基于科学思维的高考物理试题评析与教学建议①
——以2022年广东省普通高中学业水平选择性考试物理试题为例

李红伟

(广东省广州市第五中学,广东 广州 510240)

1 引言

高考承载着选拔和评价功能,是落实立德树人根本任务的重要载体和素质教育的关键环节。科学思维是物理学科核心素养的重要方面,是反映物理学科特色和育人价值的重要内容,是学生通过学习而逐渐发展的一种关键能力。高考物理试题通过问题情境对学生的科学思维方式、思维深度等方面进行考查,体现了物理学科在发展学生核心素养中的育人价值。

2 科学思维学业质量水平划分

科学思维是指运用严谨求真的、实证性的逻辑思维方式解决各种问题。能够根据对问题情境的分析,运用实证数据分析事物的内部结构和问题的内在联系,以抽象的概念来反映客观事物的本质特征和内在联系。科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。[1]对学生的科学思维学业质量水平的划分如表1所示。

表1

高中物理学业质量水平分为5级,其中水平2是学业水平合格性考试的命题依据,水平4是用于高等院校招生录取的学业水平等级性考试的命题依据。

3 基于科学思维的试卷分析

3.1 试卷结构分析

2022年广东省普通高中学业水平选择性考试物理试卷总分100分,考试时间75分钟,试卷具体结构如表2所示。

表2

3.2 对科学思维考查的情况分析

从试题情境、关于科学思维的考查内容、科学思维要素和学业质量水平等级等方面,对该试卷内容的分析如表3所示。

(1) 该试卷重视对学生科学思维能力的考查。对学生科学思维能力的考查覆盖全卷,且部分试题不止考查科学思维的1个要素,而是同时考查2到3个要素。从考查的科学思维学业质量水平来看,若将对应于水平1、水平2的试题视为容易题,对应于水平3的试题视为中档题,对应于水平4要求的试题视为难题,则易、中、难分值的比例约为3∶5∶2。

(2) 该试卷对科学推理要素的考查最多,分值占比超过90%;其次是模型建构要素,分值占比为52%;科学论证要素分值占比为35%。部分试题渗透质疑创新意识,但没有出现直接对质疑创新要素进行考查的试题,原因是在质疑创新要素的考查方面,要求学生能够对物理结论提出质疑,需要从不同角度分析问题,从创新视角解决问题,但高考试题要保证试题的科学性、准确性和公平性,需要提供统一的评价标准,一旦试题开放程度把握不好,容易引起争议。

4 试卷对科学思维考查的特点

4.1 设置真实问题情境,考查学生模型建构能力

物理模型是对研究客体进行理想化处理,抓住主要因素,忽略次要因素,建构能够反映事物本质特性的理想模型,包括物质模型、状态模型和过程模型。高考物理试题通常以日常生活、生产或现代科技为背景创设问题情境,要求学生根据问题情境,进行抽象和概括,建构能反映事物本质特征的、方便研究的物理模型。

例1:图1是滑雪道的示意图。可视为质点的运动员从斜坡上的M点由静止自由滑下,经过水平NP段后飞入空中,在Q点落地。不计运动员经过N点的机械能损失,不计摩擦力和空气阻力。下列能表示该过程运动员速度大小v或加速度大小a随时间t变化的图像是( )。

A

图1

本题以跳台滑雪运动为情境,引导学生热爱体育运动,激发学生积极参加体育锻炼的兴趣,考查学生对物理概念、规律的理解能力。在科学思维方面主要考查模型建构能力,即在不计运动员经过N点的机械能损失、不计摩擦力和空气阻力的情况下,要求考生能够建构运动员在MN段做的匀变速直线运动模型、NP段的匀速直线运动模型、PQ段的平抛运动模型。试题结合图像考查运动员速度大小v与加速度大小a随时间t的变化关系,选项C正确。试题设问方式新颖,难度适中。

4.2 依据问题提出方案,考查创新能力

创新能力是指以现有的思维模式提出不同于常规思路、方法和见解的能力。该高考物理试卷虽然没有对创新要素进行直接的、显性的考查,但很多试题中都渗透了创新要素,隐性考查了学生在解决问题中思维的灵活性、批判性及独创性等品质。

例2:弹性导电绳逐步成为智能控制系统中部分传感器的敏感元件,某同学测量弹性导电绳的电阻与拉伸后绳长之间的关系,实验过程如下:

