基于物理学科能力的高考试题学习诊断研究与思考

崔琰 张玉峰 王春梅

摘 要：对学生物理学科能力的诊断，是发展学生物理学科核心素养、提高教师教学效率、指导教师进行精准教学的重要前提.本文从物理学科认识方式、认识任务及表现，分析学生对物理学科核心知识和学科活动经验中存在的问题，对学生物理学科能力做出诊断，并针对学生物理学科能力的增长点，提出教学改进的建议.

关键词：物理核心素养;物理学科能力;学习诊断;高考试题

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）19-0026-04

基金项目：北京物理学会2020-2021年度立项课题“指向科学思维的诊断性评价研究”（项目编号：WLXH202007）.

作者简介：崔琰（1982-），男，天津人，博士，中学高级教师，研究方向：中学物理教学研究;

张玉峰（1973-），男，山东泰安人，博士，中学特级教师，研究方向：物理教学、学习诊断;

王春梅（1981-），女，北京人，本科，中学一级教师，研究方向：中学物理教学.

中共中央和国务院在2019年颁发的《关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见》中明确指出“精准分析学情，重视差异化教学和个别化指导”.意见中指出的精准分析学情，是提升学生能力、发展学生学科核心素养的基础和前提，是提高教师教学针对性、提高教学效率的基础和保障.本文基于已有的研究成果——北京物理教研团队建构的物理学科核心素养的学习诊断内容（3+2）×3的框架[1]，从物理学科能力的视角，分析学习诊断的重要性、意义和价值，并针对有关问题提出教学的建议.

1 物理学科能力的内涵构成及活动表现

林崇德先生指出，学科能力是教師和学生通过教学活动使得学科知识概化的能力，是“学科教育与智力发展的结晶[2]”.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.其内涵是系统化、结构化的物理学科知识技能及核心活动经验图式对学习行为的定向调节和执行调节.

物理学科认识任务由三个要素构成：概念理解、问题解决、新知建构.基于三个要素及其相应的9个二级能力要素，结合学科认识方式、学科核心活动经验以及学科核心知识，形成了物理学科能力内涵构成及其表现模型，如图1所示.学科核心知识的学习和学科核心活动经验的积累是发展学科能力的基础，学科认识方式是学科能力的核心机制.

学科知识的学习可以分为三个层次：对概念或知识的深层理解、应用知识解决实际问题、在新情境或新问题中构建出新的知识等，这三个层次又可以细分出9个二级指标[1].通过学科知识的学习可以完成从具体知识到认识方式的外部定向、独立操作和自觉内化[3].对学生物理学科能力进行评价时，我们更关注学科认识域的核心知识，以及在学科核心活动的基本经验，评价工具往往以学科知识为载体，通过创设问题情境，考查学生在真实情境中调用知识解决问题的过程，从而诊断学生的学科学习能力.物理学认识领域是指从物理学视角所研究的内容和对象的总和，高中物理学科的核心知识（认识领域）涉及力学、电学、热学、光学、原子物理等内容.物理学科核心知识的学习，是人类认识世界的载体.以学科核心知识为载体的测试，可以诊断出学生在不同认识领域存在的问题.

当然，物理学科还有其独特的认识方式，物理学科认识方式是指从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识过程中，所使用的思维模式（路径）或者信息处理对策.

