物理試題體現(xiàn)科學(xué)探究有關(guān)核心素養(yǎng)要求的舉例與分析*

方潤根

(杭州學(xué)軍中學(xué) 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(xué) 浙江 寧波 315300)

2020年浙江省已經(jīng)啟用依據(jù)新課標(biāo)編寫的教材，如何考查核心素養(yǎng)？以前的試題中是否比較全面地考查了核心素養(yǎng)?我們?cè)谡憬〗逃龔d教研室“高中物理核心素養(yǎng)考查研究課題組”對(duì)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(chǔ)上，根據(jù)科學(xué)探究素養(yǎng)的5個(gè)水平劃分，列舉了科學(xué)探究各要素的部分試題，分析了考查水平.

1 科學(xué)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(jù)照片展示的情景提出兩個(gè)與物理知識(shí)有關(guān)的問題(所提出的問題可以涉及力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、原子物理學(xué)等各個(gè)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(duì)地球是運(yùn)動(dòng)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(jìn)行聯(lián)系的？)

【例2】(2020年高考全國理綜卷Ⅱ第9題)一細(xì)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(shí)驗(yàn)小組用此裝置測(cè)量小球B運(yùn)動(dòng)的加速度.

圖2 “問題”要素的例2題圖

令兩小球靜止，細(xì)繩拉緊，然后釋放小球，測(cè)得小球B釋放時(shí)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(shí)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(shù)字).從實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)得知，小球A和B的質(zhì)量分別為100.0 g和150.0 g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮=9.80 m/s2.根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算可得小球B加速度的大小a′=___________m/s2(保留3位有效數(shù)字).

可以看出，a′與a有明顯差異，除實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差外，寫出一條可能產(chǎn)生這一結(jié)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(zhì)量).

科學(xué)探究“問題”要素的5級(jí)水平表述如下：具有問題意識(shí)(水平1)；能觀察物理現(xiàn)象，提出物理問題(水平2)；能分析物理現(xiàn)象，提出可探究的物理問題，作出初步的假設(shè)(水平3)；能分析相關(guān)事實(shí)或結(jié)論，提出并準(zhǔn)確表述可探究的物理問題，作出有依據(jù)的假設(shè)(水平4)；能面對(duì)真實(shí)情境，從不同角度提出并準(zhǔn)確表述可探究的物理問題，作出科學(xué)假設(shè)(水平5)[1].例1中的“根據(jù)照片的情景提出兩個(gè)與物理知識(shí)有關(guān)的問題”屬于“觀察物理現(xiàn)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(shí)驗(yàn)中的偶然誤差外，寫出一條可能產(chǎn)生這一結(jié)果的原因：.”這一結(jié)果不能通過推理、論證等思維來得到，其本質(zhì)是考查問題(假設(shè))素養(yǎng)，等同于“a′與a有明顯差異，除實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差外，你想到的問題有哪些？有何猜想(假設(shè))？”屬于“能分析物理現(xiàn)象，提出可探究的物理問題，作出初步的假設(shè)(水平3)”.

2 科學(xué)探究“證據(jù)”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(cè)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(guān)旋轉(zhuǎn)到交流電壓最高擋

B.調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕使指針指到歐姆零點(diǎn)

C.把紅、黑表筆分別接在Rx兩端，然后讀數(shù)

D.把選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(jù)”要素的例3電表讀數(shù)

(3)小張認(rèn)為用多用電表測(cè)量小電阻誤差太大，采用伏安法測(cè)量.

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材如下：電源(電動(dòng)勢(shì)3 V，內(nèi)阻可忽略)，電壓表(量程3 V，內(nèi)阻約為3 kΩ)，多用電表(2.5 mA擋、25 mA擋和250 mA擋，對(duì)應(yīng)的內(nèi)電阻約為40 Ω，4 Ω和0.4 Ω)，滑動(dòng)變阻器RP(0～10 Ω)，定值電阻R0(阻值10 Ω)，開關(guān)及導(dǎo)線若干.

測(cè)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(guān)應(yīng)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(jì)，A和B為兩個(gè)圓柱形電極，P是木板，C和D為兩個(gè)探針，S為開關(guān).現(xiàn)用上述實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行“用描跡法畫出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn).

圖5 “證據(jù)”要素的例4題圖

(1)木板P上有白紙、導(dǎo)電紙和復(fù)寫紙，最上面的應(yīng)該是紙；

(2)用實(shí)線代表導(dǎo)線將實(shí)驗(yàn)器材正確連接.

