例談高考試題對中學物理教學的反饋作用
——以2022年高考全國甲、乙卷物理試題為例

江西 許冬保

?中國高考評價體系?(以下簡稱?評價體系?)指出,高考的考查目的是“立德樹人、服務選才、引導教學”。它是對素質教育中高考核心功能的高度概括,回答“為什么考”的問題。2022年全國高考理綜物理試題,高度契合高中課程改革的培養目標和評價目標。試題在完成選拔任務的同時,對基礎教育具有重要的反饋作用,本文試淺談之。

1 以我國科研成果為載體,引導關注現代社會

【例1】(2022·全國乙卷·14)2022 年3 月,中國航天員翟志剛、王亞平、葉光富在離地球表面約400km 的“天宮二號”空間站上通過天地連線,為同學們上了一堂精彩的科學課。通過直播畫面可以看到,在近地圓軌道上飛行的“天宮二號”中,航天員可以自由地漂浮,這表明他們 ( )

A.所受地球引力的大小近似為零

B.所受地球引力與飛船對其作用力兩者的合力近似為零

C.所受地球引力的大小與其隨飛船運動所需向心力的大小近似相等

D.在地球表面上所受引力的大小小于其隨飛船運動所需向心力的大小

【分析評價】試題考查對萬有引力定律的簡單應用,主要考查學生的理解能力。航天員在空間站中所受地球引力提供其做圓周運動所需的向心力。因此,引力等于向心力。然而試題選項C中,為何出現“近似”二字?

(1)地球并非是嚴格意義下的慣性參考系。航天員除受地球引力作用外,還需考慮慣性離心力。

(2)“天宮二號”所受地球引力大小及其運行速率均會發生擾動,并非恒定值。

(3)由于“天宮二號”離地面約400km,除受到引力外,還會受到非引力作用。如地球周圍殘余大氣的阻力、太陽光的壓力等。實際中的航天員是處于微重力環境。

【反饋作用】試題以航天員在“天宮二號”中漂浮為情境,考查對航天器中失重現象本質的理解,展示我國在航空航天領域取得的重大成果,增強學生的民族自信心和自豪感。試題難度雖小,但文字表述嚴謹,符合學科的特點。教學反饋作用主要表現為,在中學教學中,堅持立德樹人,引導學生關注現代社會、科技發展取得的成就,特別是我國所取得的重大科研成果;對物理概念與規律的教學,要堅持理論性與實踐性、基礎性與嚴謹性相統一的教學策略。

2 以演示實驗情境為載體,滲透重視實驗教學

【例2】(2022·全國甲卷·24)將一小球水平拋出,使用頻閃儀和照相機對運動的小球進行拍攝,頻閃儀每隔0.05s發出一次閃光。某次拍攝時,小球在拋出瞬間頻閃儀恰好閃光,拍攝的照片編輯后如圖1 所示。圖1 中的第一個小球為拋出瞬間的影像,每相鄰兩個球之間被刪去了3個影像,所標出的兩個線段的長度s1和s2之比為3∶7。重力加速度大小取g＝10m/s2,忽略空氣阻力。求在拋出瞬間小球速度的大小。

圖1

【分析評價】試題以頻閃照片為載體,考查對平拋運動規律的應用。學生可在水平方向與豎直方向建立相關方程求解。設計實踐探索情境,有利于體現對學生的模型建構、推理論證以及實驗探究等關鍵能力的考查。

【反饋作用】該題以實驗為背景創設問題情境,體現了實踐應用能力考查的廣度。試題提供了使用頻閃儀和照相機探究平拋運動初速度的思路,引導學生關注實驗操作,理解技術發展對物理學的作用,滲透實驗教學的意義。再如全國乙卷第18題,由智能手機中的磁傳感器測量某地磁感應強度,要求學生根據題中給出的測量結果論證測量地點、地磁場方向等,讓學生體會科學技術對生活和學習的影響,有利于提升學生對物理實驗探究的興趣,發展學生的證據意識,突出實驗的教學功能和教學價值。

3 以競賽類試題情境為載體,顯化科學方法教育

【例3】(2022·全國甲卷·18)空間存在著勻強磁場和勻強電場,磁場的方向垂直于紙面(xOy平面)向里,電場的方向沿y軸正方向。一帶正電的粒子在電場和磁場的作用下,從坐標原點O由靜止開始運動。下列四幅圖中,可能正確描述該粒子運動軌跡的是 ( )

【分析評價】試題考查帶電粒子在復合場中的運動,主要考查“科學思維”學科素養中的科學推理、科學論證以及“物理觀念”中的運動與相互作用觀念、能量觀念。試題涉及受力情況、運動情況以及功能關系的分析,滲透等效思想方法,要求學生有較強的分析、推理能力。

