物理試題體現科學探究有關核心素養要求的舉例與分析*

方潤根

(杭州學軍中學 浙江 杭州 310012)

梁 旭

(浙江省教育廳教研室 浙江 杭州 310012)

陳 瓊

(浙江省慈溪中學 浙江 寧波 315300)

2020年浙江省已經啟用依據新課標編寫的教材，如何考查核心素養？以前的試題中是否比較全面地考查了核心素養?我們在浙江省教育廳教研室“高中物理核心素養考查研究課題組”對近幾年全國及上海、江蘇、浙江高考(選考)物理試題的篩選和分析的基礎上，根據科學探究素養的5個水平劃分，列舉了科學探究各要素的部分試題，分析了考查水平.

1 科學探究“問題”要素的試題舉例及特征分析

【例1】(2000年高考上海物理卷第15題)圖1為一名宇航員“漂浮”在地球外層空間的照片.根據照片展示的情景提出兩個與物理知識有關的問題(所提出的問題可以涉及力學、電磁學、熱學、光學、原子物理學等各個部分.只需提出問題，不必作出回答和解釋).

圖1 “問題”要素的例1題圖

例：這名“漂浮”在太空中的宇航員相對地球是運動還是靜止的？

參考答案：(1)宇航員是否受地球引力作用？(宇航員受力是否平衡？)

(2)宇航員背后的天空為什么是黑暗的？(宇航員是利用什么與地面進行聯系的？)

【例2】(2020年高考全國理綜卷Ⅱ第9題)一細繩跨過懸掛的定滑輪，兩端分別系有小球A和B，如圖2所示.一實驗小組用此裝置測量小球B運動的加速度.

圖2 “問題”要素的例2題圖

令兩小球靜止，細繩拉緊，然后釋放小球，測得小球B釋放時的高度h0=0.590 m，下降一段距離后的高度h=0.100 m；由h0下降至h所用的時間T=0.730 s.由此求得小球B加速度的大小a=_____________m/s2(保留3位有效數字).從實驗室提供的數據得知，小球A和B的質量分別為100.0 g和150.0 g，當地重力加速度大小g=9.80 m/s2.根據牛頓第二定律計算可得小球B加速度的大小a′=___________m/s2(保留3位有效數字).

可以看出，a′與a有明顯差異，除實驗中的偶然誤差外，寫出一條可能產生這一結果的原因：________________.

參考答案：1.84；1.96；滑輪的軸不光滑，繩和滑輪之間有摩擦(或滑輪有質量).

科學探究“問題”要素的5級水平表述如下：具有問題意識(水平1)；能觀察物理現象，提出物理問題(水平2)；能分析物理現象，提出可探究的物理問題，作出初步的假設(水平3)；能分析相關事實或結論，提出并準確表述可探究的物理問題，作出有依據的假設(水平4)；能面對真實情境，從不同角度提出并準確表述可探究的物理問題，作出科學假設(水平5)[1].例1中的“根據照片的情景提出兩個與物理知識有關的問題”屬于“觀察物理現象，提出物理問題”(水平2)，參考答案給出的也是水平2的問題，“宇航員是否受地球引力作用？”“宇航員背后的天空為什么是黑暗的？”例2“可以看出，a′與a有明顯差異，除實驗中的偶然誤差外，寫出一條可能產生這一結果的原因：.”這一結果不能通過推理、論證等思維來得到，其本質是考查問題(假設)素養，等同于“a′與a有明顯差異，除實驗中的偶然誤差外，你想到的問題有哪些？有何猜想(假設)？”屬于“能分析物理現象，提出可探究的物理問題，作出初步的假設(水平3)”.

2 科學探究“證據”要素的試題舉例及特征分析

【例3】(2018年4月浙江選考卷第18題)

(1)小明用多用電表測量一小段2B鉛筆芯的電阻Rx，正確的操作順序是(填字母).

A.把選擇開關旋轉到交流電壓最高擋

B.調節歐姆調零旋鈕使指針指到歐姆零點

C.把紅、黑表筆分別接在Rx兩端，然后讀數

D.把選擇開關旋轉到合適的擋位，將紅、黑表筆接觸

E.把紅、黑表筆分別插入多用電表“+”“-”插孔，用螺絲刀調節指針定位螺絲，使指針指零

(2)小明正確操作后，多用電表的指針位置如圖3所示，則Rx=Ω

圖3 “證據”要素的例3電表讀數

(3)小張認為用多用電表測量小電阻誤差太大，采用伏安法測量.

現有實驗器材如下：電源(電動勢3 V，內阻可忽略)，電壓表(量程3 V，內阻約為3 kΩ)，多用電表(2.5 mA擋、25 mA擋和250 mA擋，對應的內電阻約為40 Ω，4 Ω和0.4 Ω)，滑動變阻器RP(0～10 Ω)，定值電阻R0(阻值10 Ω)，開關及導線若干.

測量鉛筆芯的電阻Rx，下列電路圖中最合適的是圖4中(填字母)，多用電表選擇開關應置于擋.

參考答案：(1)EDBCA；(2)2.9Ω；(3)B，250 mA.

【例4】(2013年高考全國大綱卷第22題)如圖5所示，E為直流電源，G為靈敏電流計，A和B為兩個圓柱形電極，P是木板，C和D為兩個探針，S為開關.現用上述實驗器材進行“用描跡法畫出電場中平面上的等勢線”的實驗.

圖5 “證據”要素的例4題圖

(1)木板P上有白紙、導電紙和復寫紙，最上面的應該是紙；

(2)用實線代表導線將實驗器材正確連接.

