基于“四層”“四翼”的新高考物理試題情境化評析
——以2022年“3+1+2”新高考8省市為例

史載天 李貴安 樊 瓊 杜西安

(1. 西安市第七十一中學,陜西 西安 710054; 2. 陜西師范大學物理學與信息技術學院,陜西 西安 710119)

2019年12月19日,教育部考試中心正式發布了《中國高考評價體系》.這一新評價體系明確了新高考改革下的評價內涵:由“一核”“四層”“四翼”組成.“一核”是高考的核心功能,即“立德樹人、服務選才、引導教學”;“四層”為高考的考查內容,即“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識”;“四翼”為高考的考查要求,即“基礎性、綜合性、應用性、創新性”.[1]

教育部一同發布的《中國高考評價體系說明》中將“情境”定義為“高考評價體系中的考查載體”.《普通高中物理課程標準》(2020年修訂版)也明確提出,教師應將物理知識與真實情境相結合,真正實現學生物理核心素養的提升.這與“四層”“四翼”的評價要求首尾呼應.因此對于眾多即將面臨新高考省份的一線教師,能否熟悉新高考物理試題情境化的特點就尤為重要.

截至2023年,有15個省份的“3+1+2”新高考還未整體落地實施,但已近在咫尺,其中吉林等7省區于2024年正式落地,陜西等8省區于2025年落地,新疆和西藏地區暫未公布改革方案.因此已平穩落地的“3+1+2”新高考8省市的高考試題更加具有可分析性與借鑒性.本文基于“四層”“四翼”兩個一級評價維度對2022年“3+1+2”新高考的8省市物理試題情境化特點進行分析,并對情境化特征進行分類對比,為一線物理教師的教學提供有益參考.

1 基于“四層”“四翼”試題分析

1.1 “四層”考查內容統計分析

對2022年“3+1+2”新高考8省市的物理試題考查內容進行歸屬統計,統計結果如表1及表2所示.通過兩表可以看出,8省市考查內容的共同點主要集中在運動學規律、牛頓運動定律、功能關系和動量守恒定律等力學知識上.從選擇性必修內容上看,表1中的4省沒有延續“老高考”的框架,而是將選修內容穿插在前面的試題之中,尤其是湖北省的第14題,依托水族館情境將光學考查內容與平拋運動融合,進一步突出了“新高考”的改革特點及“四層”中學科素養的評價體現.

表1 4省試題必備知識考查統計表

表2 其余4省市必備知識考查統計表

表2中的4省市在選擇性必修部分上與表1的4省有較大區別.這些省份繼續將熱學與光學部分單列成選擇性題目,學生可以任意從兩個中挑選一個題目作答即可.從表面上看,有選擇性可以降低難度,但通過對比題目自身難度,表2中的4省市,其情境與知識的融合度更高,且對數學能力有著更高要求,體現了“四層”中關鍵能力的評價內涵.

基于“四層”中剩余的“核心價值”“學科素養”及“關鍵能力”對8份試題進行頻次統計分析.首先對這3個一級維度下的二級維度分別進行編碼,如表3所示.

表3 “四層”二級維度編碼表

8個省份的題目數量不盡相同,因此在對二級維度進行統計時,用頻次與總數比值的百分數進行對比,結果如圖1所示.從圖中能夠簡單看出在部分維度下,8省之間存在較大區別.

圖1 8省市核心價值、學科素養、關鍵能力考查頻率統計圖

在“核心價值”維度中,8省市考查頻率最高的是“世界觀和方法論”,基本達到80%以上.該方面要求學生掌握馬克思主義世界觀、堅持唯物辯證方法論、對待實際問題能夠理論聯系實際,透過現象直達本質.例如,遼寧省第2題、福建省第8、13題以及河北省第3題等皆以我國科技前沿、大國體育及全球生態環境貢獻等領域為情境,增強中國特色社會主義道路自信、文化自信,培養愛國主義情懷,彰顯了“核心價值”的方向引領作用.

在“學科素養”考查中,8省市的差異化在“實踐探索”維度較為明顯,除江蘇省只有一道實驗題以外,其余7省市為兩道題.其中在考查研究探索和語言表達方面,重慶、湖南和廣東3省尤為重視,體現在將實踐探索的情境融合在其他題目中,需要學生合理組織和調動相關知識與能力,探究情境與物理模型之間的聯系,提出新視角從而尋求解決實際問題的有效方法.考查頻次最多的主要還是“思維方法”,要求學生從人文、科學與創新3個角度提升思維能力,能夠對人文情境進行多元化、關聯化、層次構造化分析;能對問題之間的聯系運用抽象與聯想、歸納與概括等方法來解決;能綜合運用相關知識與能力對開放性的問題情境提出新視角、新觀點,例如湖南省第5題,要求學生從新穎情境中提取物理模型,從而解決實際問題.

