细微处注重物理思想的切入应用上渗透STEM教学理念——2018年全国高考新课标卷物理试题评析

张成清 陈家礼

(广东省广州市番禺中学，广东 广州 511400)

2018年全国高考新课标试题(物理部分)的谜底也已经揭开,综观3套新课标卷的物理试题,可谓精彩纷呈,看后让人爽心悦目、回味无穷,从简单的物理原理在生活中的应用到复杂的物理知识在高科技中的体现,从物理概念的简单理解到物理规律在物理事件中的重要应用,使人不得不感叹高考考题独具匠心．与2017年的高考试题相比,物理试题的难度有所降低,没有刻意追求物理思维的深度和数学运算能力的极致,但对考生进行“了解、识记”和“理解”、简单的运算或判断分析、综合分析能力3个层次的能力考查非常突出,同时也注重将物理科学思想作为试题的切入点,在应用上突现科学、技术、工程和数学等理念在试题中的渗透,物理试题呈现出“细微处注重物理科学思想的切入,应用上巧妙渗透STEM教学理念”的命题思想．以下笔者就试题渗透STEM教学理念谈谈几点看法．

1 注重物理科学思想的切入,刻意回避偏题怪题

自全国新课标卷出现以来,普遍印象是物理试题每道题的物理思维要求都非常高,没有简单送分题．但2018年全国高考新课标卷打破这一常规,降低物理思维的深度,对基础知识、基本概念、基本规律及核心思维方法的考查不太在意难度的大小,注重的是物理思想的切入,甚至有意回避偏题怪题,解题过程不需要依靠特殊技巧,只要掌握基本方法,获取正确答案的难度不大．

图1

案例1.(2018年理科综合全国Ⅱ卷第14题)(单选):如图1,某同学用绳子拉动木箱,使他从静止开始沿粗糙水平路面运动至具有某一速度,木箱获得的动能一定

(A) 小于拉力所做的功.

(B) 等于拉力所做的功.

(C) 等于克服摩擦力所做的功.

(D) 大于克服摩擦力所做的功.

案例分析：本案例直接由动能定理切入,只要知道对木箱做功的只有两个力(分别是拉力和摩擦力),其中拉力做正功,摩擦力做负功,就很容易得到正确答案．

案例解析：由动能定理知,WF-Wf=Ek-0,得到Ek=WF-Wf

案例反思： (1) 本案例物理科学思想的切入非常直接,不会使考生产生其他与本题解答方法无关的想法;(2) 本案例没有很复杂的背景,对物体做功的判断比较容易,可以说从发现问题(通过读题寻找需要解答的问题)开始,到设计解决问题的方法(利用正确的物理原理),最后很容易联想到利用物理学中动能定理解决问题,获取正确答案,整个解答过程渗透了物理学科思想的注入;(3) 试题的干扰项也比较容易排除,几乎不需要物理思维的深度．

案例2.(2018年理科综合全国Ⅲ卷第16题)(单选):一电阻接到方波交流电源上,在一个周期内产生的热量为Q方;若该电阻接到正弦交变电源上,在一个周期内产生的热量为Q正．该电阻上电压的峰值为u0,周期为T,如图2所示．则Q方:Q正等于

图2

(C) 1∶2. (D) 2∶1.

案例分析：本案例直接由交变电流的有效值切入,只要利用交变电流有效值的定义正确计算出两种电源的有效值大小,就可以得到正确答案．

选项(D)正确,(A)、(B)、(C)错．

案例反思： (1) 物理思想的直接切入在本案例中展现无遗;(2) 本案例中提供的两个交流电源均为最基础最常见的交变电流,有可以回避偏题的嫌疑,重要的是考查物理思想．

(A) 15和28. (B) 15和30.

(C) 16和30. (D) 17和31.

