基于学科关键能力视角的高考物理命题研究

第三方评价会员村 2020-12-28

以下文章来源于中国考试 ，作者王宏博 罗莹

中国考试

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摘要：运用物理学科关键能力框架分析8套高考物理试题的能力考查现状，提出适应《普通高中物理课程标准（2017年版）》要求的、优化高考物理试题命制的建议：增加对学习理解能力的概括论证和关联整合能力要求的考查，增加高考试题的开放性；探索考查创新意识、创新能力的有效题型，加强对迁移创新能力的考查，增加高考试题的探究性和开放性。

关键词：高考物理；命题；核心素养；学科关键能力

课程、教学与测评是教育领域的3个重要因素，彼此之间相互作用、相互影响。测评对教师的“教”和学生的“学”均产生直接影响。随着我国基础教育改革的深入，《国务院关于深化考试招生制度改革的实施意见》明确提出高考改革的指导思想、基本原则和总体目标，即科学设计考试内容，优化高考选拔功能，强化能力立意与素养导向，助力推动中学素质教育^[1]。要实现这一目标，高考命题需要增强基础性，考查学生必备知识和关键能力；需要增强综合性，体现学生综合素质和学科素养；需要加强应用性，注重理论密切联系实际；需要增强探究性和开放性，考查学生的创新意识和创新能力^[2]。如何在高考中实现这4个“需要”，是学科命题面临的艰巨任务。为此，本文聚焦从物理学科关键能力的角度命制物理试题，以期为高考内容改革目标的实现提供一些启示。

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物理学科关键能力的内涵及其活动表现

物理学科能力是指学生顺利进行物理学科的认识活动和问题解决活动所必需的、稳定的心理调节机制，其内涵基础是系统化、结构化的物理学科核心知识技能以及核心活动经验图式（稳定的学科经验结构），能够对学习行为产生定向调节和执行调节。物理学科的认识活动和问题解决活动可以概括为“知识和经验的输入”和“知识和经验的输出”2个方面。与“知识和经验的输出”相关的能力水平差异很大，可划分为“知识和经验的低级输出”和“知识和经验的高级输出”2个水平。据此可以将物理学科关键能力划分为学习理解能力、应用实践能力和迁移创新能力3个维度。
　　学习理解能力对应“知识和经验的输入”过程，是指学生顺利进行物理知识的输入和加工活动的能力，包括对知识与经验的记忆、提取、辨识、确认、概括、关联、说明、论证等物理学习理解活动。物理学习理解能力可以进一步分解为观察记忆、概括论证、关联整合3个能力要素。
　　应用实践能力对应“知识和经验的低级输出”过程，是指学生能够应用物理学科的核心知识、活动经验和科学思维完成特定物理学科活动、分析和解释物理现象、解决实际问题的能力，包括运用核心知识与经验，分析解释与物理有关的实际情境问题、进行预测与推论、选择并设计问题解决方案等。物理的应用实践能力可以进一步分解为分析解释、推论预测、综合应用3个能力要素。

迁移创新能力对应“知识和经验的高级输出”过程，是指学生能否利用物理核心知识、活动经验、科学方法等，解决陌生和开放性问题以及发现新知识和新方法的能力，包括主动调用核心知识和活动经验进行复杂推理、系统探究、发散思维、想象、创意设计、批判思考、在新颖物理情境下建构新模型等基于学科的创造性活动。迁移创新能力可以进一步分解为直觉联想、迁移与质疑、建构新模型3个能力要素。
　　物理学科关键能力的内涵及其表现归纳于表1中。研究显示，物理学科关键能力是一种综合能力，包括多个方面或多个维度，科学解释、科学推理、科学论证、实验探究等是不同解构视角的共性要素^[3]。在这些要素中，有些是基础性的能力要素（如观察、记忆、概括等），有些是较高级的能力要素（如迁移、整合、创新等）。能力要素与对物理学科具体内容的认识紧密关联，能够通过学生在物理学科活动的行为表现进行测评和推断。

