高考試題銜接課程標準,核心素養考查落地生根
——以北京卷高考第20題解析為例看“科學思維”角度的素養考查

劉 芳 孫德峰

(1.北京市教育學院豐臺分院，北京 100073; 2.北京市第十二中學，北京 100071)

2018年1月16日,教育部正式發布了2017版普通高中課程方案和14門課程標準．新頒布的課標中關于學科核心素養以及學業質量標準的提出,為高考以及高中學業水平等級性考試提出了新的要求．按照教育部的規劃,修訂后的課程方案和課標將于2018年秋季正式投入使用,因此以新課標為指導思想和理論依據的學業等級考試將在2021年正式落地．但在2018年6月8日落下帷幕的全國各地高考試題中,不難發現各地各科高考試題的考查中都在“穩中求新”的基礎上嘗試和探索新版課標中提出的核心素養的考查．

2017版的新版高中物理課程標準中凝練出物理學科的核心素養包含4個方面:物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任．其中物理觀念包含物質觀、運動與相互作用觀、能量觀等要素;科學思維包含模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素;科學探究包含問題、證據、解釋、交流等要素;科學態度與責任包含科學本質、科學態度、社會責任等要素．筆者將從北京卷第20題的分析和解讀出發,淺談本題是如何考查學生“科學思維”這一方面的核心素養,以圖激發所有一線物理教師思考如何在教學實踐過程中通過落實物理學科核心素養的培養提高學生的核心素養,為學生終身發展,應對現代未來的挑戰打下良好的基礎．

請看2018年北京高考第20題.

根據高中所學知識可知,做自由落體運動的小球,將落在正下方位置．但實際上,赤道上方200m處無初速下落的小球將落在正下方位置偏東約6cm處．這一現象可解釋為,除重力外,由于地球自轉,下落過程小球還受到一個水平向東的“力”,該“力”與豎直方向的速度大小成正比．現將小球從赤道地面豎直上拋,考慮對稱性,上升過程該“力”水平向西,則小球

(A) 到最高點時,水平方向的加速度和速度均為0.

(B) 到最高點時,水平方向的加速度和速度均不為0.

(C) 落地點在拋出點東側.

(D) 落地點在拋出點西側.

雖然高考閱卷還沒有開始,但根據筆者多年來一線教學以及高考備考經驗,本題中(A)、(B)兩個選項的選擇人數將占很大比例．縱觀全卷,本題將是除去第24題以外整卷中最有篩選能力的題目之一．本題從能力立意的角度著重考查學生的理解能力、推理能力以及應用能力．而從核心素養的角度出發,本題著重考查了對科學思維這一方面的核心素養．

本題的問題情境取材于生活中的實際問題“落體偏東”．大多數學生對于這一生活現象幾乎沒有任何的實際經驗．因此本題中的問題情境來說對于學生來說是幾乎完全陌生的新情境．能在新情境中對綜合性物理問題進行分析和推理,獲得正確結論并做出合理解釋是新課標中學業質量等級5對“科學思維”素養的要求．

對于學生來說非常新穎的問題情境成為學生解答這一題目的首要障礙．學生需要將這樣的問題情境與高中物理學習中或者生活中常見的問題情境做類比,建構在類似情境中的運動模型來解決問題,這恰好是“科學思維”這一核心素養的第一要素:模型建構．通過審題,學生可以發現題目中的關鍵字“豎直方向”、“水平方向”,聯想到生活中和物理學習中都經常出現的平拋運動,學生將嘗試建立一個類似平拋運動的模型來解決問題．

建立起運動模型之后,我們需要利用這個模型來對題目中的問題進行綜合的分析．這也是“科學思維”素養的第二個要素——科學推理．新課標中對于高中物理的課程目標定義為促進學生核心素養的養成與發展．新課標的課程目標中明確指出學生要讓能運用科學思維方法從定性和定量兩個角度對問題進行科學推理、找出規律、形成結論．

在研究平拋物體的運動時,學生發現“運動的合成與分解”的思想可以將研究對象從復雜的曲線運動轉變為簡單的直線運動．學生通過類比遷移的科學方法將“運動的合成與分解”的思想運用到本題中,就可以通過綜合分析得出結論．科學推理過程如下.

