深化考试内容改革背景下高考物理压轴题命题特点与启示——以2021年“八省联考”中物理学科电磁压轴题为例

张一驰 周文钊

(广东省深圳中学,广东 深圳 518000)

2021年初,河北、辽宁、江苏、福建、湖北、湖南、广东、重庆等第三批高考综合改革省份为全力做好新高考落地的各项工作,进行了全流程全员模拟高考演练．教育部考试中心和各省教育考试院精心制定命题并进行适应性测试,网称“八省联考”．2021年2月26日《教育部关于做好2021年普通高校招生工作的通知》中强调,为深化考试内容改革,2021年高考命题要坚持立德树人．要优化情境设计,增强试题开放性、灵活性,充分发挥高考命题的育人功能和积极导向作用,引导减少死记硬背和“机械刷题”现象．

在此背景下,深入研究“八省联考”的试题,对于深入理解考试内容改革方向具有重要意义．本文将以“八省联考”中物理学科电磁压轴题为例,系统研究新高考改革背景下物理压轴题命题的趋势与特点,给一线教师教学、备考和命题以启示．

1 例题呈现

以一线物理教师使用较多的力学、电磁学两大传统模块为分类依据,可以简单地将“八省联考”中物理学科压轴题进行划分,结果如表1．

表1 “八省联考”物理学科压轴题分类

从表1可知,湖南、广东省物理试卷选择以力学综合问题为背景设计压轴题,其余省份选择以电磁场为背景设计压轴题．应该说,不管是力学背景还是电磁学背景,每一道压轴题都为各省教育考试院与命题专家精心命制,体现了深化考试内容改革的趋势．这里,我们选择相对更具特色的河北卷和江苏卷为例,进行原题展示与分析．

例1.(河北卷)在弗兰克-赫兹实验中,电子碰撞原子,原子吸收电子的动能从低能级跃迁到高能级．假设改用质子碰撞氢原子来实现氢原子的能级跃迁,实验装置如图1所示．紧靠电极A的O点处的质子经电压为U1的电极AB加速后,进入两金属网电极B和C之间的等势区．在BC区质子与静止的氢原子发生碰撞,氢原子吸收能量由基态跃迁到激发态．质子在碰撞后继续运动进入CD减速区,若质子能够到达电极D,则在电流表上可以观测到电流脉冲．已知质子质量mp与氢原子质量mH均为m,质子的电荷量为e,氢原子能级图如图2所示,忽略质子在O点时的初速度,质子和氢原子只发生一次正碰．

图1

图2

(1) 求质子到达电极B时的速度v0;

(3) 要使碰撞后氢原子从基态跃迁到第一激发态,求U1的最小值．

例2.(江苏卷)跑道式回旋加速器的工作原理如图3所示.两个匀强磁场区域Ⅰ、Ⅱ的边界平行,相距为L,磁感应强度大小相等、方向垂直纸面向里.P、Q之间存在匀强加速电场,电场强度为E,方向与磁场边界垂直.质量为m、电荷量为+q的粒子从P飘入电场,多次经过电场加速和磁场偏转后,从位于边界上的出射口K引出,引出时的动能为Ek.已知K、Q的距离为d.

图3

(1) 求粒子出射前经过加速电场的次数N;

(2) 求磁场的磁感应强度大小B;

(3) 如果在Δt时间内有一束该种粒子从P点连续飘入电场,粒子在射出K之前都未相互碰撞,求Δt的范围.

2 例题特点分析

特点1:试题情境新颖.

情境作为试题的重要组成部分,其目的就是针对知识的习得、实际运用、对客观外在环境以及内在教育价值(特别是情感的挖掘)提供的问题解决背景、活动场景和资源条件．例1属于综合情境,结合了物理学史情境和实验情境,而例2属于现代科技情境．我们根据情境类型学的分析框架,从8大维度进行讨论总结,定性得到如表2所示分析结果．

表2 基于情境类型学的分析框架的案例分析

由此易知,新高考模式下试题情境会更加新颖,主要体现在情境从传统的完全建构走向“半真实”,对已知条件和信息和模型变化的处理走向“隐蔽需变化”,情境本身与试题结合度更高,而非有一些传统压轴题为了情境而情境．

特点2:试题开放灵活.

