議”中“建議教師在教學設計和教學實施過程中重視情境的創設，讓學生獲得在實際情境中解決物理問題的大量經驗，形成把情境與知識相關聯的意識和能力”．“學業水平考試與命題建議”中提出“評價學生的物理核心素養，應盡量創設類型多樣的、具有一定復雜程度的、開放性的真實情境作為試題的任務情境”[1]．

1 物理“去情境化問題”考查功能的弊端

由于物理原始問題常被命題者深度加工抽象簡化為模型，習題中常出現網傳“物理神器”——物塊、滑塊、小球等：“外形可忽略，體積可為零；飛天遁水，無往不利；堅如磐石，滑潔如絲；必要的時候它可以帶電，也可以突破引力，甚至可以光速行進……”，此類問題過多，就會影響學生物理建模和解決實際問題的能力，也會影響學生物理的興趣.比利時著名教育學家易克薩維耶·羅日葉認為，這種評估方式容易造成“功能性文盲”現象，即學生的學習太理論化并脫離生活實際，不能將他們所學的知識能力運用于日常生活情境中[2]，從側面反映出“物理去情境化問題”的缺陷，相較新課標中“基于學業質量標準”而言，命題缺乏真實情境，缺少模型建構過程，無法體現學生物理核心素養的考查．

2 基于物理核心素養的試題情境的闡述

2.1 試題“情境”和教學“情境”的聯系與區別

《普通高中物理課程標準(2017版)》指出“創設情境進行教學，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用”．教學中的“情境化”旨在幫助學生形成感性認識，為知識的意義建構提供感性經驗，還原知識情境，幫助學生“形成把情境與知識相關聯的意識和能力”．試題中的情境與教學情境有聯系又有區別，試題情境可以選用與教學類似甚至相同的情境，但試題情境側重測評功能，要求學生在其中對已學過的若干知識和技能進行聯接整合，把問題中的實際情境轉化成解決問題的物理情境，建立相應的物理模型，通過實際問題解決促進學生物理核心素養的達成，核心素養本位的試題情境是核心素養測評的重要途徑．

2.2 試題與情境的結合

依據物理學科核心素養的水平劃分，創設問題情境，圍繞測試主題，運用文字、數據、圖像等呈現背景信息，設置物理問題或任務，為考查學生的物理核心素養提供載體．情境化問題是核心素養測評的重要途徑，構建如圖1所示的問題情境層次結構，將物理情境化問題作為物理原始問題與物理去情境化問題的中間層級，填補兩者在情境化和抽象性間的空隙[3]，搭建物理原始問題與物理去情境化問題研究的中間橋梁，將物理知識“溶解”轉化為問題，將問題融合于情境，在解決核心素養本位的情境化問題過程中，逐步將學生解決問題所需掌握的物理觀念及更深層次的理解、科學思維、情境問題滲透的科學態度與責任等“結晶”，在實際情境化問題解決過程中培養學生的物理核心素養，情境化問題的命制有助于進一步厘清物理核心素養導向的命題基本思路，構建新課改高考命題的基本范式，為提升命題質量奠定堅實的基礎．

圖1 問題情境層次結構

2.3 試題與情境的結合類型

《普通高中物理課程標準(2017版)》在“學業水平考試與命題建議”中提出“根據課程標準中的內容要求和試題考核目標，圍繞常見的生產生活、科技事件等設置試題任務情境”，任務情境的設置、知識的運用、問題的提出與解決應有利于實現對學生核心素養的測試．

根據試題中任務情境和題干解題信息的融合程度可分為情境分離型試題、情境嵌入型試題和情境結合型試題[4]．近10年來全國省市高考涉及情境試題中，情境分離型試題所占比重在總體下降，主要以情境嵌入型試題和情境結合型試題為主，且占比呈上升趨勢．

(1)情境分離型

【例1】[2016年高考江蘇卷12C(1)]貝克勒爾在120年前首先發現了天然放射現象，如今原子核的放射性在眾多領域中有著廣泛應用．下列屬于放射性衰變的是( )

本題雖然設置了貝克勒爾在120年前首先發現了天然放射現象的試題情境，但是選擇判斷放射性衰變，與情境材料無因果關聯性，情境材料與解題所需信息分離．

(2)情境嵌入型

圖2 例2題圖

依據《普通高中物理課程標準(2017年版)》，模型建構是“科學思維”中關鍵要素之一，學生要從情境中識別、提取、建構物理模型，模型建構能力達到水平4．本題考查豎直上拋運動相關知識，通過圖示“籃球架下的運動員原地垂直起跳扣籃”運動情境構建并處理豎直上拋運動模型，通過情境嵌入增加試題的可讀性，提升學生運用物理知識解決實際問題的能力．

(3)情境結合型

【例3】[2018年高考北京卷第24(2)題]觀測宇宙中輻射電磁波的天體，距離越遠單位面積接收的電磁波功率越小，觀測越困難．為了收集足夠強的來自天體的電磁波，增大望遠鏡口徑是提高天文觀測能力的一條重要途徑．2016年9月25日，世界上最大的單口徑球面射電望遠鏡FAST在我國貴州落成啟用，被譽為“中國天眼”．FAST直徑為500 m，有效提高了人類觀測宇宙的精度和范圍．

