崔琰 張玉峰 王春梅

摘 要：對學生物理學科能力的診斷，是發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)、提高教師教學效率、指導教師進行精準教學的重要前提.本文從物理學科認識方式、認識任務及表現(xiàn)，分析學生對物理學科核心知識和學科活動經驗中存在的問題，對學生物理學科能力做出診斷，并針對學生物理學科能力的增長點，提出教學改進的建議.

關鍵詞：物理核心素養(yǎng);物理學科能力;學習診斷;高考試題

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）19-0026-04

基金項目：北京物理學會2020-2021年度立項課題“指向科學思維的診斷性評價研究”（項目編號：WLXH202007）.

作者簡介：崔琰（1982-），男，天津人，博士，中學高級教師，研究方向：中學物理教學研究;

張玉峰（1973-），男，山東泰安人，博士，中學特級教師，研究方向：物理教學、學習診斷;

王春梅（1981-），女，北京人，本科，中學一級教師，研究方向：中學物理教學.

中共中央和國務院在2019年頒發(fā)的《關于深化教育教學改革全面提高義務教育質量的意見》中明確指出“精準分析學情，重視差異化教學和個別化指導”.意見中指出的精準分析學情，是提升學生能力、發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的基礎和前提，是提高教師教學針對性、提高教學效率的基礎和保障.本文基于已有的研究成果——北京物理教研團隊建構的物理學科核心素養(yǎng)的學習診斷內容（3+2）×3的框架[1]，從物理學科能力的視角，分析學習診斷的重要性、意義和價值，并針對有關問題提出教學的建議.

1 物理學科能力的內涵構成及活動表現(xiàn)

林崇德先生指出，學科能力是教師和學生通過教學活動使得學科知識概化的能力，是“學科教育與智力發(fā)展的結晶[2]”.物理學科能力是指學生順利進行物理學科的認識活動和問題解決活動所必需的、穩(wěn)定的心理調節(jié)機制.其內涵是系統(tǒng)化、結構化的物理學科知識技能及核心活動經驗圖式對學習行為的定向調節(jié)和執(zhí)行調節(jié).

物理學科認識任務由三個要素構成：概念理解、問題解決、新知建構.基于三個要素及其相應的9個二級能力要素，結合學科認識方式、學科核心活動經驗以及學科核心知識，形成了物理學科能力內涵構成及其表現(xiàn)模型，如圖1所示.學科核心知識的學習和學科核心活動經驗的積累是發(fā)展學科能力的基礎，學科認識方式是學科能力的核心機制.

學科知識的學習可以分為三個層次：對概念或知識的深層理解、應用知識解決實際問題、在新情境或新問題中構建出新的知識等，這三個層次又可以細分出9個二級指標[1].通過學科知識的學習可以完成從具體知識到認識方式的外部定向、獨立操作和自覺內化[3].對學生物理學科能力進行評價時，我們更關注學科認識域的核心知識，以及在學科核心活動的基本經驗，評價工具往往以學科知識為載體，通過創(chuàng)設問題情境，考查學生在真實情境中調用知識解決問題的過程，從而診斷學生的學科學習能力.物理學認識領域是指從物理學視角所研究的內容和對象的總和，高中物理學科的核心知識（認識領域）涉及力學、電學、熱學、光學、原子物理等內容.物理學科核心知識的學習，是人類認識世界的載體.以學科核心知識為載體的測試，可以診斷出學生在不同認識領域存在的問題.

當然，物理學科還有其獨特的認識方式，物理學科認識方式是指從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識過程中，所使用的思維模式（路徑）或者信息處理對策.