物理学科认识方式可以从认识对象与表征、认识角度、认识方式类别和认识思路等方面进行阐述.在认识世界的过程中，首先要选取研究对象并对其进行表征，对于实物对象，往往从系统与部分两个角度进行对象选择研究;对于“场”这类非实物对象，往往从对场的属性进行描述的角度进行对象选择研究.对于选定的研究对象，可以通过“表达式、图像、图形”“矢量、标量”等方式进行对象表征，从而用较为合理的物理语言对研究对象进行描述.面对不同的核心知识，往往有与之对应的表征方式：如热学、光学、原子物理等大量微观粒子的问题，往往通过量子化、统计规律进一步分析.对复杂的物体或运动，则根据研究的问题，往往做理想化处理，构建理想化模型等.不同于其他学科，物理学科有其独特的认识角度，可以从物质、运动与相互作用、能量三个角度对客观世界进行认识和研究，通过这三种认识角度的分析和认识，逐渐形成物质观、运动与相互作用观、能量观等学科核心素养中的物理观念.在我们认识自然世界的过程中，认识方式从类别上可以分为“宏观—微观”“定性—定量”“变化—守恒”等不同方式，这些认识方式往往是跨学科的，比如在化学学科、生物学科中都有类似的认识方式.但是，在分析具体问题的过程中，认识方式类别与物理学科独有的认识角度相结合，可以形成物理学科独特的认识思路，这也是区别于不同学科认识方式的关键.

学生选取恰当的认识思路的能力，往往基于好的学科核心活动经验的积累.物理学科的学习活动经验往往要经历“模型建构、推理论证、质疑创新”等科学思维活动，也要经历“问题与猜想、实验设计与实施、解释与评估”等科学探究活动.在适切的学习活动中形成的学科认识方式，学科可以针对要解决的问题，选择合适的对象，准确对研究对象进行表征，并最终选择恰当的认识方式.所以，通过指向不同的认识方式的试题分析，可以诊断出物理学科认识领域的具体问题，并依据问题进一步开展教学实践.

2 物理学科能力表现的学习诊断

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中“学业质量标准”的学科核心素养维度和“中国学生发展核心素养框架”等文件中，都明确了对学生“关键能力”的要求，因此建构物理学科能力表现框架指向的测评，是对学生物理学科能力学习诊断的基础和前提.对高考试题中物理学科能力考查进行分析，可以发现其考查的主要是课程的主干知识和核心思想方法，考查学生必备知识和关键能力.因此，物理学科核心素养可以基于学科能力内涵及其表现模型进行诊断.

3 基于高考命题对物理学科能力表现的学习诊断

2014年9月，国务院发布的《关于深化考试招生制度改革的实施意见》对高考考试内容改革提出了明确要求.考试命题要依据高校人才选拔要求和国家课程标准，科学设计命题内容，增强基础性、综合性，着重考查学生独立思考和运用所学知识分析问题、解决问题的能力.高考的命题也实现了从“知识立意”到“能力立意”的改革，把理解、推理、实验、应用、探究等各项能力的考查渗透到每一道试题中.分析高考试题，明确高考物理试题指向的物理学科能力，对学生学习能力进行诊断，从而指导我们的教学.高考命题的改革是多方面、多角度进行的.高考试题的时代性，体现在社会进步、人类和科学发展与竞争的大背景下.往往在这样的真实问题中，能够准确地诊断出学生的学科能力水平.

下面，依据物理学科能力内涵构成及其表现模型，以高考题为例，分析试题中对物理学科能力的考查情况.

例题1 （2013年高考理科综合能力测试北京卷 24题（2））

对于同一物理问题，常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究，找出其内在联系，从而更加深刻地理解其物理本质.

正方体密闭容器中有大量运动粒子，每个粒子质量为m，单位体积内粒子数量n为恒量.为简化问题，我们假定：粒子大小可以忽略;其速率均为v，且与器壁各面碰撞的机会均等;与器壁碰撞前后瞬间，粒子速度方向都与器壁垂直，且速率不变.利用所学力学知识，导出器壁单位面积所受粒子压力F与m、n和v的关系.

注意：解题过程中需要用到、但题目没有给出的物理量，要在解题时做必要的说明.

该题以密闭容器内大量微观粒子的运动为情境，考查力学中的主干知识、核心概念，基于认识对象（系统与部分）与表征（图形）、认识方式类别（宏观与微观）、認识角度（受力分析、力与运动）、认识思路（类比迁移）等学科认识方式的考查，通过使学生经历模型建构和推理论证等学科的核心活动，诊断学生的概念理解和问题解决的能力.

