高考評價體系“應用性與創新性”要求下的物理試題命制方向*

呂俊君

(九江市同文中學 江西 九江 332000)

2019年12月，教育部考試中心發布《中國高考評價體系》.高考評價體系由3個要素構成，即“一核”“四層”“四翼”，如圖1 所示.“一核”指“立德樹人、服務選才、引導教學”,是高考的核心功能，回答“為什么考”的問題；“四層”指“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識”,是高考的考查內容，回答“考什么”的問題；“四翼”指“基礎性、綜合性、應用性、創新性”，是高考的考查要求，回答“怎么考”的問題.同時，高考評價體系還規定了高考的考查載體——情境，以此承載考查內容、實現考查要求[1].

圖1 “一核”“四層”“四翼”

“四翼”要求命題突出基礎性；加強綜合性；體現應用性；重視創新性，明確了試題命制的具體方向.基礎性是基石，無視基礎的測試相當于空中樓閣；綜合性是對基礎性的組合與延伸；應用性體現了知識與生活的關聯；創新性突破了傳統試題的束縛，是命題改革的方向.四者相輔相成，共同服務于“立德樹人、服務選才、引導教學”這一核心目標的實現.本文從應用性與創新性的角度出發探討高中物理試題的命制方向.

1 情境

高考評價體系中所謂的“情境”即“問題情境”，指的是真實的問題背景，是以問題或任務中心構成的活動場域[2].物理試題中的情境由文字、圖片、表格、符號等元素構成，個體需要在大量的信息中進行想象、辨別、篩選、判斷、應用、創造，從而形成解決問題的思路.由于不同個體腦海中的信息存儲類別和加工方式存在差異，因此即便面臨同樣的情境個體也會產生不同的解決辦法.

在高考評價體系“應用性與創新性”的要求下，情境應當貼近生活，注重創新，以此為基礎考查“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識”.

2 試題體現應用性

2.1 以生活化情境為載體

試題應與生活息息相關.物理規律是對物理現象的總結與提煉，物理現象源于生活的觀察與實踐，而物理學的發展最終為生活帶來便利，推動社會與經濟的發展.以生活化情境為載體命制試題有利于搭建理論與實踐的橋梁，增強學以致用的意識，提高解決實際問題的能力.

生活化情境的試題命制常見角度包括：

(1)以自然現象為背景，如針對太陽光通過棱鏡產生的色散現象，可以考查不同顏色光的頻率和波長，進而擴展至光的干涉、衍射和光電效應等知識點.

(2)以體育運動為背景，如跳水運動中蘊含豎直上拋、勻變速運動，能量轉化等物理模型與規律.

(3)以交通出行為背景，如通過計算ETC系統與人工收費系統的時間，體會ETC系統為生活帶來的便利.

(4)以生活娛樂為背景，如圍繞游樂場中的摩天輪游戲設置圓周運動，受力分析，能量轉化等考點.

(5)以社會熱點為背景，如高空墜物現象已經成為社會公共安全隱患，然而高空墜物的殺傷力究竟達到什么程度，大部分學生對此缺乏定量的認識，針對這一現狀可設計例1.

【例1】如圖2所示是一則安全警示廣告，描述了高空墜物對人傷害的嚴重性，現假設一個50 g的雞蛋從25樓掉落，與地面撞擊時間約為20 ms，則雞蛋對地面的沖擊力大約為多少？( )

A.1 N B.10 N

C.100 N D.1 000 N

圖2 例1題圖

題干從安全警示廣告“一個雞蛋的威力”出發強調高空墜物的危害，隨后創設雞蛋與地面沖擊的問題，通過計算發現沖擊力高達1 000 N，讓學生對高空墜物的殺傷力有了更清晰的認識.這種命題方式不僅考查了應用動量定理解決問題的“必備知識與關鍵能力”，而且有助于引導學生關注社會問題，培養學生的社會責任感，促進“立德樹人”核心目標的實現.

2.2 滲透科學技術的發展

試題應滲透科學技術的發展.近年來我國綜合國力不斷提升，在科研、工程、醫療、航天等各領域均獲得了重大突破，位居世界各國前列.2017年我國自主研發的航空母艦在大連舉行下水儀式，2018年世界上最大的跨海大橋港珠澳大橋正式通車，2019年70周年閱兵式上東風-41洲際戰略核導彈驚艷亮相[3]，2020年嫦娥五號探測器完成我國首次地外天體采樣任務，2021年天問一號探測器首次進入環火軌道.在試題中滲透這些元素有利于樹立民族自信心與自豪感.雖然這些科技成果離中學生很遙遠，但只要埋下了一顆種子，未來將成長為參天大樹.