我們假設物體以初速度v0從赤道上地面豎直上拋．上升過程物體受力情況如圖1甲所示,下落過程如圖1乙所示．

圖1

根據運動的合成與分解中運動的獨立性原理,物體在豎直方向上初速度和受力決定物體在豎直方向的運動．由圖可知,物體在豎直方向具有初速度且只受重力,因此我們可以做出判斷,物體在豎直方向做豎直上拋運動．

上升過程物體豎直方向的速度滿足

vy=v0-gt，

(1)

當vy=0時,物體上升到最高點．

再根據題意,物體在水平方向上受到的力與豎直方向的速度大小成正比,即

Fx=kvy.

(2)

根據牛頓第二定律Fx=max,因此t=0時刻,a=kv0/m.

物體具有水平方向的加速度,物體做加速運動．因為豎直方向上物體運動的速度減小,所以水平方向上物體運動的加速度在不斷減小,但物體依然做加速運動,物體上升到最高點時,vy=0時,所以Fx=0．可得到達最高點時物體水平方向的加速度為0,速度達到最大值．因此選項(A)、(B)都是錯誤的．

圖2

豎直上拋運動的下降過程和上升過程關于最高點是對稱的,即在同一高度上,物體在豎直方向的速度大小相等,方向相反．物體運動到同一高度時,上升過程和下降過程水平方向加速度大小相等方向相反．物體在水平方向上運動的vx-t圖像如圖2所示,由圖可知,從拋出到落地的整個運動過程中物體在水平方向上沒有改變運動方向,因此物體在落地時應當落在拋出點西側．從而得出本題的正確選項為(D)．

以上為建構模型之后進行定性分析角度的科學推理過程．那么本題能否定量地計算出物體上升到最高點時水平方向的最大速度,以及落回拋出點的側移呢?我們可以利用普通物理中的知識以及高等數學的積分思想,對題目中的構建的運動模型進行定量的科學推理．以下為推理過程:

普通物理中我們學習到使物體發生“落體偏東”現象的力為地球自轉的科里奧利力．

上升過程

dvx=axdt，

可得vx=2ωv0t-ωgt2.

物體在豎直方向做豎直上拋運動,

因此有

可得vm=2ωh.

通過前面的v-t圖像可知物體在上升過程和下落過程中水平方向側移相同．為了簡化計算過程,我們選擇到達最高點后的自由落體為研究過程,來進行側移量的定量計算．由方程(3)和(4)聯立可知ax=2ωvy.

對于自由落體運動vy=gt.

由dvx=axdt得

由 dx=vxdt得

在建構模型進行科學推理和論證的過程中,我們不僅產生了這樣的疑問:運動的合成與分解的思想中我們曾經提到“獨立性原理”:即兩個分運動是彼此獨立,不產生相互影響的．本題中顯然物體在豎直方向的運動影響了物體在水平方向的運動,這看上去與“獨立性原理”的描述是矛盾的．顯然,意識到這一點恰好讓我們看到了對科學思維的第四個要素的考查:質疑創新．顯而易見,我們構建的模型中,兩個方向上的運動確實不滿足獨立性原理,那么“獨立性原理”描述的研究對象到底是誰呢?我們繼續對問題進行深入思考,不難發現,“獨立性原理”的描述對象其實應該是力,而不是運動．物體在某個方向上的受力決定了物體在此方向上的運動,換句話說也就是說一個力是獨立作用在物體上還是和其他力一起作用在物體上,對物體產生的加速度的貢獻是等效的．這才是“獨立性原理”的本質．回顧高中物理中的問題情境,不難發現,本題中的運動情境與多方向洛倫茲力作用在粒子上情境也有異曲同工之妙．

重新回顧一下本題對“科學思維”的素養考查,我們還可以發現本題同時滲透了對物理觀念和科學態度與責任的素養考查:學生在建構模型、科學推理、科學論證、質疑創新的過程中對運動和相互作用觀念將有著更加深刻感悟和認知;與此同時,題目中的情境更加貼近實際,題目中的模型如何在生活生產中加以運用等等都為提升學生在科學態度與社會責任的素養激發興趣、創造動機．

縱觀全國各地的高考試卷,不難發現,新課標背景下的高考改革雖然沒有正式啟動,但各地都在為課標的落地以及課標與高考的銜接未雨綢繆．核心素養背景下的學業等級考試與2021年之前高考試題的命制如何做到自然、平穩過渡,將是高考命制專家努力實現的短期目標．而作為一線教師的我們,如何在課堂教學中落實新課標提倡的課程理念,尋找到提升學科核心素養和學生核心素養有效路徑,將是下一階段所有同仁的首要任務和研究課題．