參考答案：(1)導電紙；(2)如圖6所示.

圖6 “證據”要素的例4圖答案

科學探究“證據”要素的5級水平表述如下：能在他人指導下使用簡單的器材收集數據(水平1)；能根據已有的科學探究方案，使用基本的器材獲得數據(水平2)；能在他人幫助下制訂科學探究方案，使用基本的器材獲得數據(水平3)；能制訂科學探究方案，選用合適的器材獲得數據(水平4)；能制訂有一定新意的科學探究方案，靈活選用合適的器材獲得數據(水平5)[1].

例3中“(1)小明用多用電表測量一小段2B鉛筆芯的電阻Rx，正確的操作順序是(填字母)”因操作步驟題中已經給出，但如何合理排序還需要自己思考，相當于“在他人幫助下制訂科學探究方案”(水平3).“(2)小明正確操作后，多用電表的指針位置如圖所示，則Rx=”相當于“使用基本的器材獲得數據”(水平2).“(3)小張認為用多用電表測量小電阻誤差太大，采用伏安法測量.測量鉛筆芯的電阻Rx，下列電路圖中最合適的是圖4中(填字母)，多用電表選擇開關應置于擋.”實質上就是“制訂科學探究方案，選用合適的器材獲得數據”(水平4).例4中“(2)用實線代表導線將實驗器材正確連接”初看很難與“科學探究”幾個要素對應，其本質就是“根據實驗目的，設計實驗電路圖”，考慮到題目給出了器材，相當于“他人幫助”，實質上就是“能在他人幫助下制訂科學探究方案，使用基本的器材獲得數據”(水平3).

3 科學探究“解釋”要素的試題舉例及特征分析

【例5】(2010年高考江蘇卷第11題)為了探究受到空氣阻力時，物體運動速度隨時間的變化規律，某同學采用了“加速度與物體質量、物體受力關系”的實驗裝置，如圖7所示.實驗時，平衡小車與木板之間的摩擦力后，在小車上安裝一薄板，以增大空氣對小車運動的阻力.

圖7 “解釋”要素的例5題圖

(1)往砝碼盤中加入一小砝碼，在釋放小車(選填“之前”或“之后”)接通打點計時器的電源，在紙帶上打出一系列的點.

(2)從紙帶上選取若干計數點進行測量，得出各計數點的時間t與速度v的數據如表1所示.

表1 各計數點的時間和速度數據

請根據實驗數據在圖8中作出小車的v-t圖像.

圖8 “解釋”要素的例5 v-t圖坐標紙

(3)通過對實驗結果的分析，該同學認為：隨著運動速度的增加，小車所受的空氣阻力將變大，你是否同意他的觀點？請根據v-t圖像簡要闡述理由.

參考答案：(1)之前；(2)如圖11所示；(3)同意，理由略(見下面分析).

圖9 “解釋”要素的例6題圖

(1)用ΔEp=mgh計算鋼球重力勢能變化的大小，式中鋼球下落高度h應測量釋放時的鋼球球心到之間的豎直距離.

A.鋼球在A點時的頂端

B.鋼球在A點時的球心

C.鋼球在A點時的底端

圖10 “解釋”要素的例6遮光條寬度圖

(3)表2為該同學的實驗結果.

表2 某同學驗證機械能守恒實驗結果

他發現表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認為這是由于空氣阻力造成的.你是否同意他的觀點？請說明理由.

(4)請你提出一條減小上述差異的改進建議.

科學探究“解釋”要素的5級水平表述如下：能對數據進行初步整理(水平1)；能對數據進行整理，得到初步結論(水平2)；能分析數據，發現特點，形成結論，嘗試用已有的物理知識進行解釋(水平3)；能分析發現其中規律，形成合理的結論，用已有的物理知識進行解釋(水平4)；能用多種方法分析數據，發現規律，形成合理的結論，用已有的物理知識進行科學解釋(水平5)[1].

由于科學探究“解釋”類試題中的描述與科學探究“解釋”要素的5級水平表述比較一致，只要仔細分析，便不難確定水平層次.

如例5中(2)“請根據實驗數據作出小車的v-t圖像”需要學生“根據數據描點，并按照趨勢連成平滑曲線，如圖11所示”，因從圖線可得到定性結論，但還沒有“形成結論，嘗試用已有的物理知識進行解釋”，屬于“能對數據進行整理，得到初步結論”(水平2).

圖11 “解釋”要素的例5答案圖

例5中(3)“通過對實驗結果的分析，該同學認為：隨著運動速度的增加，小車所受的空氣阻力將變大，你是否同意他的觀點？請根據v-t圖像簡要闡述理由”需要學生“(1)考慮摩擦力與速度無關并已經被平衡；(2)在運動方向進行受力分析：小車受拉力和空氣阻力；結合v-t圖像分析：速度越大時，加速度越??；結合牛頓第二定律可知小車受到的合力越來越小，說明小車受空氣阻力越大，與高速運動物體更加注重外形流線形設計吻合”，上述解釋分析推理過程清晰和確定，并不存在“嘗試用已有的物理知識進行解釋”(水平3)的情況，屬于“能分析發現其中規律，形成合理的結論，用已有的物理知識進行解釋”(水平4).

例6中(3)“他發現表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認為這是由于空氣阻力造成的.你是否同意他的觀點？請說明理由”，(4)“請你提出一條減小上述差異的改進建議”,需要學生“(1)根據表格數據分析：ΔEk大于ΔEp；(2)根據功能關系分析：若是空氣