基于《中国高考评价体系》命制STSE类试题

福建 郭 威

《中国高考评价体系》的提出和实施，标志着高考命题理念从“知识立意”“能力立意”向“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”转变，使STSE类试题成为高考物理试题中的热点和亮点。STSE是科学、技术、社会、环境的英文首字母缩写，STSE类试题不仅通过理论联系实际体现了试题的创新性和应用性，还承载了立德树人导向引领，弘扬社会正气，传播正能量，彰显了育人功能，促进学科核心素养的形成。因此，STSE类试题的命制立意要突出以下几个特点。

一、突显时代性

STSE类试题具有鲜明的时代气息，代入感强，使时代信息在命题中体现出能动的作用。

【原创示例1】“旗帜引领方向，旗帜凝聚力量”。2019年在建国70周年国庆阅兵式中，空中护旗梯队破空而来，拉开了阅兵分列式的序幕，如图1所示，悬挂国旗的直-20直升机以一定高度匀速通过天安门广场上空，受到水平阻力的作用，悬挂五星红旗的悬绳与竖直方向成θ角(悬绳质量不计)。其中直升机质量为M，五星红旗(含下方重物)质量为m，重力加速度为g。下列说法正确的是

图1

( )

A.直-20直升机和国旗(含下方重物)整体受到空气作用力竖直向上

B.直-20直升机和国旗(含下方重物)整体受到空气作用力沿悬绳的方向向上

C.悬绳对国旗(含下方重物)的拉力大小为mgcosθ

D.悬绳对国旗拉力和国旗对悬绳的拉力是一对平衡力

【答案】A

【命题意图】2019年是建国70周年，举国欢庆，盛大的阅兵仪式展现了我国武装力量建设的成就，增强了民族自信心和自豪感。以空中护旗梯队为素材进行命题，考查连接体的力学平衡问题以及整体法和隔离法的应用，考查学生的推理能力和学科素养。

图2

二、把握时效性

STSE类试题所选用的素材有些具有时效性，鉴于事件性素材在较短时间内可能失去时效，需及时捕捉受众的接触兴趣和产生社会效果的时机，充分发挥其时效性，使试题情境与时俱进。

【原创示例2】如图3所示，虎门大桥发生明显竖向弯曲振动现象之后，经专家组初步研究，大桥的振动是一种共振现象，沿桥梁两侧护栏连续设置的水马改变了钢箱梁的气动外形，在特定的风况条件下，诱发悬索桥发生竖向涡激共振。根据专家组的建议，大桥管理方及时采取抑振措施，除撤除水马外，还包括在外侧护栏上安装抑流板，改善钢箱梁的气动外形，增设水箱压重提高阻尼比。目前，虎门大桥整体情况平稳，抑振效果良好。下列说法正确的是

图3

( )

A.大桥在强台风“山竹”的作用下，异常抖动会更剧烈

B.虎门大桥异常抖动的频率等于大桥的固有频率

C.通过增加气动措施抑振是为了增加风对桥面的作用力

D.通过阻尼措施抑振是为了将机械能尽量多地转化为阻尼材料的内能

【答案】D

【命题意图】2020年5月5日下午，虎门大桥发生异常抖动，引起了社会的广泛关注，国内检测、设计、科研、施工等方面的专家联动，笔者同时查阅了当时的专家认证结论，进行STSE命题，考查受迫振动相关知识，考查学生处理信息的能力，体现物理观念和科学思维的学科核心素养。

【解题思路】受迫振动是物体在周期性驱动力作用下的往复运动，如果驱动力的频率接近桥梁的固有频率，就可能使桥梁产生共振，故引起桥梁涡振不在于风力多大，而取决于驱动力的频率，大量实验研究表明，物体做受迫振动时，振动稳定后的周期或频率总等于驱动力的周期或频率，与物体的固有周期或频率无关，AB选项错误；通过增加气动措施抑振，是为了减少风对桥面的作用力，C选项错误；通过阻尼措施抑振是为了将振动的机械能尽量多地转化为阻尼材料的内能，从而降低轿梁的振动，D选项正确。