(1) 装置安装和电路连接

如图2(a)所示,导电绳的一端固定,另一端作为拉伸端,两端分别用带有金属夹A、B的导线接入如图2(b)所示的电路中。

图2

(2) 导电绳拉伸后的长度L及其电阻Rx的测量

① 将导电绳拉伸后,用刻度尺测量并记录A、B间的距离,即为导电绳拉伸后的长度L。

② 将滑动变阻器R的滑片滑到最右端,断开开关S2,闭合开关S1,调节R,使电压表和电流表的指针偏转到合适位置,记录两表的示数U和I1。

③ 闭合S2,电压表的示数(选填“变大”或“变小”),调节R使电压表的示数仍为U,记录电流表的示数I2,则此时导电绳的电阻Rx=(用I1、I2和U表示)。

④ 断开S1,增大导电绳拉伸量,测量并记录A、B间的距离,重复步骤②和③。

(3) 该电压表内阻对导电绳电阻的测量值(选填“有”或“无”)影响。

(4) 图2(c)是根据部分实验数据描绘的Rx-L图线。将该导电绳两端固定在某种机械臂上,当机械臂弯曲后,测得导电绳的电阻Rx为1.33 kΩ,则由图线可读出导电绳拉伸后的长度为cm,即为机械臂弯曲后的长度。

4.3 通过解决实际问题,考查推理与论证能力

科学推理是由一个或几个已知的判断,推导出新结论的思维过程,包括归纳、演绎和类比推理等。科学论证是从证据出发,通过推理达到支持主张的过程,科学论证的要素是证据和主张。在高考物理问题解决的过程中,需根据试题提供的真实情境提炼出实际问题,从中获取有效信息,应用相关物理知识找到问题解决的途径,经过推理、分析、综合等推理与论证的思维过程,达到解决问题的目的。

图3

(1) 比例系数k;

(2) 油滴A、B的带电量和电性,B上升距离h2电势能的变化量;

(3) 新油滴匀速运动速度的大小和方向。

本题以密立根油滴实验为情境,设置带电粒子在电场和重力场组成的复合场中的运动问题,考查受力分析、匀速直线运动、动量守恒定律等知识,要求考生通过推理与论证,得出油滴A、B的带电量和电性,得到新油滴匀速运动速度的大小和方向。试题分析步骤较多、计算量较大,需要学生在答题过程中进行分类讨论,对学生的分析、计算能力及解题步骤的严谨性要求较高。

5 培养学生科学思维能力的教学建议

5.1 通过大概念教学促进科学思维培养

《普通高中物理课程标准(2017年版)》提出:重视以学科大概念为核心,使课程内容结构化,以主题为引领,使课程内容情境化,促进学科核心素养的落实。[1]大单元、大概念教学设计能够架起连接学科知识与核心素养的桥梁,为科学思维的培养指明了方向。教师应从教材出发,整体审视单元教学的资源与内容,明确单元中包含的大概念,对大概念统摄下的知识逻辑与思维方法进行分析,设计教学策略、教学活动,帮助学生建构知识层级结构,促进学生科学思维能力的发展,表4为“牛顿运动定律”大单元教学设计。

表4

5.2 基于教学内容落实科学思维的培养目标

科学思维能力是在知识的学习中发展起来的,培养学生的科学思维能力必须贯穿在整个物理教学中。在物理概念、规律的教学中可以培养不同方面的科学思维能力,必须将科学思维的培养纳入教学目标,制定有效的培养计划,让学生在理解和掌握物理概念、规律的同时,使他们的科学思维能力得到发展与提升,表5为“自由落体运动”的教学设计。

表5

5.3 利用物理学史提升科学思维能力

物理学史展示了物理概念、定律、理论和研究方法的发生、发展的脉络,展示了人们思考和解决物理问题的思维方式和探究历程。因此,学习物理学史是发展科学思维的重要途径。高中物理教材中的科学史蕴含着非常丰富的科学思维方法形成的具体案例,这些案例可以与物理知识进行有机整合,对学生科学思维能力的发展有很大帮助。如在原子结构模型的建构历程中,汤姆孙发现电子,否定了道尔顿的“实心球模型”,提出“西瓜模型”;卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了“西瓜模型”,提出“行星模型”;为解释氢原子线状光谱事实,玻尔在行星模型的基础上提出了玻尔原子模型……这些科学史实是培养学生质疑创新能力非常好的素材。牛顿在提出万有引力定律的过程中,将苹果落地是由于受到地球引力这一思想延伸到月球上,体现了科学创新思维的精髓。奥斯特发现电生磁后,法拉第运用对称性思维提出了磁生电的设想,并经过十年的探索终于发现了电磁感应现象。

5.4 通过实验教学培养科学创新能力

实验是物理教学的基础,是物理教学的重要内容、方法和手段。在实验设计、实验实施以及实验结果分析的过程中,能够促使学生运用分析、综合、抽象、概括、比较、判断、归纳、演绎等科学思维方法,去思考与解决探究中出现的问题,有助于培养和提升学生的科学思维能力。同时实验探究又是解开应用性问题的钥匙,是发现与创新的途径和方法,高考试卷中的应用性、创新性试题往往可以用实验探究的方法来解决。所以,抓好实验教学,引导学生在动手实验的过程中开动脑筋,学会运用新发现、新想法解决实际问题,可提高学生的创新能力。[2]