參考答案：(1)導(dǎo)電紙；(2)如圖6所示.

圖6 “證據(jù)”要素的例4圖答案

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

例3中“(1)小明用多用電表測(cè)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(jīng)給出，但如何合理排序還需要自己思考，相當(dāng)于“在他人幫助下制訂科學(xué)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(dāng)于“使用基本的器材獲得數(shù)據(jù)”(水平2).“(3)小張認(rèn)為用多用電表測(cè)量小電阻誤差太大，采用伏安法測(cè)量.測(cè)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(guān)應(yīng)置于擋.”實(shí)質(zhì)上就是“制訂科學(xué)探究方案，選用合適的器材獲得數(shù)據(jù)”(水平4).例4中“(2)用實(shí)線代表導(dǎo)線將實(shí)驗(yàn)器材正確連接”初看很難與“科學(xué)探究”幾個(gè)要素對(duì)應(yīng)，其本質(zhì)就是“根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖”，考慮到題目給出了器材，相當(dāng)于“他人幫助”，實(shí)質(zhì)上就是“能在他人幫助下制訂科學(xué)探究方案，使用基本的器材獲得數(shù)據(jù)”(水平3).

3 科學(xué)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(shí)，物體運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，某同學(xué)采用了“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖7所示.實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(duì)小車運(yùn)動(dòng)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(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，在紙帶上打出一系列的點(diǎn).

(2)從紙帶上選取若干計(jì)數(shù)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得出各計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間t與速度v的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 各計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間和速度數(shù)據(jù)

請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(biāo)紙

(3)通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，該同學(xué)認(rèn)為：隨著運(yùn)動(dòng)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(diǎn)？請(qǐng)根據(jù)v-t圖像簡(jiǎn)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(jì)算鋼球重力勢(shì)能變化的大小，式中鋼球下落高度h應(yīng)測(cè)量釋放時(shí)的鋼球球心到之間的豎直距離.

A.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的頂端

B.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的球心

C.鋼球在A點(diǎn)時(shí)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(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

表2 某同學(xué)驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

他發(fā)現(xiàn)表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認(rèn)為這是由于空氣阻力造成的.你是否同意他的觀點(diǎn)？請(qǐng)說明理由.

(4)請(qǐng)你提出一條減小上述差異的改進(jìn)建議.

科學(xué)探究“解釋”要素的5級(jí)水平表述如下：能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理(水平1)；能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到初步結(jié)論(水平2)；能分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)特點(diǎn)，形成結(jié)論，嘗試用已有的物理知識(shí)進(jìn)行解釋(水平3)；能分析發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律，形成合理的結(jié)論，用已有的物理知識(shí)進(jìn)行解釋(水平4)；能用多種方法分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，形成合理的結(jié)論，用已有的物理知識(shí)進(jìn)行科學(xué)解釋(水平5)[1].

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

如例5中(2)“請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出小車的v-t圖像”需要學(xué)生“根據(jù)數(shù)據(jù)描點(diǎn)，并按照趨勢(shì)連成平滑曲線，如圖11所示”，因從圖線可得到定性結(jié)論，但還沒有“形成結(jié)論，嘗試用已有的物理知識(shí)進(jìn)行解釋”，屬于“能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到初步結(jié)論”(水平2).

圖11 “解釋”要素的例5答案圖

例5中(3)“通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，該同學(xué)認(rèn)為：隨著運(yùn)動(dòng)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(diǎn)？請(qǐng)根據(jù)v-t圖像簡(jiǎn)要闡述理由”需要學(xué)生“(1)考慮摩擦力與速度無關(guān)并已經(jīng)被平衡；(2)在運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行受力分析：小車受拉力和空氣阻力；結(jié)合v-t圖像分析：速度越大時(shí)，加速度越小；結(jié)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(yùn)動(dòng)物體更加注重外形流線形設(shè)計(jì)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(shí)進(jìn)行解釋”(水平3)的情況，屬于“能分析發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律，形成合理的結(jié)論，用已有的物理知識(shí)進(jìn)行解釋”(水平4).

例6中(3)“他發(fā)現(xiàn)表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認(rèn)為這是由于空氣阻力造成的.你是否同意他的觀點(diǎn)？請(qǐng)說明理由”，(4)“請(qǐng)你提出一條減小上述差異的改進(jìn)建議”,需要學(xué)生“(1)根據(jù)表格數(shù)據(jù)分析：ΔEk大于ΔEp；(2)根據(jù)功能關(guān)系分析：若是空氣