基于科學思維的高考物理試題評析與教學建議①
——以2022年廣東省普通高中學業水平選擇性考試物理試題為例

李紅偉

(廣東省廣州市第五中學,廣東 廣州 510240)

1 引言

高考承載著選拔和評價功能,是落實立德樹人根本任務的重要載體和素質教育的關鍵環節?？茖W思維是物理學科核心素養的重要方面,是反映物理學科特色和育人價值的重要內容,是學生通過學習而逐漸發展的一種關鍵能力。高考物理試題通過問題情境對學生的科學思維方式、思維深度等方面進行考查,體現了物理學科在發展學生核心素養中的育人價值。

2 科學思維學業質量水平劃分

科學思維是指運用嚴謹求真的、實證性的邏輯思維方式解決各種問題。能夠根據對問題情境的分析,運用實證數據分析事物的內部結構和問題的內在聯系,以抽象的概念來反映客觀事物的本質特征和內在聯系?？茖W思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。[1]對學生的科學思維學業質量水平的劃分如表1所示。

表1

高中物理學業質量水平分為5級,其中水平2是學業水平合格性考試的命題依據,水平4是用于高等院校招生錄取的學業水平等級性考試的命題依據。

3 基于科學思維的試卷分析

3.1 試卷結構分析

2022年廣東省普通高中學業水平選擇性考試物理試卷總分100分,考試時間75分鐘,試卷具體結構如表2所示。

表2

3.2 對科學思維考查的情況分析

從試題情境、關于科學思維的考查內容、科學思維要素和學業質量水平等級等方面,對該試卷內容的分析如表3所示。

(1) 該試卷重視對學生科學思維能力的考查。對學生科學思維能力的考查覆蓋全卷,且部分試題不止考查科學思維的1個要素,而是同時考查2到3個要素。從考查的科學思維學業質量水平來看,若將對應于水平1、水平2的試題視為容易題,對應于水平3的試題視為中檔題,對應于水平4要求的試題視為難題,則易、中、難分值的比例約為3∶5∶2。

(2) 該試卷對科學推理要素的考查最多,分值占比超過90%;其次是模型建構要素,分值占比為52%;科學論證要素分值占比為35%。部分試題滲透質疑創新意識,但沒有出現直接對質疑創新要素進行考查的試題,原因是在質疑創新要素的考查方面,要求學生能夠對物理結論提出質疑,需要從不同角度分析問題,從創新視角解決問題,但高考試題要保證試題的科學性、準確性和公平性,需要提供統一的評價標準,一旦試題開放程度把握不好,容易引起爭議。

4 試卷對科學思維考查的特點

4.1 設置真實問題情境,考查學生模型建構能力

物理模型是對研究客體進行理想化處理,抓住主要因素,忽略次要因素,建構能夠反映事物本質特性的理想模型,包括物質模型、狀態模型和過程模型。高考物理試題通常以日常生活、生產或現代科技為背景創設問題情境,要求學生根據問題情境,進行抽象和概括,建構能反映事物本質特征的、方便研究的物理模型。

例1:圖1是滑雪道的示意圖?？梢暈橘|點的運動員從斜坡上的M點由靜止自由滑下,經過水平NP段后飛入空中,在Q點落地。不計運動員經過N點的機械能損失,不計摩擦力和空氣阻力。下列能表示該過程運動員速度大小v或加速度大小a隨時間t變化的圖像是( )。

A

圖1

本題以跳臺滑雪運動為情境,引導學生熱愛體育運動,激發學生積極參加體育鍛煉的興趣,考查學生對物理概念、規律的理解能力。在科學思維方面主要考查模型建構能力,即在不計運動員經過N點的機械能損失、不計摩擦力和空氣阻力的情況下,要求考生能夠建構運動員在MN段做的勻變速直線運動模型、NP段的勻速直線運動模型、PQ段的平拋運動模型。試題結合圖像考查運動員速度大小v與加速度大小a隨時間t的變化關系,選項C正確。試題設問方式新穎,難度適中。

4.2 依據問題提出方案,考查創新能力

創新能力是指以現有的思維模式提出不同于常規思路、方法和見解的能力。該高考物理試卷雖然沒有對創新要素進行直接的、顯性的考查,但很多試題中都滲透了創新要素,隱性考查了學生在解決問題中思維的靈活性、批判性及獨創性等品質。

例2:彈性導電繩逐步成為智能控制系統中部分傳感器的敏感元件,某同學測量彈性導電繩的電阻與拉伸后繩長之間的關系,實驗過程如下:

(1) 裝置安裝和電路連接

如圖2(a)所示,導電繩的一端固定,另一端作為拉伸端,兩端分別用帶有金屬夾A、B的導線接入如圖2(b)所示的電路中。

圖2

(2) 導電繩拉伸后的長度L及其電阻Rx的測量

① 將導電繩拉伸后,用刻度尺測量并記錄A、B間的距離,即為導電繩拉伸后的長度L。

② 將滑動變阻器R的滑片滑到最右端,斷開開關S2,閉合開關S1,調節R,使電壓表和電流表的指針偏轉到合適位置,記錄兩表的示數U和I1。

③ 閉合S2,電壓表的示數(選填“變大”或“變小”),調節R使電壓表的示數仍為U,記錄電流表的示數I2,則此時導電繩的電阻Rx=(用I1、I2和U表示)。

④ 斷開S1,增大導電繩拉伸量,測量并記錄A、B間的距離,重復步驟②和③。

(3) 該電壓表內阻對導電繩電阻的測量值(選填“有”或“無”)影響。

(4) 圖2(c)是根據部分實驗數據描繪的Rx-L圖線。將該導電繩兩端固定在某種機械臂上,當機械臂彎曲后,測得導電繩的電阻Rx為1.33 kΩ,則由圖線可讀出導電繩拉伸后的長度為cm,即為機械臂彎曲后的長度。

4.3 通過解決實際問題,考查推理與論證能力

科學推理是由一個或幾個已知的判斷,推導出新結論的思維過程,包括歸納、演繹和類比推理等?？茖W論證是從證據出發,通過推理達到支持主張的過程,科學論證的要素是證據和主張。在高考物理問題解決的過程中,需根據試題提供的真實情境提煉出實際問題,從中獲取有效信息,應用相關物理知識找到問題解決的途徑,經過推理、分析、綜合等推理與論證的思維過程,達到解決問題的目的。

圖3

(1) 比例系數k;

(2) 油滴A、B的帶電量和電性,B上升距離h2電勢能的變化量;

(3) 新油滴勻速運動速度的大小和方向。

本題以密立根油滴實驗為情境,設置帶電粒子在電場和重力場組成的復合場中的運動問題,考查受力分析、勻速直線運動、動量守恒定律等知識,要求考生通過推理與論證,得出油滴A、B的帶電量和電性,得到新油滴勻速運動速度的大小和方向。試題分析步驟較多、計算量較大,需要學生在答題過程中進行分類討論,對學生的分析、計算能力及解題步驟的嚴謹性要求較高。

5 培養學生科學思維能力的教學建議

5.1 通過大概念教學促進科學思維培養

《普通高中物理課程標準(2017年版)》提出:重視以學科大概念為核心,使課程內容結構化,以主題為引領,使課程內容情境化,促進學科核心素養的落實。[1]大單元、大概念教學設計能夠架起連接學科知識與核心素養的橋梁,為科學思維的培養指明了方向。教師應從教材出發,整體審視單元教學的資源與內容,明確單元中包含的大概念,對大概念統攝下的知識邏輯與思維方法進行分析,設計教學策略、教學活動,幫助學生建構知識層級結構,促進學生科學思維能力的發展,表4為“牛頓運動定律”大單元教學設計。

表4

5.2 基于教學內容落實科學思維的培養目標

科學思維能力是在知識的學習中發展起來的,培養學生的科學思維能力必須貫穿在整個物理教學中。在物理概念、規律的教學中可以培養不同方面的科學思維能力,必須將科學思維的培養納入教學目標,制定有效的培養計劃,讓學生在理解和掌握物理概念、規律的同時,使他們的科學思維能力得到發展與提升,表5為“自由落體運動”的教學設計。

表5

5.3 利用物理學史提升科學思維能力

物理學史展示了物理概念、定律、理論和研究方法的發生、發展的脈絡,展示了人們思考和解決物理問題的思維方式和探究歷程。因此,學習物理學史是發展科學思維的重要途徑。高中物理教材中的科學史蘊含著非常豐富的科學思維方法形成的具體案例,這些案例可以與物理知識進行有機整合,對學生科學思維能力的發展有很大幫助。如在原子結構模型的建構歷程中,湯姆孫發現電子,否定了道爾頓的“實心球模型”,提出“西瓜模型”;盧瑟福通過α粒子散射實驗,否定了“西瓜模型”,提出“行星模型”;為解釋氫原子線狀光譜事實,玻爾在行星模型的基礎上提出了玻爾原子模型……這些科學史實是培養學生質疑創新能力非常好的素材。牛頓在提出萬有引力定律的過程中,將蘋果落地是由于受到地球引力這一思想延伸到月球上,體現了科學創新思維的精髓。奧斯特發現電生磁后,法拉第運用對稱性思維提出了磁生電的設想,并經過十年的探索終于發現了電磁感應現象。

5.4 通過實驗教學培養科學創新能力

實驗是物理教學的基礎,是物理教學的重要內容、方法和手段。在實驗設計、實驗實施以及實驗結果分析的過程中,能夠促使學生運用分析、綜合、抽象、概括、比較、判斷、歸納、演繹等科學思維方法,去思考與解決探究中出現的問題,有助于培養和提升學生的科學思維能力。同時實驗探究又是解開應用性問題的鑰匙,是發現與創新的途徑和方法,高考試卷中的應用性、創新性試題往往可以用實驗探究的方法來解決。所以,抓好實驗教學,引導學生在動手實驗的過程中開動腦筋,學會運用新發現、新想法解決實際問題,可提高學生的創新能力。[2]