(a)設直徑為100 m的望遠鏡能夠接收到的來自某天體的電磁波功率為P1，計算FAST能夠接收到的來自該天體的電磁波功率P2；

(b)在宇宙大尺度上，天體的空間分布是均勻的，僅以輻射功率為P的同類天體為觀測對象，設直徑為100 m望遠鏡能夠觀測到的此類天體數目是N0，計算FAST能夠觀測到的此類天體數目N．

《普通高中物理課程標準(2017年版)》要求“試題的任務情境要與生產生活、科技發展等緊密聯系，要關注物理學前沿與成果應用；要探索設計與現實相關的問題情境，加強對學生應用物理學知識綜合解決實際問題能力的考查”．情境結合型試題的題干信息不僅包括問題情境的性質、呈現方式等外部因素，也涉及解決物理問題所需要的能力要求等內部因素，試題通過呈現新的任務情境和新的信息，考查學生信息獲取、加工和利用關鍵信息分析、解決問題的能力．

另外，從物理核心素養測評導向的命題題型角度看，學者普遍認為不良結構問題比良好結構問題更有利于測評學生的物理核心素養水平，根據任務情境的結構化程度和學生完成任務的自由度，測評題型逐漸變化的連續體如圖3所示，增加命制試題的自由度，降低命題情境及問題的結構化程度，更有利于物理核心素養的測評．

圖3 測試題型

3 基于物理核心素養的高考試題與情境的探討

《普通高中物理課程標準(2017版)》指出“應把物理課程中所形成的物理觀念和科學思維用于分析、解決生產生活中的問題，在問題解決中進一步提高探究能力、增強實踐意識、養成科學態度，促進物理學科核心素養的形成”．核心素養立意的情境試題考查學生在真實情境中的問題解決能力，問題解決能力是發展學生物理核心素養的重要關鍵能力．

下面以2019年北京理綜第24題為例進行具體分析．

【例4】雨滴落到地面的速度通常僅為幾米每秒，這與雨滴下落過程中受到空氣阻力有關．雨滴間無相互作用且雨滴質量不變，重力加速度為g．

(1)質量為m的雨滴由靜止開始，下落高度h時速度為u，求這一過程中克服空氣阻力所做的功W．

(2)將雨滴看作半徑為r的球體，設其豎直落向地面的過程中所受空氣阻力f=kr2v2，其中v是雨滴的速度，k是比例系數．

a．設雨滴的密度為ρ，推導雨滴下落趨近的最大速度vm與半徑r的關系式；

b．示意圖中畫出了半徑為r1和r2(r1>r2)的雨滴在空氣中無初速下落的v-t圖線(圖4)，其中________對應半徑為r1的雨滴(選填①、②)；若不計空氣阻力，請在圖中畫出雨滴無初速下落的v-t圖線．

圖4 v-t圖像

(3)由于大量氣體分子在各方向運動的幾率相等，其對靜止雨滴的作用力為零．將雨滴簡化為垂直于運動方向面積為S的圓盤，證明：圓盤以速度v下落時受到的空氣阻力f∝v2(提示：設單位體積內空氣分子數為n，空氣分子質量為m0)．

分析1：依據物理核心素養水平劃分和學業質量標準的要求，通過創設真實情境，提出不同復雜程度和結構差異的實際問題，形成不同難度的測試任務．對本題進行系統梳理考查維度和具體內容，如表1所示．

表1 考查維度和具體內容分析

分析2：《普通高中物理課程標準(2017版)》“學業水平考試與命題建議”中提出“可根據物理學科核心素養的水平層次、試題情境的復雜性或新穎性、知識要求的深度或廣度等多方面來設計試題的難度”．“高中物理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劃分為不同水平．每一級水平皆包含物理學科核心素養的4個方面，主要表現為學生在不同復雜程度情境中運用重要概念、思維、方法和觀念等解決問題的關鍵特征．”根據問題情境復雜程度的不同，對應素養水平的水平一到水平四分為常見的去情境或抽象的情境、新穎的簡單抽象的情境、常見的復雜但有指向性的情境、新穎的復雜結構良好情境或簡單結構不良的情境．

由此，根據學業水平質量表達影響高考測試任務問題復雜性程度的維度，結構如圖5所示，幾種影響因素包括“問題情境的復雜性程度x”“內容的抽象性程度y”和“應用的綜合性程度z”，3個維度交點P對應長方體體積越大，說明問題的復雜性程度越高，問題的難度越大．本題的問題復雜性程度的維度分析如表2所示．

圖5 問題復雜性程度維度

表2 問題復雜性程度的維度分析

問題的情境設計是素養輸入和輸出的中樞，情境設計的內涵和外延要體現寬度、廣度和深度，“試題情境的復雜性或新穎性”是試題難度設置合理梯度的關鍵因素之一，其中“問題情境的復雜性程度”包括問題的情境因子、情境因子之間的交叉融合程度，以及學生對情境的熟悉程度等．如果試題所涉及的情境因子越多，各因子之間的交叉融合程度越高，學生對情境的熟悉程度越低，說明情境的復雜性程度越高，試題的難度也越大．

《普通高中物理課程標準(2017版)》“學業水平考試與命題建議”要求構建以“素養”“情境”“問題”和“知識”4個要素為命題框架，如圖6所示.

圖6 學業水平考試命題框架

核心素養為導向的命題是新課改成敗的關鍵之一，以真實情境為測試載體，將知識的運用、問題的提出與解決等融入到有意義的測試情境之中，有利于實現對學生核心素養的測試，以評促改，促進物理核心素養培育的真正落地．