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高考物理对学科关键能力的考查现状分析

在物理学科关键能力框架下，从学习理解、应用实践、迁移创新3个维度及其相应的能力要素等方面，对2017年和2018年高考物理全国卷和北京卷共计8套试题（细化到每一试题的小问）进行物理内容与学科关键能力的编码与分析，定量研究各能力要素考查状况，得到如下结论。
2.1　重视应用实践能力
　　为实现对学生进行区分与选拔的功能，8套高考物理试题对“知识与经验的输出”考查占比平均达到总题量的88%，其中：应用实践能力为84%，迁移创新能力为4%。这说明高考物理试题具有较强的综合性，通常一道试题考查多个知识和能力，需要用相关的物理概念和规律，在多个物理学科关键能力要素的协同作用下分析问题、解决问题，如例1所示。
　　例1（2018年高考理科综合北京卷第23题）
　　如图1所示，用电动势为E、内阻为r的电源，向滑动变阻器R供电。改变变阻器R的阻值，路端电压U与电流I均随之变化。

（1）以U为纵坐标，I为横坐标，在图2中画出变阻器阻值R变化过程中U-I图像的示意图，并说明U-I图像与两坐标轴交点的物理意义。
　　（2）a. 请在图2画好的U-I关系图线上任取一点，画出带网格的图形，以其面积表示此时电源的输出功率；
　　  b. 请推导该电源对外电路能够输出的最大电功率及条件。
　　（3）请写出电源电动势定义式，并结合能量守恒定律证明：电源电动势在数值上等于内、外电路电势降落之和。

例1以学生实验“测量电源的电动势和内电阻”为载体，重点考查学生的应用实践能力。试题通过对学生熟悉情境的巧妙加工，层层设问，指向应用实践能力B1到B3的能力要素：第（1）问要求运用闭合电路欧姆定律分析电路，解释电路中U、I、R间的关系，考查分析解释能力要素；第（2）问要求根据具体的实验过程分析处理数据，并推导外电路输出的最大功率等，考查推论预测能力要素；第（3）问要求综合运用能量转化与守恒定律、闭合电路欧姆定律，分析论证题目给出的结论，考查综合应用能力要素。
2.2　学习理解能力侧重考查观察记忆能力要素，很少考查概括论证和关联整合能力要素
　　分析8套物理试题考查学习理解能力3个要素（观察记忆、概括论证、关联整合）的数据发现，对学习理解能力要素考查的题量平均为11%，其中，对观察记忆能力要素的考查非常重视，占比为9%，概括论证和关联整合能力要素的考查仅占2%。这显示出，在学习理解能力维度，高考物理试题非常重视低级学习理解能力的考查，而对高级学习理解能力的考查严重不足。
　　结合具体试题分析可以发现，考查学习理解能力的试题：在物理内容上，主要涉及中学物理课程的主干知识，例如质点的直线运动、相互作用、牛顿定律、机械能等主题；在学科关键能力上，主要涉及在物理的具体情境中进行观察、信息提取、概念辨识与确认等与“知识和经验的输入”活动相关的能力，如例2所示。

例2（2018年高考理科综合全国卷第14题）
　　高铁列车在启动阶段的运动可看作初速度为零的匀加速直线运动。在启动阶段，列车的动能
　　A. 与它所经历的时间成正比
　　B. 与它的位移成正比
　　C. 与它的速度成正比
　　D. 与它的动量成正比
　　例2以生活中常见的高铁列车启动为问题情境，在初速度为零的匀加速直线运动中考查学生对牛顿第二定律、动能定理的表达式、匀变速运动的规律、动能与动量大小等物理概念与规律的学习理解程度，通过在实际情境中提取、辨识与确认等学习活动中的表现，检测能力发展状况。
2.3　应用实践能力侧重考查分析解释和推论预测能力要素
　　通过对8套高考物理试题考查应用实践能力对应的能力要素（分析解释、推论预测、综合应用）的分析发现，高考物理试题重视对分析解释和推论预测能力要素的考查。
　　结合具体试题分析发现，高考物理试题中关于应用实践能力的考查，在内容上覆盖了高中物理课程的所有17个主题。8套试卷都涉及的主题（以下简称“必考主题”）有质点的直线运动、相互作用与牛顿运动定律、机械能、磁场和光5个，重点考查了分析解释和推论预测能力要素；8套试卷中有些试卷没有涉及的主题（以下简称“缺考主题”）有12个，如抛体运动与圆周运动、万有引力定律、电场等，重点考查了推论预测和综合应用能力要素。
　　从学科关键能力视角来看，高考物理试题通过设置具体的情境考查应用实践能力，要求学生运用已有的知识与经验分析解释物理现象，以已知条件为起点进行推理、论证预测结果（如例题1所示）；此外，还有试题基于题设条件与要求，运用物理概念与规律通过推理计算来推测结果，如例3所示。
　　例3（2018年高考理科综合全国卷第34（2）题）