可以分析出学生在解答本题中可能遇到的障碍：

（1）文字阅读转化为物理情境（一般素养），再从物理情境中抽象出物理模型（模型建构）.

错误对应的可能原因：学科核心活动经验积累不足或不能将认识任务与学科核心活动经验相关联.具体表现为没有明确问题，或没有将题目中研究的问题转化为粒子碰撞的物理问题;没有能将气体压强产生中的对象转换成“流体柱”的物理模型.学生可能只局限于单个物体碰撞模型中应用动量定理来解题，在复杂情境中没有建构出流体冲击的基本模型.

（2）确定研究对象，选用合适规律进行分析（动量定理）.

错误对应的可能原因：认识对象与表征存在障碍，认识任务中的问题解决与学科核心活动中推理论证没有建立实质关联，从而无法形成正确的认识思路.具体表现为没有能根据题目中求气体压强的目标和已知条件确定解决问题中选用动量定理规律;没有能通过对流体冲击问题进行分析和推理，获得气体压强的表达式.从认识领域角度分析：对动量定理中所涉及的各个物理量之间关系的理解存在问题;对定理中质量所代表的研究对象的受力与运动状态变化的统一性认识不足，对研究对象（ 即受力物体） 的选取不够明确，进而不能用牛顿第三定律清楚地转换研究对象进行分析并规范地表达;对动量定理中合力与动量变化量的矢量方向关系理解不到位，不会熟练处理一维矢量问题.从认识思路角度分析：解决力学问题的思维程序没有完全建立起来，没有通过对题目进行分析，并选取研究对象，对其进行受力分析、运动状态及过程分析，然后选择合适的规律列方程求解的严谨的思维过程.

（3）对细节描述（即“与器壁各面碰撞的机会均等”的物理意义）的精准理解不深刻.

错误对应的可能原因：认识任务中问题解决方面的执行与评价和学科核心活动中质疑创新能力欠缺，具体表现为得出结果后缺少对结果进一步的分析讨论或评价，对评价结果的合理性缺少有依据的质疑.对概率知识的应用理解不深刻.

随着高考改革的推进，高考作为“教”“学”的指挥棒，重点考查基于学科核心知识、主干知识的学科能力的考查.对学科学习能力的诊断，都要通过学科核心知识，基于学科认识思路、认识视角等认识方式，进行考查.从新高考的命题就能分析出这一点.近些年的高考试题，基于模型建构、推理论证、解释与评估等过程，考查物理学科的概念理解、问题解决的能力和新知建构的能力.因此，每年的高考命题既有传承，又有创新.试题紧跟社会和科技的发展，具有很强的时代感，情境更加广泛和多样.对某种能力的考查，从试题上看，往往都具有一定的关联性.

例题2 （2018年高考理科综合能力测试北京卷 24题）

（1）静电场可以用电场线和等势面形象描述.

a.请根据电场强度的定义和库仑定律推导出点电荷Q的场强表达式;

b.点电荷的电场线和等势面分布如图2所示，等势面S1、S2到点电荷的距离分别为r1、r2.我们知道，电场线的疏密反映了空间区域电场强度的大小.请计算S1、S2上单位面积通过的电场线条数之比N1/N2.

（2）观测宇宙中辐射电磁波的天体，距离越远单位面积接收的电磁波功率越小，观测越困难.为了收集足够强的来自天体的电磁波，增大望远镜口径是提高天文观测能力的一条重要途径.2016年9月25日，世界上最大的单口径球面射电望远镜FAST在我国贵州落成启用，被誉为“中国天眼”.FAST直径为500m，有效提高了人类观测宇宙的精度和范围.

a.设直径为100m的望远镜能够接收到的来自某天体的电磁波功率为P1，计算FAST能够接收到的来自该天体的电磁波功率P2;

b.在宇宙大尺度上，天体的空间分布是均匀的.仅以辐射功率为P的同类天体为观测对象，

设直径为100m望远镜能够观测到的此类天体数目是N0，计算FAST能够观测到的此类天体数目N.