案例分析：本案例直接由核反应过程中遵循的电荷数和质量数守恒切入,只要知道α粒子和中子n的电荷数及质量数,可以确定正确答案．

案例解析：α粒子是氦的原子核,其电荷数和质量数分别为2和4,中子n的电荷数及质量数分别是0和1,根据核反应过程中两个守恒,可以确定放射性元素X的原子核其电荷数为15,质量数为30,则放射性元素X的原子序数和质量数分别为15和30,选项(B)正确,(A)、(C)、(D)错．

案例反思：(1) 虽然本案例中没有直接给出α粒子和中子n的电荷数及质量数,给物理知识的应用设置了一些障碍,但α粒子和中子n均为核物理中常见的基本粒子,考生应该能记住这两个粒子的基本特征;(2) 在完成核反应方程时,考生最担心的是不清楚某原子系数对应的原子核,本案例在该问题的设置上有意回避了该问题,不要求判断元素X的种类,很明显考查注重的仍然是物理思想．

2 不夸大技术在物理学中作用,巧妙将技术问题渗透于试题中

在近几年全国新课标高考试卷的物理试题中,出现不少直接将技术展现在考生面前的试题,例如2017年理科综合全国Ⅰ卷第18题中的扫描隧道显微镜(STM),2017年理科综合全国Ⅱ卷第21题中的自制简易电动机,2017年理科综合全国Ⅲ卷第33题中的测量稀薄气体压强的仪器,2016年理科综合全国Ⅰ卷第23题中的由热敏电阻控制的报警系统等.这些题是学以致用的好题,能很好地反映技术在物理学中重要性,但试题给出的情景太直接,导致很多考生因没有看懂试题而无从下手．2018年全国新课标高考试卷在这方面有所改变,既强调技术的重要性,又没有夸大技术的作用,而是将技术问题巧妙地渗透在物理试题中,使考生在解答问题时体会到技术的作用之余也感受到物理的味道．

案例4.(2018年理科综合全国Ⅰ卷第14题)(单选):高铁列车在启动阶段可看作初速度为0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.

案例分析：高铁列车在启动阶段可看作初速度为0的匀加速直线运动,运动特征已经确定,可以根据问题的需要直接利用不同的物理规律表达列车的动能,判断答案正确与否．

案例反思：(1) 高铁技术是目前世界上最先进的技术之一,将高铁列车引进高考试题是技术在物理学中应用的很好体现;(2) 本案例虽然涉及高铁技术,但没有就有关的技术进行探究,而是直接应用物理原理获取正确答案,尽量回避技术问题对解答带来的困惑．

案例5.(2018年理科综合全国Ⅰ卷第20题)(多选):2017年,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波．根据科学家复原的过程,在两颗中子星合并前约100s时,它们相距约400km,绕二者连线上的某点每秒转动12圈．将两颗中子星都看作质量均匀分布的球体,由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识,可以估算出这一时刻两颗中子星

图3

(A) 质量之积.

(B) 质量之和.

(C) 速率之和.

(D) 各自的自转角速度.

案例分析：在对宇宙的探究中,人类已经能探测到双星的有关运动规律,只要能正确构建双星模型,可以根据有关的物理规律和数学运算得到正确答案．

案例解析：双中子星合并前的模型如图3所示,设两颗中子星的质量分别为m1、m2,绕连线上的O点做相同周期T的匀速圆周运动,运动半径分别为r1、r2,两星相距为L.

案例反思：(1) 航天技术是当今世界上最尖端的技术,而对宇宙的探测更是这些尖端技术中的皇冠,高考试题中出现这类应用题侧面反映了对技术问题的重视;(2) 本案例交代了航天技术的前景,但没有就该技术进行深入的讨论,而是以双星模型为背景,研究一个非常常见的天体运动问题.这一方面降低了技术问题对解答带来的干扰,另一方面也反映了出题的意图,了解技术在物理学科中的作用,但必须掌握的是基本原理和基本规律的应用．

案例6.(2018年理科综合全国Ⅰ卷第23题):某实验小组利用如图4所示的电路探究在25℃～80℃范围内某热敏电阻的温度特性．所用的器材有:置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT,其标称值(25℃时的阻值)为900.0Ω;电源E(6V,内阻可以忽略);电压表V(量程150mV);定值电阻R0(阻值20.0Ω),滑动变阻器R1(最大阻值1000Ω);电阻箱R2(阻值范围0～999.9Ω);单刀开关S1,单刀双掷开关S2．

图4

实验时,先按图(4)连接好电路,再将温控室的温度t升至80.0℃．将S2与1端接通,闭合S1,调节R1的滑片位置,使电压表读数为某一值U0;保持R1的滑片位置不变,将R2置于最大值,将S2与2端接通,调节R2,使电压表读数仍为U0;断开S1,记下此时R2的读数．逐步降低温控室的温度t,得到相应温度下R2的阻值,直到温度降到25.0℃．实验得到的R2-t数据见表1.