【例2】2021年2月10日，我國首次火星探測任務“天問一號”探測器成功實施近火捕獲制動，順利進入環火軌道，成為我國第一顆人造火星衛星，實現了本次任務“繞、著、巡”中第一步“繞”的目標.“天問一號”被火星捕獲之后，需要在近火星點P變速，進入環繞火星的橢圓軌道，該過程簡化為如圖3所示，則下列說法中正確的是( )

A.由軌道Ⅰ進入軌道Ⅱ需要在P點加速

B.在軌道Ⅰ上經過P點時的加速度大于在軌道Ⅱ上經過P點時的加速度

C.在軌道Ⅰ上運行周期大于在軌道Ⅱ上運行周期

D.在軌道Ⅰ上運行時的機械能大于在軌道Ⅱ上運行時的機械能

圖3 例2題圖

衛星變軌過程中速度、加速度、能量等物理參數的比較一直是各類考試的熱點，“天問一號”承擔我國首次自主火星探測任務，其成功是我國航天領域的里程碑.該試題情境對增強民族自信心，民族認同感，社會責任感起到積極作用.

2.3 適度引入物理原始問題

物理原始問題是指自然界及社會生活生產中未被抽象加工的典型現象，它是對現象的描述，沒有對現象做任何程度的抽象[4].原始問題以某一開放生動的實際問題為情境，條件具有隱蔽性，通常不提供相應的物理量與數值，需要學生查閱資料進行自主探究，透過現象看本質，通過模型建構、合理賦值、分析、推理等一系列活動解決問題，對高階思維能力有較高要求.

與原始問題對應的是抽象習題，抽象習題是由命題者將原始問題人為加工生成，其特征是條件明顯、問題指向性明確、數據充分，當前考試環境下大部分試題屬于此類.從原始問題到抽象習題的關鍵在于模型建構，如果學生長期接觸抽象習題，必然缺失模型建構能力的培養，一旦面臨實際問題常常束手無策.因此,在試題評價過程中適度引入原始問題是值得推行的一項措施.

【例3】(抽象習題)如圖4所示，將一小球從地面位置以初速度v拋出，速度方向與水平面成θ角，重力加速度為g且不計空氣阻力，求小球落回地面的水平位移.

圖4 抽象習題

(原始問題)如圖5所示，鉛球比賽中的成績會受到緯度的影響.已知迄今鉛球世界紀錄為 23.12 m(鉛球運動中最高點約 8 m).請分析并說明在運動員體能和技巧都確定的情況下，比賽在高緯度地區和低緯度地區進行相比，哪里更容易創造世界紀錄？

圖5 原始問題

運動的分解是高中物理的核心知識，抽象習題中設定了小球的初速度，給出相應的條件，考查了學生對運動的分解的應用熟練度與計算能力.然而該問題是經過抽象后的模型題，缺乏與實際生活的聯系，學生通過機械式訓練就可以解決.

改編后的原始問題創設了鉛球比賽的情境，鉛球的運動與哪個物理模型相對應？鉛球比賽成績與哪些物理量有關？運動員體能和技巧影響了哪些物理量？不同緯度地區什么物理量有差別，又是如何影響比賽成績的？這些都是應該思考的問題.在思考過程中首先突出鉛球運動的主要因素加強學生模型建構的能力，其次需要綜合運用運動的分解與天體運動等知識解決問題，能夠更全面地對學生判斷、分析、推理能力進行評價，促進“學科素養”的形成.

通過對比不難發現，原始問題凸顯知識的應用性，強調從“解題”向“解決問題”的轉變，培養學以致用的能力.近年高考中原始問題頻頻出現，如2017年高考理綜全國卷Ⅰ第18題以掃描隧道顯微鏡(STM)為背景考查電磁阻尼現象；2017年高考理綜全國卷Ⅱ第21題以自制簡易電動機為背景考查安培力，這一現象引導教師關注原始問題的編制，體現了高考“引導教學”這一核心目標.

3 試題重視創新性

3.1 以創新情境為載體

創新情境類試題是高層次的智力活動，對學生而言要充分理解文字與圖片的含義，挖掘題中關鍵信息，準確把握考查方向.對命題者而言，創新不是無限制提高難度，依舊要在創新中突出對基本概念規律的考查.如2015年高考理綜全國卷Ⅱ第16題要求計算同步衛星從轉移軌道調整到同步軌道的附加速度，表面上考查天體運動，實際上考查速度的合成與分解，這種“聲東擊西”的情境設計正是該題的新意所在.再如通過中學課本“科學足跡”“科學漫步”“STS”等欄目探尋創新情境的源泉.

