創(chuàng)設(shè)真實(shí)問(wèn)題情境 提升科學(xué)思維品質(zhì)
——2021年全國(guó)高考物理試題評(píng)析

黃多智

(貴州省三穗縣民族高級(jí)中學(xué),貴州 黔東南 556500)

為契合《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》建構(gòu)“核心價(jià)值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識(shí)”高考考查內(nèi)容體系目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)“招—考—教—學(xué)”全流程各個(gè)環(huán)節(jié)無(wú)縫銜接、良性互動(dòng)的目標(biāo)，2021年高考物理命題發(fā)生了深刻變化，考題高度源于真實(shí)情境，凸顯思維品質(zhì)的重要地位。[1]

1 原題呈現(xiàn)及評(píng)析

題1(2021年全國(guó)高考甲卷第15題)：“旋轉(zhuǎn)紐扣”是一種傳統(tǒng)游戲。如圖1所示，先將紐扣繞幾圈，使穿過(guò)紐扣的兩股細(xì)繩擰在一起，然后用力反復(fù)拉繩的兩端，紐扣正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)會(huì)交替出現(xiàn)。拉動(dòng)多次后，紐扣繞其中心的轉(zhuǎn)速可達(dá)50 r/s，此時(shí)紐扣上距離中心1 cm處的點(diǎn)，其向心加速度大小約為( )。

圖1

A. 10 m/s2B. 100 m/s2

C. 1 000 m/s2D. 10 000 m/s2

評(píng)析：該題立意很好，所選事例源于生活中的真實(shí)情境，有利于學(xué)生形成物理觀念，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問(wèn)題的習(xí)慣。使學(xué)生看見(jiàn)一個(gè)或者多個(gè)自然現(xiàn)象時(shí)，能夠自覺(jué)地運(yùn)用物理概念、規(guī)律和方法去發(fā)現(xiàn)、描述和解決問(wèn)題，而想要達(dá)到這樣的目的，絕不是“刷題”能夠做到。這要求在日常的教學(xué)實(shí)踐中，做到反復(fù)訓(xùn)練和思考客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系，基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理，能對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性的見(jiàn)解。[2]該考題不足的是：“紐扣游戲”已經(jīng)時(shí)代久遠(yuǎn)，上世紀(jì)七、八十年代出生的人可能熟知，現(xiàn)在的學(xué)生甚至連題中所述的紐扣都未必見(jiàn)過(guò)。即便是在農(nóng)村，用紐扣做這個(gè)游戲的也不多。因此試題命制可以歷史重現(xiàn)但也要兼顧與時(shí)俱進(jìn)，盡量與學(xué)生真實(shí)的生活體驗(yàn)相關(guān)。

溯源：通過(guò)訪談，絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為解決這個(gè)問(wèn)題比較容易，少數(shù)學(xué)生在研究對(duì)象的確定上出現(xiàn)了一定的偏差。這部分學(xué)生認(rèn)為：紐扣的質(zhì)量未知，且整顆紐扣上每點(diǎn)的線速度、角速度及加速度都不一樣，因此不能取紐扣上的一點(diǎn)作為研究對(duì)象。實(shí)際上這樣的事例在人教版高中物理必修2中有相似的描述：一部機(jī)器由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，機(jī)器上的皮帶輪的半徑是電動(dòng)機(jī)皮帶輪半徑的3倍，皮帶與兩輪之間不發(fā)生滑動(dòng)。已知機(jī)器皮帶輪邊緣上一點(diǎn)的向心加速度為0.10 m/s2……[3]

在人教版的這道題里面提到了皮帶輪邊緣上一點(diǎn)的加速度，只要在平時(shí)的教學(xué)中善于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行物理情境的分析，上述問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。