在“關鍵能力”考查中,頻率最高的是“推理論證”,物理學科作為一切自然科學的基礎,邏輯推理能力必不可缺.在“信息采集與理解”和“模型建構”維度,8省市有部分區別,例如福建省較為注重考查學生能否客觀、全面地從大量文字中獲取相關信息,并能夠從情境中提取暗含的有效信息.湖北省則更注重學生能否從復雜情境中準確描述和概括模型特征及其相互關系,如第9、14及16題.

1.2 “四翼”考查要求統計分析

基于“四翼”考查要求對8省市試題情境化進行統計分析,分析內容依據3個方向:依據《中國高考評價體系說明》將情境定為考查載體,并分為生活實踐與學習探索兩類情境;依據情境與知識的關聯性強度分為組合式情境、結合式情境與融合式情境;[2]依據“四翼”考查要求,分為基礎性、綜合性、應用性及創新性.統計結果如表4所示,表中數據為對應的試題頻數.

表4 基于“四翼”考查要求的情境化統計分析表

通過表4可以得出,湖南、重慶、廣東3省市相較于其他5省側重于將生活實踐情境與試題融合,例如采用北京冬奧會體育項目、“冰墩墩”文化及“神舟十三號”航空航天事業等情境,且與試題內容的融合方式也更偏向結合式與融合式,多數反映“應用性”和“創新性”的考查要求.對于“基礎性”與“綜合性”的考查多通過學習探索的情境來完成,例如電飯煲內部結構與電路構成、板塊碰撞與能量分析以及氣缸隔板與阻尼問題等.

從8省市均值上看,生活實踐情境與學習探索情境數量幾乎持平.融合式的情境化方式也超過了結合式.“四翼”考查要求中以“綜合性”和“應用性”居多,但“創新性”相較于同年全國乙卷已有較大提升.因此新高考改革后的試題具有明顯加強生活實踐情境與知識體系的創新性融合.

2 情境化特點分析

2.1 “組合式”情境彰顯大國自信與擔當

在8省市的試題中,組合式情境占比較少,問題來源于情境卻不依賴于情境,但在加強課程思政背景下,“組合式”可以滿足創設科技前沿事業情境的同時考查基礎性內容,彰顯強國自信的同時也注重了核心價值的塑造.典型例題如遼寧省第3題.

(C)E=(m1+m2+m3)c2.

(D)E=(m1+m2-m3)c2.

評析:本題以中國錦屏深地實驗室的核天體物理研究成果為情境,使考生認識到我國核天體物理研究的國際地位,增強了民族自信感.考生需要通過題目中給出的核反應方程式,利用核反應中質量數和電荷數守恒,得出X的質量數為3,電荷數為1,為氚核.再根據質能方程以及質量虧損釋放能量計算出整體反應釋放的能量表達式.該情境素材的選取為2022年所創造的成就,時代性較強,凸顯了核心價值的培養.

2.2 “結合式”情境注重問題解決與應用

“結合式”情境在8省市試題中占比較高,平均可達到近7題的數量.在本情境中,問題來源于情境且需依據情境內容解決,問題常來源于較為復雜的物理結構,考生需要對情境的文字描述進行理解,對有效的信息進行提取加工,再將復雜的物理結構與已知的常用物理模型相結合,從而分析求解.“結合式”可以滿足考查解決實際問題能力的同時考查綜合性知識,突出物理學科的實用價值,培養了科學思維的物理核心素養.[3]典型例題如福建省第8題.

例2.(福建省第8題)我國霍爾推進器技術世界領先,其簡化的工作原理如圖2所示.放電通道兩端電極間存在一加速電場,該區域內有一與電場近似垂直的約束磁場(未畫出)用于提高工作物質被電離的比例.工作時,工作物質氙氣進入放電通道后被電離為氙離子,再經電場加速噴出,形成推力.某次測試中,氙氣被電離的比例為95%,氙離子噴射速度為1.6×104m/s,推進器產生的推力為80 mN.已知氙離子的比荷為7.3×105C/kg;計算時,取氙離子的初速度為0,忽略磁場對離子的作用力及粒子之間的相互作用,則

圖2 例2題圖

(A) 氙離子的加速電壓約為175 V.

(B) 氙離子的加速電壓約為700 V.

(C) 氙離子向外噴射形成的電流約為37 A.

(D) 每秒進入放電通道的氙氣質量約為5.3×10-6kg.

評析:本題以我國霍爾推進器技術為情境,需要考生對題目中所描述的工作原理進行分析加工.“有一與電場近似垂直的約束磁場”會對考生有混淆視聽的作用,考生需理解氙氣是經過部分電離、加速再噴出從而形成推力的過程,整個情境涉及電勢能與動能的能量轉化,涉及動量定理的應用以及電流與電荷的關系,融合了高中物理的幾大模塊,對考生的物理思維能力有較高要求.此外,還需注意95%的電離比例以及單位換算,對數學運算也有一定要求.從該“結合式”情境可以明顯看出,新高考改革后的物理試題不會再大量使用常見的“物塊”“小球”等模型,而是會從實際問題出發,需將公式定理靈活地運用在情境中,注重考查學生問題解決與應用的能力.