三、体现社会性

通过STSE类试题把相应的知识技能、政治意识形态和某种文化特质传递给学生，规范、引导学生发展，使其进入社会实践并在各个领域中发挥作用，进而显示出试题的社会功能。

【原创示例3】(多选)2021年3月1日，最新刑法修正案生效，“高空抛物”正式入刑，更大程度上发挥法律的警示功能，促进人们自警、自律、自制。专家在现场模拟物体从不同高度坠落造成的破坏力，用34 m高空作业车模拟十层楼房，以10 m、20 m、30 m的高度分别抛下瓶装水、易拉罐、鸡蛋等常见物体。结果发现，从30 m高空坠落时，350 g的瓶装水可在五毫米厚的木板上砸出两尺长裂缝，同样质量的易拉罐，则直接砸出了一个大洞；即便只有50 g的鸡蛋，从20 m高度落下时，也能够在石膏板上砸出痕迹，可见物体从高空自由坠落的威力惊人。则下列说法正确的是

( )

A.同样质量的瓶装水和易拉罐从同样高度砸到木板上的作用力一样大

B.不同物体从同一高度坠落到地面的木板上过程中重力势能改变量相同

C.从20 m高度落下的鸡蛋对石膏板的作用力与石膏板对鸡蛋的作用力大小相等

D.不计空气阻力，30 m高自由坠落的瓶装水在最后 10 m的平均速度小于下落25 m时的速度

【答案】CD

【命题意图】本题以2021年3月1日最新刑法修正案生效，“高空抛物”正式入刑为情境，考查自由落体问题，旨在从试题蕴含的价值观映射社会的主流价值观，同时体现物质观念和科学态度与责任的学科素养。

【解题思路】同样质量的瓶装水和易拉罐在同样高度落到地面的木板上，速度的变化量和动量的变化量相等，但是从与木板接触到速度为零的时间可能不同，所以根据动量定理可知两者砸到木板上的作用力可能不同，A选项错误；因为不同物体的质量不尽相同，虽然从同一高度落下，但重力势能的改变量不尽相同，B选项错误；根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相等，方向相反，并作用在同一直线上，所以鸡蛋对石膏板的作用力大小等于石膏板对鸡蛋的作用力，C选项正确；瓶装水从30 m高自由坠落的最后10 m的平均速度等于其中间时刻的速度，而瓶装水下落25米时的速度为最后10 m的中点位移的速度，D选项正确。

四、融入科普性

STSE类试题以科普信息为载体，由“事件、信息、问题”三部分构成，让学生应用所学的知识进行解题，考查学生的阅读理解、收集和处理信息、知识迁移、综合分析和类比应用能力，使试题真正体现科学技术、日常生活、现代科技成果和社会知识，引导学生了解现代科技重大成果和应用。

【原创示例4】当武汉疫情告急之时，空军紧急出动如图4所示的运-20等11架运输机，向武汉空运支援湖北医疗队队员和物资，这是空军首次成体系大规模出动现役大中型运输机执行紧急空运任务。运输机载荷一个重要的参数就是最大起飞重量，飞机升力L=CLPS，式中P为飞行动压、S为机翼面积，而通常升力系数CL是由实验测得的一个无量纲量。若用ρ表示空气密度，m表示飞机质量，v表示飞行速度，F表示发动机推力，可能不会计算飞行动压P，但可根据所学的物理知识和物理方法进行分析，判断下列飞行动压P的表达式中合理的是

图4

( )

【答案】B

【命题意图】本题以武汉疫情出动中国研究制造的新一代军用大型运输机运-20为情境，题中提供了运输机载荷的信息，考查学生获得信息、处理信息的能力，考查量纲及科学思维的学科素养。

五、严控科学性

试题本身的科学性被认为是评判试题合格的重要指标。内容科学、无差错；试题表述、用词规范；问题清晰无歧义；图文匹配、题量与梯度合理；试题情境合理，素材真实等是STSE类试题的底线，而原创试题不科学的原因多数在于命题人只注重题目所要考查的知识点本身，而忽略了实际情况，捏造了数据或情境。