圖2

題2(2021年全國(guó)高考乙卷第18題)：科學(xué)家對(duì)銀河系中心附近的恒星S2進(jìn)行了多年的持續(xù)觀測(cè)，給出1994年到2002年間S2的位置，如圖2所示。科學(xué)家認(rèn)為S2的運(yùn)動(dòng)軌跡是半長(zhǎng)軸約為1 000 AU(太陽(yáng)到地球的距離為1 AU)的橢圓，銀河系中心可能存在超大質(zhì)量黑洞。這項(xiàng)研究工作獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。若認(rèn)為S2所受的作用力主要為該大質(zhì)量黑洞的引力，設(shè)太陽(yáng)的質(zhì)量為M，可以推測(cè)出該黑洞質(zhì)量約為( )。

A. 4×104M

B. 4×106M

C. 4×108M

D. 4×1010M

評(píng)析：這是一道以科學(xué)史實(shí)為背景的試題，考查萬(wàn)有引力定律及相關(guān)知識(shí)。歷年來(lái)，以重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)史料為背景的試題很多，不同之處在于：以往僅僅是以重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)為引子，另外給出經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的物理現(xiàn)象和過(guò)程，通過(guò)抽象概括出物理本質(zhì)，然后建構(gòu)物理模型解決問(wèn)題，還是有較濃的“解題”味道。而本題直接給出科學(xué)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象以及記錄的數(shù)據(jù)，其中關(guān)鍵數(shù)據(jù)“S2的周期約為16年”需要學(xué)生通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)圖的分析與總結(jié)得到，科學(xué)家在進(jìn)行科學(xué)研究的過(guò)程中也常常畫(huà)這樣的簡(jiǎn)圖，物理教學(xué)也普遍地畫(huà)草圖幫助分析。學(xué)習(xí)的效果、思維的品質(zhì)直接決定學(xué)生能否找到圖2中數(shù)據(jù)的特征，從而發(fā)現(xiàn)恒星S2的周期這個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。很明顯，這種操作使得“解決問(wèn)題”的味道更濃，更加接近科學(xué)研究和發(fā)現(xiàn)的實(shí)際。費(fèi)曼指出：物理學(xué)家總認(rèn)為你需要著手的只是：給定如此這般的條件下，會(huì)冒出什么結(jié)果？對(duì)科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分析抽象，收集并基于證據(jù)做出推理判斷、檢驗(yàn)修正等，這些正是“解決問(wèn)題”所需的科學(xué)思維。

在解答本題時(shí)，很多學(xué)生往往局限于文字、所給的數(shù)據(jù)以及圖形呈現(xiàn)的軌跡特征，囿于開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的常數(shù)由中心天體決定的認(rèn)識(shí)，而沒(méi)有辦法使問(wèn)題得到解決。已經(jīng)來(lái)到門(mén)邊卻沒(méi)有進(jìn)去，實(shí)在遺憾。看似一點(diǎn)點(diǎn)的差距，其實(shí)有深刻的內(nèi)涵在其中，值得高中一線教師深思：教學(xué)要改革，要把學(xué)生置于真實(shí)的物理情境中去發(fā)現(xiàn)、描述和解決問(wèn)題。彭前程指出：突出核心素養(yǎng)教育的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該是“思維型教學(xué)”，大致流程是創(chuàng)設(shè)情境、提出問(wèn)題、自主探究、總結(jié)反思、應(yīng)用遷移。[4]可以說(shuō)：高中物理無(wú)情境不教學(xué)。

溯源：圖2是恒星S2的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，它揭示了：(1) 繞其他天體運(yùn)行并不是行星的專利，恒星也可以繞其他天體(比如黑洞)運(yùn)行；(2) S2運(yùn)行的軌跡是橢圓，符合開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)第一定律；(3) S2運(yùn)行的半個(gè)周期是8年(1994年到2002年)，周期是16年。

行星的軌跡圖在教材中也會(huì)有呈現(xiàn)，只是我們?cè)诮虒W(xué)中忙于解題、刷題，遠(yuǎn)離了教材，偏離了根本，人教版高中物理必修2中的“科學(xué)足跡”欄目就展示了火星的逆行軌跡。