2.3 “融合式”情境突出設計理念與創新

通過上文表4能夠得出,8省市試題中“融合式”情境的題目均值達到了7個以上,已經超過“結合式”情境.這個是近5年內全國卷所達不到的結果(全國卷指還未參加新高考的省份物理試題).“融合式”情境化試題是將情境與知識融合在一起,情境的描述即為物理探究過程或物理模型的自身描述,且多數為復雜陌生的設計或探索情境,需要考生具有信息物理化的高階認知能力.因此能夠看出,新高考改革后的試題情境更加突出設計理念與創新思維.設計理念的典型例題主要由實驗題承擔,創新思維的典型例題如湖南省第18題.

例3.(湖南省第18題)如圖3所示,某種防窺屏由透明介質和對光完全吸收的屏障構成,其中屏障垂直于屏幕平行排列,可實現對像素單元可視角度θ的控制(可視角度θ定義為某像素單元發出的光在圖示平面內折射到空氣后最大折射角的2倍).透明介質的折射率n=2,屏障間隙L=0.8 mm.發光像素單元緊貼屏下,位于相鄰兩屏障的正中間.不考慮光的衍射.

圖3 例3題圖

(1) 若把發光像素單元視為點光源,要求可視角度θ控制為60°,求屏障的高度d;

(2) 若屏障高度d=1.0 mm,且發光像素單元的寬度不能忽略,求像素單元寬度x最小為多少時,其可視角度θ剛好被擴為180°(只要看到像素單元的任意一點,即視為能看到該像素單元).

評析:本題以智能手機所常用的防窺屏為情境,通過對防窺屏的設計思路理解和分析,將真實的問題式情境與光的知識融為一體.考生需要先理解防窺屏所對應的物理模型,進而理解題目中給出可視角度的定義,通過改變屏幕發光像素單元的大小與所要求的防窺設計角度,提取有效的數字信息,運用推理論證的方法解決問題.本題的情境選取具有時代發展意義,在智能手機已經普及的今天,保護個人信息的防窺屏應運而生.它反映了信息時代需要探索研究的方向,同時體現了一定的設計理念和創新思維,因此“融合性”情境題目的增多會是改革的方向之一.

3 教學啟示

3.1 融入課程思政元素,提升物理興趣

2014年至今,“課程思政”已成為落實立德樹人根本任務的強勁引擎,且新高考改革實施至今,是否有足夠比例的學生選擇物理學科作為高考科目將對我國未來科學技術的發展有決定性的作用.因此在創設情境時可融入課程思政元素,培養家國情懷的同時恰好可提升物理學習興趣.[4]物理學科覆蓋面大、包容性廣、科學性強,教師可以立足實驗,將傳統優秀文化與馬克思主義理論融入實驗課程設計中;教師也可致敬先輩,將中國特色物理學史融入課堂教學中.巴甫洛夫曾說,“科學沒有國界,科學家卻有國界”,分享像錢學森這樣的愛國科學家故事,增強民族自信與學習動機;還可進行物理科普,依托智能化時代技術加深課程思政理念的融入.

3.2 提供豐富情境素材,增長物理見識

豐富的物理情境其實就在我們身邊,“處處留心皆學問”.教師可將與本節知識相關的豐富情境融入課堂教學中,不再以絕對的物理模型化情境進行講解.課堂之外教師更加可以豐富物理學科活動,依托物理學科節、社團等活動形式,觀察并思考身邊的物理現象,增長學生的物理情境見識,以此使學生在遇到需要解決實際復雜情境的問題時能夠游刃有余.

3.3 創造實踐探索機會,培養創新思維

教師在提供豐富物理情境的同時,再為學生創造實踐探究情境的機會,加強學生對情境與實際問題融合的深度理解能力,例如設計改裝電表、三級火箭等.對于智能化探索的“融合式”情境,可以使用Geogebra、Phyphox等智能終端軟件輔助教學,培養學生的創新思維,增強了信息采集、加工處理能力,在面對“融合式”情境問題時,能夠具有高階的綜合運用能力.

4 結語

新高考改革在全國推行已成大勢所趨,高考試題情境化也在逐步推進,因此教師能否使學生將知識、情境及問題有機統一起來就尤為重要.本文依據 “四層”“四翼”兩個角度對2022年“3+1+2”新高考的8省市物理試題情境化特點進行分析,并對情景化特征進行分類對比,為一線物理教師同行的教學提供有益教學策略,以期積極從容地應對新高考改革帶來的變化.