原始物理问题在实现高考“四翼”考查要求中的应用

潘诗莹 王笑君 周兆棠

摘   要：提出以原始物理问题来实现对素养的考查，特别强调考生在解决这类问题时，需经历将实际问题转化为抽象物理问题的过程，通过示例说明对这一过程的考查有助于实现“四翼”中“应用性”和“创新性”这两项更高层次的要求。

关键词：高考；原始物理问题；一核四层四翼；素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）5-0045-3

2018年，我国颁布了《普通高中物理课程标准（2017年版）》，从重视能力转向重视素养，而素养是学生在解决实际问题时所表现出来的综合品质［1］。传统试题以考查学生解题能力为主，近年来的高考试题虽然也注重与实际情境的结合，但题目中的问题仍为抽象后的物理问题，缺乏让考生经历从实际问题向抽象物理问题转化的过程。本质上这类情境考查的仍然是解决抽象物理问题时的执行能力，不包括将实际问题转化成抽象物理问题的实施能力，其对素养的考查难以达到《中国高考评价体系》［2］中“四翼”的更高层次的考查要求，即“应用性”和“创新性”。本文借助原始物理问题的概念界定作为界限，将高考物理试题划分为A，B两个层次，A层次对应“四翼”中的“基础性”和“综合性”层面，B层次对应“四翼”中的“应用性”和“创新性”层面，以实现对考生素养的高层次考查。

1    物理高考题的双层次划分

目前，大部分研究中的原始物理问题指的是“对自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的物理现象的描述”，一般不涉及已知条件，且来源于真实情境［3］，因此，原始物理问题与核心素养的考查十分契合。但为了体现学生在解决实际问题时的综合品质，应更加关注考生将实际问题转化为抽象的物理问题的能力。本文对原始物理问题的定义是以“对真实情境中事实和现象的朴素描述”为情境，以解决实际问题为任务的物理试题。

原始物理问题的解决过程如图1所示［3-5］。首先，需先选择原始物理问题所指向的关键物理量，设置解决问题所需要用到的条件物理量，并进一步抽象构建模型，将原始物理问题转化为抽象后的物理问题；再通过选取运用物理规律并分析物理量之间的关系，从而解决问题；最后结合数学运算结果和对结果的分析给出实际问题的答案。对比传统试题，原始物理问题最大的特点其实并不在实际情境，而在实际问题的设问，它使得考生必须经历从实际问题到抽象物理问题的转化过程。增加了这一环节的考查，将更能体现出学生在解决实际问题时的综合品质。

在认知操作层面上，安德森等人在2001年对布鲁纳的认知目标分类体系做了修订，将教育目标划分为“记忆”“理解”“应用”“分析”“评价”“创造”六个层次，其中，“应用”进一步分为“执行”和“实施”两个层面。“执行”是在考生较熟悉的情境中依照线索选择步骤，即按所说的去完成解答，主要考查解题能力；而“实施”则要考生在较陌生的情境中依照自己对问题的认知理解，按所要求的去解决问题，考查的是做事的能力。

综上所述，本文提出将物理高考题划分为“A层”和“B层”两个层次。其中，A层题目为传统试题，对应于“四翼”中的“基础性”与“综合性”考查要求，以考查考生的解题能力为主，相应的认知操作层面依次为“记忆”“理解”“应用（执行）”，其中的“应用”属于较低层次的“执行”，即依据情境运用物理规律来布列方程解题。而B层题目为原始物理问题，对应于“四翼”中的“应用性”与“创新性”考查要求，主要考查考生在解决实际问题时的综合品质，相应的认知操作层面依次为“应用（实施）”“分析”“评价”“创造”，其中的“应用”属于较高层次的“实施”，即包含方案决策与执行。

2    B层试题设计示例及分析

根据《中国高考评价体系》的划分，情境可分为学习探索情境和生活实践情境［2］，以下分别针对这两种情境给出B层试题的示例。

例1 在探究安培力方向时，某校高二的同学按照图2所提供的方式对左手定则进行验证，在保证实验中导线电流方向和磁极符号都是正确的前提下，他们反复进行多次实验，观察到的现象可以用图3所示的有代表性的三次结果来表示。接着，他们采用了更换全新的、不同型号的蹄形磁铁、多个蹄形磁铁并排以增大导线在磁场中的有效长度等方法，观察到的现象还是与图3类似。

（图中圆点代表导体杆内电流方向，箭头1和力F代表按左手定则判断的方向，箭头2代表导体桿实际在蹄形磁铁内运动的方向）

（1）通过观看他们实验过程的记录图片，归纳在实验中发现了什么现象？

（2）能猜想造成这些现象的主要原因是什么吗？简要表述出来。

（3）如何用最简单的方法检验你的猜想？请简述并用简图表示。

分析：在第（1）问中，试题没有直接询问“导体杆实际运动情况与理论预测是否相同”，而是要考生自行对实验现象进行分析归纳和问题转换，并得出“导体杆运动方向的理论预测与实际结果不同，导体杆运动方向与导体杆在磁场中所处位置有关”的结论。这一情境对于考生来说较为陌生，考生需结合已有认知和新情境来解决问题，因此第（1）问对应于“四翼”中的“应用性”，认知操作的“应用”层面属于“实施”。