本题以“中国天眼”射电望远镜FAST为素材，考查学生基于物理学科认识角度分析解决实际问题的能力.通过创设新颖的、复杂的实际情境，考查学生进行抽象概括、建立模型、类比迁移等关键能力.

在（1）中，从点电荷的电场线入手，引导学生构建“球面辐射”模型.并将电场线的“球面辐射”模型迁移到新的情境中，类比建立电磁波的“能量辐射”模型.（1）b新问题的解决，则可以类比学习过的有关磁通量的知识进行分析.

学生在解答本题过程中，可能会遇到以下障碍：

（1）不能將文字阅读转化为物理情境，再从物理情境中抽象出物理模型（模型建构）.

错误对应的可能原因：学科核心活动经验积累不足或不能将认识任务与学科核心活动经验相关联.具体表现为不能明确解决问题的目标和已知条件，不能把实际问题转化为具体、明确、可解决的物理问题.不能从已知中获取“观测宇宙中辐射电磁波的天体，距离越远单位面积接收的电磁波功率越小”等信息，构建能量辐射模型.阅读能力和数学能力有欠缺，基于认识表征方式，进行概括关联以及说明论证能力都存在问题.不能将电场线球面辐射与磁通量概念建立联系.不能找到物理量和空间数量关系的定量表达，利用数学知识进行求解.

（2）不能基于学科核心知识、大概念、学科认识思路进行推理论证.

错误对应的可能原因：认识任务中的问题解决与学科核心活动中推理论证没有建立实质关联，从而无法形成正确的认识思路.具体表现为不能建立知识间的联系，不能对综合性物理问题进行分析和推理论证.对磁通量概念的理解不够深刻.不能通过已有知识，建构新的知识，形成“电通量”的概念.

4 基于物理学科能力的学习诊断的再思考

对学生学习能力的诊断，指导教师在教学实践过程中要进行相应的调整.但具体说来，对学生学科能力的培养，还要结合具体实际，在学校的统一安排下，进行相应的课程研究和设置.

学校课程建设的推进机制、教师专业发展的水平以及学校整体的课程建设，都对学科能力的培养有一定的影响.

4.1 学校课程建设的推进机制

课程建设是学校教育质量提升和特色发展的核心.课程建设的整体规划、实施路径等，是课程建设的前提.

4.2 教师专业发展的水平

要适应新课改、新高考，需要教师对教材进行主动的变动和调整，适当删减与学生生活实际联系少的内容，灵活加入时代性的内容.这就对教师提出了新的、更高的要求.教师要加强理论知识的学习，不断摄入新事物，紧跟社会发展和科技进步.

4.3 学校整体的课程建设

学校整体的课程建设，是提升课程品质的前提和依据.学校追求的课程教育价值，应指向培养学生的学科学习能力、提升学生的学科核心素养.在此基础上，教师要结合学科特点和学生实际，进行本学科的课程建设.

基于学科核心知识、学科核心活动经验，以及学科认识方式，诊断学生在解决实际问题中的学习能力.对学生学习能力的诊断是实现精准教学的基础和前提，对发展核心素养和提升学生能力有重要的意义和价值.

参考文献：

[1]张玉峰.为了物理学科核心素养发展的学习诊断：概念、路径与内容框架[J].中学物理，2020，38（01）：2-6.

[2]郭玉英，姚建欣，张玉峰.基于学生核心素养的物理学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017.

[3]王磊. 学科能力构成及其表现研究——基于学习理解、应用实践与迁移创新导向的多维整合模型[J].教育研究，2016，37（09）：83-92+125.

[4]臧铁军.教育考试与研究[M].北京：中国青年出版社，2020.

（收稿日期：2021-07-07）