【例4】量子理論是20世紀物理學發展的重大成就之一，玻爾提出的原子結構理論推動了量子理論的發展.玻爾理論的一個重要假設是原子能量的量子化，1914年，弗蘭克和赫茲利用粒子碰撞的方式證明了原子能量的量子化現象.弗蘭克-赫茲實驗原理如圖6(a)所示，燈絲K發射出初速度不計的電子，K與柵極G間加有電壓為U的電場使電子加速，GA間加0.5 V的反向電壓使電子減速.當電子通過K-G 空間加速后進入G-A空間時，如果能量較大，就可以克服G-A間的反向電場到達接收極A，形成電流通過電流表.在原來真空的容器中充入汞蒸氣，當電子的動能小于汞原子從基態躍遷到第一激發態所需的能量時，由于汞原子的能量不能連續變化，電子與汞原子發生彈性碰撞；當電子的動能大于汞原子從基態躍遷到第一激發態所需的能量時，電子與汞原子發生非彈性碰撞，汞原子吸收電子的一部分動能，使自己從基態躍遷到第一激發態.已知電子質量為m，電荷量為e，汞原子質量遠大于電子質量.

(1)證明一個運動的電子與一個靜止的汞原子發生彈性正碰時，電子幾乎不會因碰撞損失能量；(證明過程中需要用到的物理量請自行設定)

(2)實驗得到如圖6(b)所示的I-U圖像，從圖中看出，每當KG間電壓增加4.9 V時，電流就會大幅下降，請解釋這一實驗結果.

圖6 例4題圖

本題情境的創新在于：

(1)背景素材的創新.弗蘭克-赫茲實驗在人教版選修3-5第18章第4節“科學足跡”欄目中有介紹，但大多數教師容易忽視這塊內容，對學生而言是全新的情境.雖然情境陌生，但是題干對實驗做了詳細解釋，學生完全可以通過題干條件與知識儲備理解原理進而解決問題，對學生處理新問題的能力起到很好的檢測效果，可謂“源于課本，高于課本”.

(2)設問方式的創新.題目第一問要求學生證明電子與汞原子發生彈性正碰時幾乎不損失能量，第二問需要根據所學知識解釋圖像產生的原因，這兩問均擺脫了傳統計算題的形式，改為以證明題和簡答題形式呈現.

(3)知識綜合的創新.該題巧妙地將碰撞與能級躍遷結合，考查不同知識的綜合應用能力的同時更凸顯出能量量子化的本質.

3.2 增強探究性與開放性

物理新課程積極倡導學生掌握物理學科的一些科學探究方法，發展自主學習能力，養成良好的思維習慣，能夠運用物理知識和科學探究方法解決一些問題[5].科學探究能力的培養扎根于課堂教學，實踐于實驗操作，滲透于試題評價.命制試題時突破傳統的“已知求解”這類單進程命題模式，改為引導學生發現問題并解決問題，設計答案不唯一的開放式問題，全面檢測學生的發散思維能力與創造力.

【例5】電動勢和內阻是電池的重要參數，如圖7所示小明同學將銅片和鋅片插入蘋果中制作電池，將蘋果電池正負兩極連接至額定電壓為1.5 V的小燈泡兩端發現小燈泡不發光，于是小明對該問題進行探究.

圖7 蘋果電池

(1)用電壓表直接連接蘋果電池測電壓，發現讀數為0.97 V，可以猜想小燈泡不發光的原因是什么？

(2)為了驗證猜想，請你幫助小明選擇實驗器材測量蘋果電池的電動勢和內阻，并畫出電路圖，簡述實驗原理與步驟.

(3)小明改變金屬片的間距與插入深度，測量了多種水果電池的電動勢內阻如表1所示，從表中可以發現金屬片間距與深度對電動勢和內阻有什么影響？

表1 多種水果電池的電動勢和內阻

第一問提出問題，為什么小燈泡不發光？根據電壓表讀數，學生很容易猜想到蘋果電池內阻可能很大.接下來引導學生選擇實驗器材，設計實驗方案測量電動勢和內阻，驗證猜想.實驗方案可以采用電流表和電壓表配合，也可以用電流表與電阻箱配合或電壓表與電阻箱配合，只要設計方案合理均為正確答案，具有一定的開放性.最后將研究問題擴大到不同水果電池的電動勢和內阻，要求學生根據表格數據分析影響電動勢和內阻的因素，考查了學生獲取證據的意識與交流解釋的能力.試題設計圍繞著提出問題→猜想假設→獲取證據→解釋交流的流程展開，體現出科學探究核心素養的滲透.

4 結束語

習近平總書記指出，社會主義現代化強國教育必須“全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務……培養德智體美全面發展的社會主義建設者和接班人”[6].高考作為最公平的考試承擔著“立德樹人、服務選才，引導教學”核心任務.在高考評價體系的指導下，加強應用性與創新性培養對人才選拔起到重要的推動作用，是廣大教育工作者命制試題的主要方向.