物理學科認識方式可以從認識對象與表征、認識角度、認識方式類別和認識思路等方面進行闡述.在認識世界的過程中，首先要選取研究對象并對其進行表征，對于實物對象，往往從系統(tǒng)與部分兩個角度進行對象選擇研究;對于“場”這類非實物對象，往往從對場的屬性進行描述的角度進行對象選擇研究.對于選定的研究對象，可以通過“表達式、圖像、圖形”“矢量、標量”等方式進行對象表征，從而用較為合理的物理語言對研究對象進行描述.面對不同的核心知識，往往有與之對應的表征方式：如熱學、光學、原子物理等大量微觀粒子的問題，往往通過量子化、統(tǒng)計規(guī)律進一步分析.對復雜的物體或運動，則根據(jù)研究的問題，往往做理想化處理，構建理想化模型等.不同于其他學科，物理學科有其獨特的認識角度，可以從物質、運動與相互作用、能量三個角度對客觀世界進行認識和研究，通過這三種認識角度的分析和認識，逐漸形成物質觀、運動與相互作用觀、能量觀等學科核心素養(yǎng)中的物理觀念.在我們認識自然世界的過程中，認識方式從類別上可以分為“宏觀—微觀”“定性—定量”“變化—守恒”等不同方式，這些認識方式往往是跨學科的，比如在化學學科、生物學科中都有類似的認識方式.但是，在分析具體問題的過程中，認識方式類別與物理學科獨有的認識角度相結合，可以形成物理學科獨特的認識思路，這也是區(qū)別于不同學科認識方式的關鍵.

學生選取恰當?shù)恼J識思路的能力，往往基于好的學科核心活動經驗的積累.物理學科的學習活動經驗往往要經歷“模型建構、推理論證、質疑創(chuàng)新”等科學思維活動，也要經歷“問題與猜想、實驗設計與實施、解釋與評估”等科學探究活動.在適切的學習活動中形成的學科認識方式，學科可以針對要解決的問題，選擇合適的對象，準確對研究對象進行表征，并最終選擇恰當?shù)恼J識方式.所以，通過指向不同的認識方式的試題分析，可以診斷出物理學科認識領域的具體問題，并依據(jù)問題進一步開展教學實踐.

2 物理學科能力表現(xiàn)的學習診斷

《普通高中物理課程標準（2017年版）》中“學業(yè)質量標準”的學科核心素養(yǎng)維度和“中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)框架”等文件中，都明確了對學生“關鍵能力”的要求，因此建構物理學科能力表現(xiàn)框架指向的測評，是對學生物理學科能力學習診斷的基礎和前提.對高考試題中物理學科能力考查進行分析，可以發(fā)現(xiàn)其考查的主要是課程的主干知識和核心思想方法，考查學生必備知識和關鍵能力.因此，物理學科核心素養(yǎng)可以基于學科能力內涵及其表現(xiàn)模型進行診斷.

3 基于高考命題對物理學科能力表現(xiàn)的學習診斷

2014年9月，國務院發(fā)布的《關于深化考試招生制度改革的實施意見》對高考考試內容改革提出了明確要求.考試命題要依據(jù)高校人才選拔要求和國家課程標準，科學設計命題內容，增強基礎性、綜合性，著重考查學生獨立思考和運用所學知識分析問題、解決問題的能力.高考的命題也實現(xiàn)了從“知識立意”到“能力立意”的改革，把理解、推理、實驗、應用、探究等各項能力的考查滲透到每一道試題中.分析高考試題，明確高考物理試題指向的物理學科能力，對學生學習能力進行診斷，從而指導我們的教學.高考命題的改革是多方面、多角度進行的.高考試題的時代性，體現(xiàn)在社會進步、人類和科學發(fā)展與競爭的大背景下.往往在這樣的真實問題中，能夠準確地診斷出學生的學科能力水平.

下面，依據(jù)物理學科能力內涵構成及其表現(xiàn)模型，以高考題為例，分析試題中對物理學科能力的考查情況.

例題1 （2013年高考理科綜合能力測試北京卷 24題（2））

對于同一物理問題，常常可以從宏觀與微觀兩個不同角度進行研究，找出其內在聯(lián)系，從而更加深刻地理解其物理本質.

正方體密閉容器中有大量運動粒子，每個粒子質量為m，單位體積內粒子數(shù)量n為恒量.為簡化問題，我們假定：粒子大小可以忽略;其速率均為v，且與器壁各面碰撞的機會均等;與器壁碰撞前后瞬間，粒子速度方向都與器壁垂直，且速率不變.利用所學力學知識，導出器壁單位面積所受粒子壓力F與m、n和v的關系.

注意：解題過程中需要用到、但題目沒有給出的物理量，要在解題時做必要的說明.

該題以密閉容器內大量微觀粒子的運動為情境，考查力學中的主干知識、核心概念，基于認識對象（系統(tǒng)與部分）與表征（圖形）、認識方式類別（宏觀與微觀）、認識角度（受力分析、力與運動）、認識思路（類比遷移）等學科認識方式的考查，通過使學生經歷模型建構和推理論證等學科的核心活動，診斷學生的概念理解和問題解決的能力.