【反饋作用】試題所述情境為物理競賽中的常規問題情境。一般采用平衡電場力與重力的方法,要求掌握運動合成與分解的思想方法。將帶電粒子的運動等效為勻速圓周運動與勻速直線運動的合運動,軌跡線是滾輪線。若電場力大于重力,可能的軌跡線如圖2甲、乙所示;若電場力小于重力,可能的軌跡線如圖2丙、丁所示。在中學數學課程中,學生已學習滾輪線,因此,學生理解試題的難度不大。從物理科學方法的視角分析,試題涉及定性或半定量分析方法、數學方法及等效轉換方法等,以科學方法的應用考查學科關鍵能力,是高考命題的基本思想。教學中需通過滲透或顯化的方式達到科學方法教育的目的。

圖2

4 以?課程標準?為命題導向,遵循?評價體系?

【例4】[2022·全國甲卷·33(2)]如圖3所示,容積均為V0、缸壁可導熱的A、B兩汽缸放置在壓強為p0、溫度為T0的環境中;兩汽缸的底部通過細管連通,A汽缸的頂部通過開口C與外界相通:汽缸內的兩活塞將缸內氣體分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四部分,其中第Ⅱ、Ⅲ部分的體積分別為和。環境壓強保持不變,不計活塞的質量和體積,忽略摩擦。

圖3

(1)將環境溫度緩慢升高,求B汽缸中的活塞剛到達汽缸底部時的溫度;

(2)將環境溫度緩慢改變至2T0,然后用氣泵從開口C向汽缸內緩慢注入氣體,求A汽缸中的活塞到達汽缸底部后,B汽缸內第Ⅳ部分氣體的壓強。

【分析評價】試題考查氣體實驗定律及一定質量理想氣體狀態方程的應用。問題(2),研究Ⅱ、Ⅲ兩部分氣體及Ⅳ部分氣體。設當A中的活塞到達汽缸底部時Ⅳ中氣體的壓強為p,此時氣體體積為V,則Ⅱ、Ⅲ兩部分氣體被壓縮的體積為V0－V,則對Ⅱ、Ⅲ兩部分氣體及氣體Ⅳ,根據一定質量的理想氣體狀態方程得

本題研究對象多,氣體狀態的確定容易出現錯誤,但該題整體難度不大。

【反饋作用】該題為選考試題,對教學有何影響呢? 該題的出現可能具有重要意義。眾所周知,以三維課程目標為課程改革方向的高考新課程卷,始于2007 年寧夏卷,在2007—2021這15年里,教育部考試中心命制的全國新課程高考卷、新課程高考Ⅰ卷、Ⅱ卷、Ⅲ卷以及近年的甲卷、乙卷,長期堅持考查氣體的3個實驗定律,從未考查一定質量的理想氣體狀態方程。在一定程度上控制了試題的難度。2019年后?普通高中物理課程標準(2017 年版2020 年修訂)?(以下簡稱?課程標準?)替代了?普通高等學校招生全國統一考試大綱?(以下簡稱?考試大綱?),2020年、2021年仍然堅持以往的命題風格,試題未超出?考試大綱?范圍。2022年試題的變化表明,今后命題不再受制于過去的?考試大綱?,以?課程標準?及?評價體系?為根本依據,將是今后一段時間高考命題的指導思想,這對物理教學具有重要的導向作用。

5 以創新設問方式為依托,引導教學回歸本質

【例5】(2020·全國乙卷·22)用雷達探測一高速飛行器的位置。從某時刻(t＝0)開始的一段時間內,該飛行器可視為沿直線運動,每隔1s測量一次其位置,坐標為x,結果如下表所示:

回答下列問題:

(1)根據表中數據可判斷該飛行器在這段時間內近似做勻加速運動,判斷的理由是:________________________;

(2)當x＝507m時,該飛行器速度的大小v＝_______m/s;

(3)這段時間內該飛行器加速度的大小a＝_________m/s2(保留2位有效數字)。

【分析評價】類比紙帶實驗,求速度及加速度屬于常規問題,但該題的亮點在于勻加速運動的判據。即通過分析與計算可知,相鄰1s內飛行器運動的位移之差接近Δx＝80m。由此可判斷在誤差允許范圍內,飛行器做勻加速運動。

【反饋作用】試題為教材中“研究勻變速運動”實驗的再現。多年來,該類試題主要考查實驗數據的獲取及處理,如對給出的紙帶按要求編號以及測量計數點間的距離,考查學生的測量及分析數據的能力等。該題設問巧妙,考查學生的證據意識、逐差法的內涵及學科語言表述能力,對中學教學有著重要的指導意義。教學實踐表明:目前學生機械刷題現象較為普遍,對于問題解決,往往知其然而不知其所以然。因此,試題要求學生回答飛行器做勻加速運動的判斷理由,體現出引導中學教學回歸物理的本質。而本題抽樣難度為0.36,很難相信實測結果為較難試題。

