创新性思维在高考学业质量评价中的体现

李志刚　田成良　陈伟孟　崔琰

摘 要：2019北京高考理综第23题在多个方面体现了物理学科核心素养和命题趋势，突出了实验考查方式的创新，本文将对该题中涉及的物理观念、科学思维、科学探究、数形结合思想考查、定量与半定量和定性分析等方面进行解读.

关键词：2019年北京高考试题;创新思维;实验考查;等级性考试

文章编号：1008-4134（2019）13-0063 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：李志刚（1982-），男，湖北人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理教学及评价等;

田成良（1974-），男，山东人，本科，中学特级教师，教研员，研究方向：物理过程教学科学方法教育;

陈伟孟（1981-），男，浙江人，博士，中学高级教师，研究方向：物理教學和研究性学习;

崔琰（1982-），男，天津人，博士，海淀区物理教研员，研究方向：中学物理学科教学.

北京市2017级开始全面进入新一轮课程改革，包括考试招生制度改革在内的各项改革正在稳步推进，近两年北京高考理综物理试题稳中求进、进中求变，在丰富选材范围、创新呈现方式方面亮点颇多，尤其是实验考查方面，在内容、形式和风格上逐渐形成特色的基础上，在题目数量、分值和广度上有进一步的突破，23题开拓了新的实验与理论结合综合考查考生的核心素养水平的试题形式;2019年北京高考理综物理试题完成选拔任务的同时，在利用实验深化学科能力和核心素养考查方面做了更进一步的尝试，在适当降低难度的同时适度提高区分度做了进一步的评价探索.2019年北京高考理综第23题涉及2017年版课程标准新的学生实验—电容器的充放电实验，此题在多个方面体现了物理学科核心素养和命题趋势，本文将对该试题中涉及的物理观念、科学思维、科学探究、数形结合思想考查、定量与半定量和定性分析等方面进行解读.

1 原题回顾

（2019年北京高考理综23题）电容器作为储能器件，在生产生活中有广泛的应用.对给定电容值为C的电容器充电，无论采用何种充电方式，其两极间的电势差u随电荷量q的变化图象都相同.

（1）请在图1中画出上述u- q图象.类比直线运动中由v-t图象求位移的方法，求两极间电压为 U时电容器所储存的电能Ep.

（2）在如图2所示的充电电路中，R表示电阻，E表示电源（忽略内阻）.通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电，对应的q- t曲线如图3中①②所示.

a.①②两条曲线不同是（选填E或R）的改变造成的;

b.电容器有时需要快速充电，有时需要均匀充电.依据a中的结论，说明实现这两种充电方式的途径.

（3）设想使用理想的“恒流源”替换（2）中电源对电容器充电，可实现电容器电荷量随时间均匀增加.请思考使用“恒流源”和（2）中电源对电容器的充电过程，填写表1（选填“增大”、“减小”或“不变”）.

2 试题解答及分析

【试题分析】

（1）本问强调的类比迁移方法，是一种极其重要的方法，v-t图面积表示位移—位置的变化，是一个过程量，结论的得到用到了微元法.关联类比到u-q图与横轴围成的面积，应表示过程量——电容充电过程中电荷克服电场力做的功，或电容器电势能的变化量.“u-q图线与横轴围成的面积表示电容器存储的静电能”的说法反映的是状态量，类似人教版教材位移公式中的x和Δx的关系，当状态起点是零值时，末态的状态量可以反映对应过程的变化量.本问强调：“对给定电容值为C的电容器充电，无论采用何种充电方式，其两极间的电势差u随电荷量q的变化图象都相同.”这里，其实隐含确认了“静电场电场力做功与路径无关，只与初末位置有关”这一关于保守力做功的特点，又可避免暂态电场是变化电场而非静电场的麻烦.

（2）本问的q-t图线的斜率反映充电电流i，图线有两个突出的特点：其一，q随时间t从0开始增加，但是斜率逐渐减小;其二，q存在极限值.

a. 充电过程会存在暂态电流，图3中①②两条图象的电量极限值相同，意味着它们达到静电平衡时的电量Q相同，而用的是同一个电容器C，根据U=Q/C，应该所用电源的端电压U相同，故电动势E相同，利用排除法判断：斜率的差异应该是暂态过程R的不同导致的.

b.可以从t→0时的q-t图线的斜率来分析，t→0时，从图中，可以看出①电流比②电流大，此时电容器可认为暂未带电，其电压为0，故电阻的电压就等于E，因此，根据部分电路欧姆定律，①对应的电阻小;②对应的电阻大.（事实上，任意相同电量（纵坐标）的状态，电容的电压相等，从而电阻的电压相等，但图上的斜率—电流—都是①的比②的大）

第（2）问对学生实验能力中的数据分析能力和推理能力有比较高的要求，总体属于课程标准评价层级四的要求，第（2）a问从实验数据处理的图象呈现方式分析推理图象差异的原因，这一处理方法与19题表格呈现方式分析推理原因的考查相得益彰，第（2）b问要求考生根据a的分析结果解决实际问题，问得恰到好处.