可以分析出學生在解答本題中可能遇到的障礙：

（1）文字閱讀轉化為物理情境（一般素養(yǎng)），再從物理情境中抽象出物理模型（模型建構）.

錯誤對應的可能原因：學科核心活動經驗積累不足或不能將認識任務與學科核心活動經驗相關聯(lián).具體表現(xiàn)為沒有明確問題，或沒有將題目中研究的問題轉化為粒子碰撞的物理問題;沒有能將氣體壓強產生中的對象轉換成“流體柱”的物理模型.學生可能只局限于單個物體碰撞模型中應用動量定理來解題，在復雜情境中沒有建構出流體沖擊的基本模型.

（2）確定研究對象，選用合適規(guī)律進行分析（動量定理）.

錯誤對應的可能原因：認識對象與表征存在障礙，認識任務中的問題解決與學科核心活動中推理論證沒有建立實質關聯(lián)，從而無法形成正確的認識思路.具體表現(xiàn)為沒有能根據(jù)題目中求氣體壓強的目標和已知條件確定解決問題中選用動量定理規(guī)律;沒有能通過對流體沖擊問題進行分析和推理，獲得氣體壓強的表達式.從認識領域角度分析：對動量定理中所涉及的各個物理量之間關系的理解存在問題;對定理中質量所代表的研究對象的受力與運動狀態(tài)變化的統(tǒng)一性認識不足，對研究對象（ 即受力物體） 的選取不夠明確，進而不能用牛頓第三定律清楚地轉換研究對象進行分析并規(guī)范地表達;對動量定理中合力與動量變化量的矢量方向關系理解不到位，不會熟練處理一維矢量問題.從認識思路角度分析：解決力學問題的思維程序沒有完全建立起來，沒有通過對題目進行分析，并選取研究對象，對其進行受力分析、運動狀態(tài)及過程分析，然后選擇合適的規(guī)律列方程求解的嚴謹?shù)乃季S過程.

（3）對細節(jié)描述（即“與器壁各面碰撞的機會均等”的物理意義）的精準理解不深刻.

錯誤對應的可能原因：認識任務中問題解決方面的執(zhí)行與評價和學科核心活動中質疑創(chuàng)新能力欠缺，具體表現(xiàn)為得出結果后缺少對結果進一步的分析討論或評價，對評價結果的合理性缺少有依據(jù)的質疑.對概率知識的應用理解不深刻.

隨著高考改革的推進，高考作為“教”“學”的指揮棒，重點考查基于學科核心知識、主干知識的學科能力的考查.對學科學習能力的診斷，都要通過學科核心知識，基于學科認識思路、認識視角等認識方式，進行考查.從新高考的命題就能分析出這一點.近些年的高考試題，基于模型建構、推理論證、解釋與評估等過程，考查物理學科的概念理解、問題解決的能力和新知建構的能力.因此，每年的高考命題既有傳承，又有創(chuàng)新.試題緊跟社會和科技的發(fā)展，具有很強的時代感，情境更加廣泛和多樣.對某種能力的考查，從試題上看，往往都具有一定的關聯(lián)性.

例題2 （2018年高考理科綜合能力測試北京卷 24題）

（1）靜電場可以用電場線和等勢面形象描述.

a.請根據(jù)電場強度的定義和庫侖定律推導出點電荷Q的場強表達式;

b.點電荷的電場線和等勢面分布如圖2所示，等勢面S1、S2到點電荷的距離分別為r1、r2.我們知道，電場線的疏密反映了空間區(qū)域電場強度的大小.請計算S1、S2上單位面積通過的電場線條數(shù)之比N1/N2.

（2）觀測宇宙中輻射電磁波的天體，距離越遠單位面積接收的電磁波功率越小，觀測越困難.為了收集足夠強的來自天體的電磁波，增大望遠鏡口徑是提高天文觀測能力的一條重要途徑.2016年9月25日，世界上最大的單口徑球面射電望遠鏡FAST在我國貴州落成啟用，被譽為“中國天眼”.FAST直徑為500m，有效提高了人類觀測宇宙的精度和范圍.

a.設直徑為100m的望遠鏡能夠接收到的來自某天體的電磁波功率為P1，計算FAST能夠接收到的來自該天體的電磁波功率P2;

b.在宇宙大尺度上，天體的空間分布是均勻的.僅以輻射功率為P的同類天體為觀測對象，

設直徑為100m望遠鏡能夠觀測到的此類天體數(shù)目是N0，計算FAST能夠觀測到的此類天體數(shù)目N.