表1

回答下列问题:

(1) 在闭合S1前,图(4)中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b”)端.

(2) 在图(5)的坐标纸上补齐数据表中所给的数据点,并作出R2-t曲线.

(3) 由图(5)可得到RT在25℃～80℃范围内的温度特性．当t=44.0℃时,可得RT=________Ω.

(4) 将RT握在手心,手心温度下R2的相应读数如图(6)所示,该读数为________Ω,则手心温度为________℃．

案例分析：探究在25℃～80℃范围内某热敏电阻的温度特性时,利用等效替代的方法可以很方便获取该热敏电阻的温度特性.本案例探究的方法比较隐蔽,既用到等效的思想,又间接利用数学图像的知识,使探究过程完美且合理．

案例解析： (1) 在闭合S1前,为保证电源和各用电器的安全,必须将图(4)中R1的滑片应移动到“b”端.

图7

(2) 在实验中,将S2与2端接通,调节R2,使电压表读数仍为U0,保证了电路中的电流不变,用电阻R2替代热敏电阻RT,则每次读出的是通过相同电流且不同温度下热敏电阻的阻值,用此数据补齐数据表中所给的数据点后作出R2-t曲线实际就是热敏电阻RT的温度特性曲线,如图7所示．

(3) 由R2-t曲线知,当t=44.0℃时,可得RT=450 Ω.

(4) 由图(6)所知,RT握在手心,手心温度下R2=620.0Ω.由R2-t曲线知,t=33.0℃.

案例反思：(1) 热敏电阻是很多自动控制系统的重要元件,要很好的利用自动控制技术,必须对热敏电阻的温度特性要有全面的了解,这样才能完美地使用好自动控制技术;(2) 本案例中探究热敏电阻的温度特性时,采用的是物理学中常用的等效替代法,该方法很方便地将热敏电阻在不同温度下电阻直接读出,利用R2-t曲线展现了热敏电阻的温度特性;(3) 本案例中的缺点是在图(5)的坐标纸上作出的R2-t图线是曲线,与直线相比,可能存在较大的实验误差.如果利用计算机Excel软件中的图表功能画图可能会使实验结果更加精确．

3 物理试题中渗透了工程的气息,解决问题的仍然是物理原理的应用

全国新课标高考试卷出台后,物理试题中出现了不少涉及工程气息的问题,例如2017年理科综合全国Ⅰ卷第17题中的大科学工程“人造太阳”将氚核聚变反应释放的能量用来发电,2017年理科综合全国Ⅲ卷第14题中的我国自行研制的天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室完成了首次交会对接工程,2017年理科综合全国Ⅰ卷第24题中的太空飞船从其飞行轨道返回地面等均涉及到大型工程问题.这些问题释放的信号是高考物理试题中一定要渗透如何利用物理原理解决工程问题中的技术细节．2018年全国新课标高考试卷物理试题中同样有工程问题的气息,不过解决问题的主要手段依然是物理原理的应用．

图8

案例7.(2018年理科综合全国Ⅲ卷第19题)(多选):地下矿井中的矿石装在矿车中,用电机通过竖井运送至地面．某竖井中矿车提升的速度大小v随时间t的变化关系如图8所示,其中图线①②分别描述两次不同的提升过程,它们变速阶段加速度的大小都相同;两次提升的高度相同,提升的质量相等．不考虑摩擦阻力和空气阻力．对于第①次和第②次提升过程

(A) 矿车上升所用的时间之比为4∶5.

(B) 电机的最大牵引力之比为2∶1.

(C) 电机输出的最大功率之比为2∶1.

(D) 电机所做的功之比为4∶5.

案例分析：本案例是采矿工程中矿车在矿井中的运动问题,解决问题的方法仍然是正确利用v-t图像的物理意义和相应的物理概念和规律进行解答,不难确定正确答案．

案例反思：(1) 大型采矿工程中矿车在矿井中的运动是必须要研究的问题,既要考虑其工作效率,也必须要考虑安全问题,这样才能更有效利用矿车;(2) 本案例中虽然研究的是矿车运动,但解决问题的方法是物理概念和物理原理的合理应用,这样的设置一方面将工程的气息折射到问题中,另一方面没有因工程问题的细节技术给考生解答问题产生障碍．

案例8.(2018年理科综合全国Ⅱ卷第15题)(单选):高空坠物极易对行人造成伤害,若一个50g的鸡蛋从一居民楼的25层坠下,与地面的撞击时间约为2ms,则该鸡蛋对地面产生的冲击力约为

(A) 10N. (B) 102N.