（3）对恒流源，电源电流恒定，根据能量守恒定律，其两端电压UI等于R两端电压UR=IR与电容器两极板电压UC=It/C之和，故UI=It/C+IR，U随时间线性增加.（2）中电源，内阻为0、电动势恒定，实质是恒压源，即输出电压UV（=E）恒定，UV等于R两端电压UR=IR与电容器两极板电压UC=q/C之和，由部分电路欧姆定律得I=（UV-q/C）/R，故I随q增大而减小.

本问深度考查了考生的能量观念，要求考生在遇到新概念、新情景时，甄别和利用能量守恒定律解决问题，考生必须弄清楚能量守恒定律及由之得来的欧姆定律的适用条件.

3 试题的核心素养分析和能力素养导向下的亮点品味

该试题紧密围绕物理学科核心素养，以科学探究为背景，注重物理观念、科学思维的考查，从学生熟悉的基本物理概念出发，多角度深刻剖析基本物理概念和规律.

3.1 物理学科核心素养视角的分析

3.2 能力素养导向下的亮点品味

3.2.1 注重模型构建意识的培养

对象模型上，本题涉及电容器、恒压源、恒流源、静电平衡状态等概念对象的构建有隐性要求.方法模型上，本题强调类比迁移与关联整合的方法.过程模型上，本题要求学生比较好地理解电容器的充电过程本质上是导体达到静电平衡的暂态过程.

3.2.2 注重物理规律的深度考查

本题体现了物理规律普适性，题干开宗明义指出，电场力做功、电容器充电的具体过程与方式无关;（1）（3）都涉及到能量的转化与守恒，能量守恒是物理学中最引人入胜的规律之一，高中教材中，力、热、电、光中都有能量守恒定律的体现，比如力学中的机械能守恒定律，热学中的热力学第一定律，电学中的欧姆定律、楞次定律，光学中的爱因斯坦光电效应方程，等等，也是物理教學的重点、难点所在.题目第（2）问围绕静电平衡状态及其暂态过程规律考查.

3.2.3 注重数形结合思想的渗透

本题以两个图象：u-q图和q-t图，考查了图象问题的识别图象、运用图象、创造图象三个层次中的两个，较为全面地考查了图象的六大要素——轴、点、线、斜、截、面.

3.2.4 注意实验考查方式的创新

本题三问设问层次鲜明，注意评价层级的递进，多处体现了创新.创新点主要体现在：一、全面要求考生进行定量推导、半定量和定性分析;二、首次综合考查实验与理论相结合进而解决实际生活问题;三、从“电源”到“恒流源”概念考查的过程，再现了新知构建的过程，也是过往高考中没有的.本题的设问，知识跨度大，并非一般问题的单线设问，而是多角度、非线性设问，要求考生具有将知识和方法关联整合的能力，体现了浓浓的物理味道，体现了命题者对于评价层次和尺度的把握水平，展现了命题者的创新意识，对于引导物理教学有非常好的导向作用.

4 试题给我们的教学启示

基于以上试题评价的分析和问题解决策略的分析，笔者认为，给我们的教学启示如下：

（1）教师在平时教学中，应注意加强对课程标准和教材的研读和研究，研究课程标准的内容标准和评价标准，研究教材中的例题、习题等，做教材比较分析，引领学生重视和使用教材，引导和帮助学生整合碎片化的知识、方法，形成有机的体系，提高关联整合和思辨能力.

（2）教师在教学中要重视实验的基础性地位，充分利用演示实验、自创实验和学生实验，在直观观察基础上，深化思维、建立概念、构建规律.比如利用平均速度的测量建立瞬时速度的概念，利用自制电容器的演示建立电容器的概念，利用电容器的充放电建立电容的概念.

（3）教师应帮助学生全面提升实验能力.在高一、高二足额做好演示实验、扎实落实学生实验的基础上，帮助学生认识到实验在物理学科中的基础性地位，拓展实验能力发展的边界和方向，提升图象法和列表法处理数据等的实验数据分析能力，品味物理学史上的经典实验所蕴含的深邃的物理思想，利用实验数据分析方法和结论解决生活中的实际应用问题等，引导学生在运用数学工具定量分析物理问题之后，进行半定量、定性的讨论并构建其对应的物理图景，形成内在的、深刻的物理学科核心素养.

（4）增加理论与实验相结合的问题的供给形式，丰富新知类问题的考查方式，更加显性地展示创造性劳动，通过讨论、剖析和练习等措施，帮助学生增强在信息提取、逻辑思维和质疑创新等方面的能力，提升科学思维水平.教师在素材的选取上对基础较好的学生可以适当多开些窗口，同时也引导学生关注科学、技术、环境和社会.

（收稿日期：2019-06-13）