本題以“中國天眼”射電望遠鏡FAST為素材，考查學生基于物理學科認識角度分析解決實際問題的能力.通過創(chuàng)設新穎的、復雜的實際情境，考查學生進行抽象概括、建立模型、類比遷移等關鍵能力.

在（1）中，從點電荷的電場線入手，引導學生構建“球面輻射”模型.并將電場線的“球面輻射”模型遷移到新的情境中，類比建立電磁波的“能量輻射”模型.（1）b新問題的解決，則可以類比學習過的有關磁通量的知識進行分析.

學生在解答本題過程中，可能會遇到以下障礙：

（1）不能將文字閱讀轉化為物理情境，再從物理情境中抽象出物理模型（模型建構）.

錯誤對應的可能原因：學科核心活動經驗積累不足或不能將認識任務與學科核心活動經驗相關聯(lián).具體表現(xiàn)為不能明確解決問題的目標和已知條件，不能把實際問題轉化為具體、明確、可解決的物理問題.不能從已知中獲取“觀測宇宙中輻射電磁波的天體，距離越遠單位面積接收的電磁波功率越小”等信息，構建能量輻射模型.閱讀能力和數(shù)學能力有欠缺，基于認識表征方式，進行概括關聯(lián)以及說明論證能力都存在問題.不能將電場線球面輻射與磁通量概念建立聯(lián)系.不能找到物理量和空間數(shù)量關系的定量表達，利用數(shù)學知識進行求解.

（2）不能基于學科核心知識、大概念、學科認識思路進行推理論證.

錯誤對應的可能原因：認識任務中的問題解決與學科核心活動中推理論證沒有建立實質關聯(lián)，從而無法形成正確的認識思路.具體表現(xiàn)為不能建立知識間的聯(lián)系，不能對綜合性物理問題進行分析和推理論證.對磁通量概念的理解不夠深刻.不能通過已有知識，建構新的知識，形成“電通量”的概念.

4 基于物理學科能力的學習診斷的再思考

對學生學習能力的診斷，指導教師在教學實踐過程中要進行相應的調整.但具體說來，對學生學科能力的培養(yǎng)，還要結合具體實際，在學校的統(tǒng)一安排下，進行相應的課程研究和設置.

學校課程建設的推進機制、教師專業(yè)發(fā)展的水平以及學校整體的課程建設，都對學科能力的培養(yǎng)有一定的影響.

4.1 學校課程建設的推進機制

課程建設是學校教育質量提升和特色發(fā)展的核心.課程建設的整體規(guī)劃、實施路徑等，是課程建設的前提.

4.2 教師專業(yè)發(fā)展的水平

要適應新課改、新高考，需要教師對教材進行主動的變動和調整，適當刪減與學生生活實際聯(lián)系少的內容，靈活加入時代性的內容.這就對教師提出了新的、更高的要求.教師要加強理論知識的學習，不斷攝入新事物，緊跟社會發(fā)展和科技進步.

4.3 學校整體的課程建設

學校整體的課程建設，是提升課程品質的前提和依據(jù).學校追求的課程教育價值，應指向培養(yǎng)學生的學科學習能力、提升學生的學科核心素養(yǎng).在此基礎上，教師要結合學科特點和學生實際，進行本學科的課程建設.

基于學科核心知識、學科核心活動經驗，以及學科認識方式，診斷學生在解決實際問題中的學習能力.對學生學習能力的診斷是實現(xiàn)精準教學的基礎和前提，對發(fā)展核心素養(yǎng)和提升學生能力有重要的意義和價值.

參考文獻：

[1]張玉峰.為了物理學科核心素養(yǎng)發(fā)展的學習診斷：概念、路徑與內容框架[J].中學物理，2020，38（01）：2-6.

[2]郭玉英，姚建欣，張玉峰.基于學生核心素養(yǎng)的物理學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2017.

[3]王磊. 學科能力構成及其表現(xiàn)研究——基于學習理解、應用實踐與遷移創(chuàng)新導向的多維整合模型[J].教育研究，2016，37（09）：83-92+125.

[4]臧鐵軍.教育考試與研究[M].北京：中國青年出版社，2020.

（收稿日期：2021-07-07）