如图3，ABC是一直角三棱镜的横截面，∠A=90°，∠B=60°。一细光束从BC边的D点折射后，射到AC边的E点，发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中点。不计多次反射。

（i）求出射光相对于D点的入射光的偏角；
　　（ii）为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？

例3以光在棱镜中的传播为题设情境，要求学生运用折射定律、光的反射定律、光的全反射条件推断光在棱镜中传播的路径，以获得光从棱镜射出的情况；然后以获得结论为条件，反向推导计算棱镜的折射率取值范围。例3从不同角度考查学生应用物理概念和规律的实践能力，侧重考查推论预测能力要素。
2.4　迁移创新能力注重考查迁移与质疑能力要素，未涉及直觉联想和构建新模型要素
　　分析8套高考物理试题考查迁移创新能力对应能力要素（直觉联想、迁移与质疑、构建新模型）的数据发现，高考物理试题仅考查迁移与质疑能力要素，平均题量仅为4%，直觉联想和构建新模型能力要素则未涉及。在考查内容上，对迁移创新能力的考查集中在具有难度拓展空间的内容上，例如，直线运动和磁场2个必考主题，以及机械振动与机械波、电路、抛体运动与圆周运动、电磁振荡与电磁波、万有引力定律5个缺考主题。在考查方式上，主要是在陌生的情境中，要求学生对学习过的物理概念与规律进行迁移应用，实现对迁移能力要素的考查。这类试题通常多用于区分高水平的考生，如例4所示。
　　例4（2017年高考理科综合北京卷第20题）
　　物理学原理在现代科技中有许多重要应用。例如，利用波的干涉，可将无线电波的干涉信号用于飞机降落的导航。如图4所示，2个可发射无线电波的天线对称地固定于飞机跑道两侧，它们类似于杨氏双缝干涉中的双缝。2天线同时都发出波长为λ₁和λ₂的无线电波。飞机降落过程中，当接收到λ₁和λ₂的信号都保持最强时，表明飞机已对准跑道。下列说法正确的是

A. 天线发出的2种无线电波必须一样强
　　B. 导航利用了λ₁和λ₂2种无线电波之间的干涉
　　C. 2种无线电波在空间的强弱分布稳定
　　D. 2种无线电波各自在空间的强弱分布完全重合
　　例4创设的无线电导航情境对考生来说非常陌生，考查对波的干涉原理的迁移应用能力。学生已有的基础是：知道1个相干光源发出2束光进行干涉的现象，且知道2束光的干涉图样，能判断干涉图样的加强点和减弱点。要解决例4问题，仅有上述知识是不够的，还需要对光的干涉有深刻理解，清楚影响干涉图样的因素，如波长、频率、振幅，以及深入理解不同频率的相干波源形成干涉图中加强点与减弱点位置的差别。将这些与光的干涉相关的知识迁移应用到题设情境，抓住“2个天线同时都发出波长为λ₁和λ₂的无线电波”，提炼出关键信息：干涉发生于2个天线分别发出的λ₁的干涉和λ₂的干涉，而不是λ₁和λ₂的干涉。这样才能解决飞机如何对准跑道的问题。
　　这一问题的解决过程，不但考查了学生对物理知识的掌握程度，更考查其创造性地应用干涉原理的能力。这无疑是物理学科知识与经验的高水平输出。同时，本题也对中学物理教学起到了很好的引领作用，促进教师在课堂上多联系相关实例，引导学生应用物理概念与规律进行分析解释，培养学生的创新能力。

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基于学科关键能力的高考物理命题反思与建议

高考不但要为高校选拔人才，更要对高中物理教学有引领和导向作用。高考试题考查方式的细微变化，都会直接影响高中物理教学。在2017年版《普通高中物理课程标准》颁布后，高考试题的考查目标正在转向对物理学科核心素养的考查。上述的分析显示，高考物理试题较好地体现了高考命题的基础性、应用性和综合性。为实现高校更好地选拔人才，同时引领中学物理教师围绕核心素养进行教学，高考物理命题可以从以下2方面进一步优化。
3.1　增加对学习理解能力的概括论证和关联整合能力要素考查，落实命题的开放性要求
　　学习理解能力是“知识和经验的输入”活动的能力，也是学科关键能力发展的基础。对学习理解能力中的3个能力要素，高考物理试题仅考查了观察记忆能力要素，对概括论证和关联整合能力要素考查很少，但是概括论证和关联整合能力要素恰恰对迁移创新能力的发展有重要影响。因为物理“知识和经验的输入”是学习输出的基础，对知识的理解深度决定了“知识和经验的输出”能力的高低；因此，高考物理应适当增加对概括论证、关联整合能力要素的考查，引入具有一定开放性的试题，如例5所示。
　　例5　某同学使用气体压强传感器探究气体等温变化的规律，合理进行实验后，采集了多组压强P与体积V的数值。