對(duì)于物理圖像，學(xué)生可以從斜率、截距、交點(diǎn)、面積等方面探究圖像的物理意義，但是學(xué)生對(duì)實(shí)物場(chǎng)景圖會(huì)感到陌生，這說(shuō)明學(xué)生收集證據(jù)和運(yùn)用證據(jù)的能力不足。隨著高考改革的推進(jìn)，考試命題思想的轉(zhuǎn)變提示我們?cè)诮窈蟮慕虒W(xué)中要將知識(shí)寓于真實(shí)的情境中，要著力培養(yǎng)學(xué)生收集證據(jù)、運(yùn)用證據(jù)，以及基于證據(jù)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、描述問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

題3(2021年全國(guó)高考甲卷第24題)：如圖3所示，一傾角為θ的光滑斜面上有50個(gè)減速帶(圖中未完全畫(huà)出)，相鄰減速帶間的距離均為d，減速帶的寬度遠(yuǎn)小于d；一質(zhì)量為m的無(wú)動(dòng)力小車(chē)(可視為質(zhì)點(diǎn))從距第一個(gè)減速帶L處由靜止釋放。已知小車(chē)通過(guò)減速帶損失的機(jī)械能與到達(dá)減速帶時(shí)的速度有關(guān)。觀察發(fā)現(xiàn)，小車(chē)通過(guò)第30個(gè)減速帶后，在相鄰減速帶間的平均速度均相同。小車(chē)通過(guò)第50個(gè)減速帶后立刻進(jìn)入與斜面光滑連接的水平地面，繼續(xù)滑行距離s后停下。已知小車(chē)與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，重力加速度大小為g。

圖3

(1) 求小車(chē)通過(guò)第30個(gè)減速帶后，經(jīng)過(guò)每一個(gè)減速帶時(shí)損失的機(jī)械能；

(2) 求小車(chē)通過(guò)前30個(gè)減速帶的過(guò)程中在每一個(gè)減速帶上平均損失的機(jī)械能；

(3) 若小車(chē)在前30個(gè)減速帶上平均每一個(gè)損失的機(jī)械能大于之后每一個(gè)減速帶上損失的機(jī)械能，則L應(yīng)滿足什么條件？

評(píng)析：小車(chē)現(xiàn)在已經(jīng)是普遍的家庭交通工具，小車(chē)經(jīng)過(guò)減速帶也是大家習(xí)以為常的事情。本題以小車(chē)通過(guò)減速帶為背景提出問(wèn)題讓學(xué)生解答，符合《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出的要求：“創(chuàng)新試題形式，加強(qiáng)情境設(shè)計(jì)，注重聯(lián)系社會(huì)生活實(shí)際，增加綜合性、開(kāi)放性、應(yīng)用性、探究性試題”。近幾年高考卷第24題的難度都不大，情境簡(jiǎn)單，問(wèn)題淺顯，都是基本概念、基本規(guī)律和基本方法的直接運(yùn)用，不需要太多計(jì)算和思考，較易解決。在2021年，無(wú)論是甲卷還是乙卷，這樣的題幾乎沒(méi)有。依靠“刷題”提高學(xué)習(xí)成績(jī)的做法十分被動(dòng)，高考試題的變化使大多數(shù)師生感到不適，認(rèn)為物理題太難。從2021年的考卷來(lái)看，尤其是甲卷，情境新穎、計(jì)算量大、信息豐富，對(duì)思維品質(zhì)要求很高。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版，2020年修訂)》《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》等綱領(lǐng)性文件對(duì)此已經(jīng)提出明確要求，只是我們研究得多，落實(shí)得少，復(fù)習(xí)依舊是依靠大量教輔資料。