(C) 103N. (D) 104N.

案例分析：本案例是高空坠物问题,解答问题的方法是动能定理,由于本案例中没有提供居民楼每层的高度和当地的重力加速度,因此,只能采用估算的方法得到一个大约的结果．

案例解析：设居民楼每层的楼高为h,鸡蛋撞击地面前的速度为v,当地重力加速度为g.

案例反思：(1) 在建筑工程中,经常会遇到高空坠物伤人的问题,本案例中用一个鸡蛋从高层建筑坠下产生的后果告诉考生建筑工程中安全问题的重要性,同时也暗示物理学知识的应用在工程问题中处处存在;(2) 本案例中涉及的是估算问题,因此,考生必须具有一般常识性的知识,如楼房中居民楼每层楼的高度等,否则,无法获取正确答案．

4 数学是自然科学的工具,数学方法的正确实施是解答的关键

全国新课标卷更加注重数学方法在解答物理问题中作用,近几年高考卷物理试题几乎每年都有合理利用数学方法解答较为困难的物理问题,这一方面说明数学方法在解答物理问题时的巨大作用,另一方面也符合教学大纲所要求的“考生必须具备应用数学正确处理物理问题的能力”这一基本能力．2018年全国新课标高考试卷物理试题中也不例外,这种命题理念在今后还会继续．

图9

案例9.(2018年理科综合全国Ⅱ卷第20题)(多选):如图9所示,纸面内有两条互相垂直的长直绝缘导线L1,L2,L1中的电流方向向左,L2中的电流方向向上;L1的正上方有a,b两点,他们相对于L2对称．整个系统处于匀强外磁场中,外磁场的磁感应强度大小为B0,方向垂直于纸面向外．已知a,b两点的磁感应强度大小分别为B0/3和B0/2,方向也垂直于纸面向外．则

(A) 流经L1的电流在b点产生的磁感应强度大小为7B0/12.

(B) 流经L1的电流在a点产生的磁感应强度大小为B0/12.

(C) 流经L2的电流在b点产生的磁感应强度大小为B0/12.

(D) 流经L2的电流在a点产生的磁感应强度大小为7B0/12.

案例分析：本案例可以利用电流周围的磁场特征、安培定则和磁场的叠加等物理规律综合判断和计算得到正确答案．

案例解析：由题设知,流经L1的电流在a、b两点产生的磁场大小相等,设磁感应强度大小为B1,根据安培定则,这两点磁场方向均向里;流经L2的电流在a、b两点产生的磁感应强度大小相等,设磁感应强度大小为B2,根据安培定则,a点产生的磁感应强度方向向外,b点产生的磁感应强度方向向里．

案例反思：(1) 本案例是集物理原理应用和数学方法巧解于一体的通过判断计算得到结果的综合题,虽然对数学计算的要求不高,但没有正确的计算将无法获取正确答案;(2) 本案例对物理原理应用要求也比较高,尤其是直线电流周围的磁场分布特征和矢量的合成,课本中没有刻意要求直线电流周围磁场分布的有关公式,但对磁场的特征有详细的说明,只有真正理解直线电流周围磁场分布特征,才能合理利用相应的数学方法解答问题．

图10

(2) 磁场的磁感应强度大小;

图11

图12 图13

案例反思：(1) 本案例属于典型的数学能力要求极高的物理综合题,正确解答必须具有缜密的思维、清晰的解题思路和超强的运算能力,试题特色环环相扣,哪一个环节出现问题可能导致前功尽弃;(2) 本案例解答方法较多,运用数学知识解答物理问题的技能可以淋漓尽致展现出来.这既说明应用数学知识解决物理问题的重要性,同时也可以反映考生解决实际问题能力的大小,是一道区分度很高的物理试题.这种能力是新高考的必然要求,在今后的高考中一定会加强这方面的考查．

以上是笔者就2018年新课标高考物理试题中渗透STEM教学理念的几点看法,在高考试题中渗透STEM教学理念,说明这种全新的教学理念在教学中有着特殊的地位,尤其是在应用上要加大力度逐渐将新的教学理念渗透到教学的各个环节,只有这样才能在新高考中立于不败之地．