【原创示例5】我国首艘国产002航母飞行跑道前端l=35 m的一段做成平缓曲面(可视为倾面的倾斜跑道)，舰首上翘仰角12°，起飞跑道总长S=195 m(如图5所示)。歼-15舰载机最大起飞质量m=3.25×104kg，发动机的推力大小为F=2.6×105N，飞机质量视为不变并可看成质点，全程平均阻力大小为重力的k倍。若航母处于静止状态下，歼-15舰载机满载时，在倾斜跑道的末端速度需至少达到v=100 m/s才能正常起飞，k=0.1，g=10 m/s2，sin12°≈0.2，cos12°≈0.98，求：

图5

(1)歼-15满载在末端以最小速度起飞时重力的瞬时功率大小P；

(2)满载时在水平跑道与倾斜跑道的加速度大小；

(3)通过计算说明满载时的歼-15在不加助推力的情况下能否在起飞跑道上起飞？

【命题意图】002型航母是我国第一艘自主研发的国产航母，凝集了我国科技的核心，充分表明了中国造船工业技术的进步和突破，是我国展示综合国力的一种方式。题设中的数据为网络上公布的002型航母“山东舰”的数据，本题根据已获得的数据进行命题，考查牛顿第二定律、运动学、功率问题，体现学科素养和核心价值的双重功能。

【解题思路】(1)根据P=mgvsin12°得P=6.5×106W

(2)在水平跑道F-kmg=ma1得a1=7 m/s2

在倾斜跑道F-kmg-mgsin12°=ma2得a2=5 m/s2

(3)设水平跑道与倾斜跑道交接处的速度为v1、倾斜跑道末端速度为v2

故满载时的歼-15在不加助推力的情况下不能在重载起飞跑道上起飞。

六、关注匹配性

STSE类试题命制不仅要关注素材本身，还要关注如何把素材与高中物理知识进行匹配，从什么考查方向入手进行命制试题，对所选素材要进行模型化简化、理想化处理，使之与高中知识能做到准确、合理、有效地匹配，拉近学生所学习的物理知识与科学、技术、社会、环境之间的距离。

【原创示例6】电子束蒸镀是在电磁场的配合下利用加速电子轰击坩埚内镀膜材料，电子的动能转换成热能加热镀膜材料使其蒸发，从而形成高纯度、高精度的薄膜。一种电子束真空蒸镀装置简化示意图如图6所示，热电子由高热阴极钨丝表面释出，利用高压电场U使电子从静止开始加速。电子聚成束穿过中心孔O水平向左射入方向垂直纸面向里的足够宽的附加匀强磁场，经磁场作用电子束恰好垂直打在坩埚内的镀膜材料右边缘P点。由于有这个外加磁场，坩埚与蒸发源材料所产生的二次电子垂直坩埚内镀膜材料平面逸出后(在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子叫做二次电子)，经磁场作用发生偏转而被竖直收集板吸收，二次电子的能量较低，逸出速度仅为入射电子束速度的10%，与水平绝缘板碰撞能量损失不计。已知电子的电量为e、质量为m，中心孔O距离镀膜材料上表面的竖直距离为d，竖直收集板与镀膜材料右边缘P的水平距离x=2.15d。求：

(1)经过高压电场U加速后的电子束速度大小v；

(2)附加磁场的磁感应强度大小B；

(3)二次电子从P点逸出到被收集板收集的运动总时间t。

【命题意图】本题考查带电粒子在电场中加速和在磁场中的偏转，旨在考查建构理想模型的意识和能力，体现物质观念、科学思维和科学态度与责任的学科素养。

(2)由题意知，电子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹如图7所示，由几何关系可知轨迹半径R=d

图7

(3)二次电子逸出速度仅为入射电子束速度的10%，故二次电子在磁场中偏转的半径r=0.1R=0.1d

由x=2.15d可得x=21.5r

图8

故二次电子从逸出到被收集板收集的运动总时间