6 以學習探索情境為載體,引領創新能力教育

【例6】(2022·全國乙卷·25)如圖4(a),一質量為m的物塊A與輕質彈簧連接,靜止在光滑水平面上;物塊B向A運動,t＝0時與彈簧接觸,到t＝2t0時與彈簧分離,第一次碰撞結束,A、B的v-t圖像如圖4(b)所示。已知從t＝0到t＝t0時間內,物塊A運動的距離為0.36v0t0。A、B分離后,A滑上粗糙斜面,然后滑下,與一直在水平面上運動的B再次碰撞。之后A再次滑上斜面,達到的最高點與前一次相同。斜面傾角為θ(sinθ＝0.6),與水平面光滑連接。碰撞過程中彈簧始終處于彈性限度內。求:

圖4

(1)第一次碰撞過程中,彈簧彈性勢能的最大值;

(2)第一次碰撞過程中,彈簧壓縮量的最大值;

(3)物塊A與斜面間的動摩擦因數。

【分析評價】這是一道以學習探索情境為載體的試題。通過理論分析(另撰文論述)可以得到,在碰撞過程中A、B速度表達式分別為

試題的亮點在于如何求得從t＝0到t＝t0時間內兩圖線所圍成的曲邊梯形的面積? 該問具有較大的開放性,可選用的方法有函數積分法、彈性勢能公式法、圖像面積分析法、等效法等。學生大多用后兩種分析方法,而后兩種方法也演繹出多種不同的思維方法。下面列舉其中的兩種方法。

方法一:類比人船模型

設某時刻,A、B的速度分別為vA、vB。由動量守恒定律有mvA＋5mvB＝(m＋5m)v0

式中,v0為彈簧壓縮至最短時的速度。在A、B相互作用過程中,該式恒成立。亦即上述方程每時每刻均成立,則平均動量守恒,即

因此,在0～t0內,有mxA＋5mxB＝6mv0t0

已知xA＝0.36v0t0,則xB ＝1.128v0t0。當彈簧壓縮至最短時,壓縮量Δx＝xB－xA＝0.768v0t0

若取小段時間Δt,

即mvA·Δt＋5mvB·Δt＝(m＋5m)v0·Δt

求出該時間段Δt內相應的位移,然后再累積求和,可得到相同的結果。

方法二:從圖形面積上突破

將動量守恒表達式mvA＋5mvB＝(m＋5m)v0,變形為

圖5

【反饋作用】該題以兩體通過彈簧的碰撞以及速度-時間圖像為情境,主要考查動量守恒定律、能量守恒定律、牛頓運動定律、函數圖像等知識點。要求學生具有清晰、系統的運動與相互作用觀念及能量觀念。試題重點考查學生的模型建構、科學推理、科學論證及質疑創新等科學思維能力;抽樣難度為0.144,屬于難題。如上所述,試題第(2)小問,圖形面積計算的方法多樣,有效地考查了學生的創新能力。在學生的錯誤解答中,有一類很典型的錯誤,即通過動能定理建立方程求解。

對于A、B之間的相互作用力用平均力等效,由動能定理有

說明:③式可稱之為質心的動能定理形式。若將彈簧與A作為系統建立質點系動能定理方程,應為

④⑥聯立可得相同的結果。

綜上,解答中①、②的錯誤具有較大的隱蔽性,錯誤的原因是認為對A、B的平均力相同,實際上在兩個不同的位移上,平均力不相等。

在高中物理課程中,動能定理或功能關系的教學,是重點也是難點。試題分析中選擇彈簧與A為研究對象,該對象不能視為質點,因其存在內力做功。而關于質心動能定理表達式中,位移理解為質心位移,而非力的作用點的位移。該題對教學的反饋作用在于,物理學的重要概念與規律應講清其內涵與外延。質點的動能定理、質點系的動能定理等規律如何在教學中講清楚、講到位,值得一線教師進行研究。此外,試題在第(2)中較好地考查了學生的開放性思維,而開放性思維是創新思維的重要組成部分,它要求能夠突破傳統思維定式和狹隘眼界,多視角、全方位分析與解決問題。該題引導教學中要更加重視對學生的創新精神和創新能力的培養。

?評價體系?是高考命題、評價與改革的理論基礎和實踐指南。2022年全國高考理綜物理試題,高度契合高中課程改革的培養目標和評價目標,對中學物理教學具有十分重要的反饋作用。對于理順教考關系、實現“以考促教、以考促學”的目的,促進立德樹人根本任務的落實具有鮮明的引領作用。