考后，筆者對(duì)部分學(xué)生進(jìn)行了訪談，結(jié)果表明題目做錯(cuò)有以下原因：一是直接把這道題當(dāng)成通過(guò)連續(xù)相等位移的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題來(lái)處理；二是文字理解力差，弄不清物理情境，找不到隱含的物理量之間的關(guān)系。總是按照“刷題”的老套路思考，其結(jié)果是問(wèn)題理解不清，自然也就沒(méi)有辦法解決。從本質(zhì)上講，本題考查了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，學(xué)生往往忽視這些不是具體的公式、等式、圖表的問(wèn)題，不習(xí)慣于解決這類問(wèn)題。恰恰這又是實(shí)際的問(wèn)題：小車(chē)經(jīng)過(guò)減速帶有能量損失，動(dòng)能(速度)減小；經(jīng)過(guò)減速帶后又加速，動(dòng)能(速度)增加，小車(chē)通過(guò)第30個(gè)減速帶后，在相鄰減速帶間的平均速度均相同。

2 新高考應(yīng)對(duì)策略

2.1 淡化考點(diǎn)意識(shí)，提升關(guān)鍵能力

過(guò)去有考綱作參考，題型及試題難度都比較容易把握，教輔資料也能根據(jù)考綱做出相應(yīng)變化，應(yīng)對(duì)自如。現(xiàn)在，考試以課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，不再發(fā)布考綱，試題命制的變數(shù)在增加，教輔資料一時(shí)也難以追蹤。在這樣的背景下，教師應(yīng)該自覺(jué)淡化考點(diǎn)意識(shí)，認(rèn)真研讀課程標(biāo)準(zhǔn)、教材等，深刻領(lǐng)會(huì)，勤于實(shí)踐。圍繞學(xué)科關(guān)鍵能力和科學(xué)思維的提升，切實(shí)從帶領(lǐng)學(xué)生研究考題向研究問(wèn)題轉(zhuǎn)變，從研究題型向研究現(xiàn)象轉(zhuǎn)變。以學(xué)習(xí)陪伴者的身份啟迪學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象、物理過(guò)程中的問(wèn)題，描述并解決問(wèn)題。

2.2 創(chuàng)設(shè)真實(shí)物理情境，促使學(xué)生從被動(dòng)解答問(wèn)題向主動(dòng)解決問(wèn)題轉(zhuǎn)變

創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物理情境不僅僅是在實(shí)驗(yàn)室，更多的要走入社會(huì)大課堂，進(jìn)工廠、到高校、深入田地原野之間。到這些地方去體驗(yàn)真實(shí)的情境，反復(fù)分析、總結(jié)，找出物理本質(zhì)，找到問(wèn)題解決的辦法，同時(shí)增強(qiáng)情感體驗(yàn)，使學(xué)生得到“教育性發(fā)展”。過(guò)去學(xué)生做試卷、做實(shí)驗(yàn)都是被動(dòng)的，設(shè)計(jì)好的，過(guò)程中沒(méi)有意外，完成任務(wù)就是完美。可是一到實(shí)際中去，千變?nèi)f化、千頭萬(wàn)緒，學(xué)生眼花繚亂，不知道從何入手，一撂撂試卷堆疊得來(lái)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)派不上用場(chǎng)。比如2021年的甲卷第24題、乙卷第18題等，學(xué)生感到很難就是這個(gè)原因。在真實(shí)的情境中，學(xué)生從物理學(xué)視角，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)現(xiàn)象及過(guò)程進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)“第二次翻轉(zhuǎn)”。透過(guò)此類知識(shí)的學(xué)習(xí)，“見(jiàn)到”“體驗(yàn)到”那些“不可言說(shuō)”“不可分析”“只可意會(huì)不可言傳”的存在。[5]這使得學(xué)生從已有的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)水平出發(fā)，簡(jiǎn)約地經(jīng)歷人類發(fā)現(xiàn)與建構(gòu)知識(shí)的過(guò)程，形成物理觀念，提升科學(xué)思維等能力。