（2）理想气体状态方程为PV=nRT，其中n为气体物质的量，R为摩尔气体常数。请说明在题（1）中获得的气体等温变化规律与理想气体状态方程之间有什么关系，并解释你的依据。

例5第（1）问是一道半开放性的试题，重点考查概括论证能力要素，考生需要理解气体在发生等温变化时压强与体积成反比，并能够依据实验数据的图像知识，概括论证出气体压强变化规律。第（2）问是开放性问题，重点考查关联整合能力要素，在解答这个问题时，考生首先要对发生等温变化时气体压强变化规律和题目给出的理想气体状态方程有深入的理解，然后找出它们之间的关联，将二者整合。可见，该题深入考查了概括论证和关联整合能力要素。

3.2　探索考查创新意识、创新能力的有效题型，加强对迁移创新能力的考查，落实高考命题的探究性和开放性要求
　　创新是科技发展的根本动力，对创新意识和创新能力的考查是我国高考内容改革目标之一。目前，高考物理试题对创新意识与能力的考查远远不够，其原因在于缺乏考查学生创新意识与创新能力的有效方法和适合的题型。
　　创新意识和创新能力要求学生能够建立不同知识、相关表征之间的联系；在问题解决活动中，运用物理知识，基于多个认识角度分析、解释生产和生活中陌生的、真实的问题，同时发现新问题。在这样复杂、真实的情境中有创造性地解决问题，现有高考物理试卷中的3种题型（选择、实验、计算）就显得力不从心；因此，需要探索设计有利于考查创新能力的题型，可以尝试用具有一定开放性的试题，如例6和例7所示。
　　例6　楞次定律的表述是：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁场的变化。若存在一条“反楞次定律”，这意味着存在某种力，它能“促进”磁场变化。因此，当需要更多的能量时，转动发动机所需要的力反而可以减小。这条“反楞次定律”违反了哪条定律？请说明。
　　例6创设了一个自然界中不存在的问题情境，要求学生根据楞次定律定义“反楞次定律”，并以电动机为例，利用反电动势分析物理过程，发现“反楞次定律”与能量守恒定律相悖；然后由能量守恒定律出发，论证“反楞次定律”不成立。该题要求学生依据所学知识对陌生情境问题给出合理估计和判断，重点考查直觉联想能力要素。同时该题还渗透对科学研究方法的考查：若要判断新理论的正确与否，应看其是否与已有的物理规律相违背，若违背，则新理论不成立。这些都是创新意识、创新能力必不可少的内容。
　　例7　为修理位于离地球表面6.0×10⁵m的圆形轨道上的哈勃太空望远镜H，一组宇航员让穿梭机S进入与H相同的轨道，距其数公里处，关闭发动机。已知地球对物体引力F与物体距地心距离r之间有如下关系：F=K/r²，设无穷远处的势能为0，则物体由无穷远处运动到r（r＞R_地）时，地球引力F做功的大小可用以下规律进行计算：W=K/r，K为常数。

（2）穿梭机须首先进入半径较小的轨道，才能追上望远镜H。穿梭机要进入较低轨道时应首先增加还是减少其原有速率？说明解释你的答案。

　　例7创设宇航员乘坐穿梭机维修太空中哈勃望远镜的陌生情境，并设置2个问题。第（1）问在已有的“重力做功如何影响重力势能大小”的基础上，要求学生通过类比建构出“引力做功如何影响引力势能大小”的模型，并应用其推导穿梭机引力势能的表达式，然后论证穿梭机的总机械能与轨道半径r的关系，考查构建与论证新模型的能力。为考查对所建立新模型的理解和应用模型的水平，第（2）问要求学生根据穿梭机的总机械能表达式和机械守恒的条件，分析解释穿梭机进入低轨道时速率的变化情况。通过这一开放性设问，考查将新模型应用于陌生情境解决问题的能力，达到了全面考查创新意识、创新能力的目标。

作者：王宏博，北京市第四中学，中学一级教师；
罗莹，北京师范大学未来教育高精尖创新中心，北京师范大学物理学系，教授，博士生导师。

原文刊载于《中国考试》2020年第10期第25—31页。