例1对于常见的、固定的关于电场、磁场的考察进行了一些形式调整,将考题改编成一个结合匀强电场、完全非弹性碰撞以及粒子物理能级跃迁的问题．举例来说,题目中“假定质子和氢原子碰撞时,质子初动能的1/3被氢原子吸收用于能级跃迁”考察了将碰撞损失能量用于氢原子受激跃迁时,能量值需恰好等于能级差这一知识点．“要使碰撞后氢原子从基态跃迁到第一激发态,求U1的最小值”,用求U1的最小值代替考察在损失能量全部用于能级跃迁的条件下,碰撞损失能量最大的情况．问法新颖,模型处理和转变非常灵活．

例2考题结合了圆周运动以及追及相遇问题对电磁场进行考察,通过灵活的变化与调整,充分挖掘与再利用传统问题,增强趣味性．转变固定的封闭性的提问方式,通过提问的叠加来拓宽问题的维度,增强开放性和思维性．同时,第3问将运动学中一个简单的相遇追及问题设置成两粒子经电场加速和电磁场作用偏转的模型,需要学生灵活变通,将不同模型联系到一起．

特点3:思维能力考察突出.

新课标指出高中物理学科的核心素养之一是科学思维,是基于经验事实的抽象概括,是具体运用推理论证等科学思维方法的过程．经分析,两题考察模型与知识点如表3所示．

如表3所示,在复杂情景下应用物理理论,对学生的分析能力与思维的严密性要求很高,题目中物理量随运动过程发生变化,学生需找出物体运动规律得出结论．

表3 例题考察模型与知识点汇总

两道例题主要从理解(阅读题目、建立模型),推理(分析过程、物理量的矢量性)以及分析综合(空间思维能力、变化物理量之间的联系)3个方面考察学生物理思维能力,在数学的应用上考察难度相对不大,但物理思维方面的考察尤其是临界思维的考察上很有特色．对两道例题详细的能力分析与题目解读见表4、表5．

表4 例1题目解读与能力要求

特点4:育人功能强大.

新高考改革背景下另一个命题趋势与特点便是育人功能．物理试题的育人功能,主要体现在能够对课堂内容有所补充,促使学生在题目中进一步学习,提升自身科学精神,引导实践创新和责任担当,塑造科学的价值观．

例1以物理学中的弗兰克-赫兹实验为背景,但不拘泥于真实的历史过程,而是将其变化并抽象出质子碰撞氢原子的物理过程,通过对新模型定量计算,让学生进一步理解碰撞模型中核外电子跃迁的本质．以笔者多年高三备考经验来看,这个模型是很多教师略过(甚至讲错)的．因此,例题一能够让学生在做题之余进一步拓展了对氢原子跃迁的认知．

例2则以有别于课本中普通回旋加速器的跑道式回旋加速器为内容进行展开,这是对课本中回旋加速器的一种补充．有兴趣的学生,自然也会在课余去了解传统回旋加速器与跑道式回旋加速器的实际应用情型以及优缺点,个别学生也会发现医用电子回旋加速器其实主要是跑道式的．学生一旦被激发兴趣,必然有助于拓宽视野,提升实践能力．

3 启示

两道例题的特点鲜明,充分体现了物理学科不仅是一门基础学科,也是一门实践性很强的学科．这要求教师在授课过程一方面应该强调基础,帮助学生搭建知识点之间的联系,构建学科知识的“树形图”．另一方面也应注重情境设置,将物理学史结合现代科技,激发学生学以致用的兴趣．就习题教学而言,教师应在平时的练习与测试中,增加试题的开放性,鼓励学生讨论与多角度作答,侧重学生信息加工、逻辑推理、分析和解决问题的能力的培养,指导学生灵活使用所学的基础知识解决实际问题、通过分析在复杂情境下抽象出多个简单模型、注重知识点与模型之间的迁移与联系．另外,协调物理题中对数学应用的难度,重点突出物理学科思维能力．