考生在经历第（1）问后，进一步思考“导体杆运动方向的理论预测与实际结果的一致性，为什么会受导体杆在蹄形磁铁中所处位置的影响”，通过分析，安培力方向只与磁场和电流方向有关，而电流方向是由电池正负极决定的，是确定的，而蹄形磁铁产生的却不一定是理论上的匀强磁场。通过猜想和推理论证，得出“蹄形磁铁靠近端口处，磁感线方向和分布符合蹄形磁铁所标注磁极的情况，而在蹄形磁铁端口较深处可能不符合”。因此，第（2）问同样需要考生进行问题转化，也对应于“四翼”中的“应用性”，认知操作的“应用”层面属于“实施”。

而第（3）问所要求的检验猜想的方法可以是多样的，因此答案不唯一，属于开放性题目，对应于“四翼”中的“创新性”。两种方案如下：

方案一：让蹄形磁铁平放在桌面上，将一个小磁针沿蹄形磁铁的中轴线的左端缓慢移动到右端，如果看到在靠近端口处，小磁针的指向与所标注磁极是相符的，过了端口处不远，小磁针的指向就发生改变，最后变成与所标注磁极相反，如图4左图所示，即说明猜想是正确的。

方案二：把蹄形磁铁平放在水平木板上固定，沿蹄形磁铁的中轴线依次排列一些小磁针，如果看到小磁针静止后，蹄形磁铁端口处与蹄形磁铁深处小磁针的指向如图4右图所示，则猜想是正确的。

其中，方案一是命题者预设的答案，而方案二是在实际测试过程中个别学生呈现的答案。可见，开放试题可能会出现预设之外的正确答案，体现了学生的创新思维。

方案一：沿中轴线移动单个小磁针  方案二：沿中轴线放置多个小磁针

例2 （改编自粤教版选择性必修三第二章第一节的例题[7]）人们使用气压式保温瓶时，只需按压保温瓶顶端，即可将水从瓶中压出，图5所示是气压式保温瓶结构图。

A层试题：已知保温瓶可盛水的体积为V1，瓶盖下方气室的体积为V2，出水管口到瓶中水面的高度为h，如图6所示，水的密度为ρ，外界大气压强为p0，若瓶中只有半瓶水，希望按压两次就能出水，则V1和V2之比需满足什么条件？（出水管体积忽略不计，上下两部分气体可近似看作温度相同）

B层试题：若保温瓶中只有半瓶水，希望按压两次就能出水，需满足什么条件？

分析 对于B层试题，考生首先要将“需满足什么条件”的问题转换为“什么时候瓶内气体的压强大于等于大气压强和液体压强之和”。在进行完问题转换后，考生需选择分析问题的关键物理量，既可以选择从保温瓶容积和瓶盖下方气室体积之比进行回答，也可以从出水口到瓶中的高度h所需满足的条件进行回答。之后，考生需对物理情境进行抽象并建立模型。首先，气室中气体温度与保温瓶中气体温度需要近似看成相等，否则系统就不是处在平衡态，而这种近似成立的前提是气室中气体的质量远小于保温瓶中气体的质量；其次，按压的过程可以视为等温过程，也可以忽略与外界热量的交换，视为绝热过程；最后，再根据问题情境和所构建的模型自行设置相应的物理量，之后的问题解决过程与A层试题无太大差异，但不同的模型建构有可能导致最终不同的结论。可见，此题具有一定的开放性，对应于“四翼”中的“创新性”。

3    结束语

高考要突出素养，可将实际情境作为考查载体，但要真正实现从考能力转向考素养，则不仅需要实际情境，更要从传统试题中所呈现的抽象后的物理问题，转向呈现实际问题，即将认知操作水平从单纯的“执行”转向“实施”。此外，可以适当考虑通过问题的开放性来满足“四翼”中的“创新性”考查要求。诚然，作为高考题还需要考虑题目结构的完整性。但尽管如此，原始物理问题仍不失作为突破传统试题的局限性的一种尝试，为“四翼”中“应用性”和“创新性”这两个更高层次考查要求的实现另辟蹊径。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）［S］．北京：人民教育出版社，2018：18-23．

［2］教育部考試中心．中国高考评价体系［M］．北京：人民教育出版社，2019．

［3］邢红军，石尧．原始物理问题教学：一个本土化教学理论的创生［J］．教育学术月刊，2016（9）：83-90．

［4］田成良．价值引领 育人载体 素养考查——对情境化试题的思考［J］．中小学教材教学，2019（4）：53-55．

［5］艾静，张军朋，熊建文．物理核心素养视域下的问题情境化层级结构的建构及应用［J］．物理教学，2018，40（10）：14-17．

［6］盛群力，褚献华．布卢姆认知目标分类修订的二维框架［J］．课程·教材·教法，2004，34（9）：90-96．

［7］熊建文．普通高中教科书物理选择性必修第三册［M］．广州：广东教育出版社，2019：22-23.

（栏目编辑    陈   洁）