摘 要：我國(guó)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展離不開基礎(chǔ)教育。中學(xué)階段的物理課程教學(xué)，為我國(guó)宇宙探索、航天科技方面創(chuàng)新人才的培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的工程學(xué)科的基礎(chǔ)。本文以英國(guó)物理奧林匹克中級(jí)物理思維競(jìng)賽試題為例，分析其中航天航空元素類試題的考查形式與特點(diǎn)，總結(jié)此類試題的擬制思路，以期為我國(guó)中、高考相關(guān)類型的試題多樣化模式提供參考。

關(guān)鍵詞：航天航空；中、高考試題；擬制思路

1 引言近年來，我國(guó)航天航空事業(yè)欣欣向榮。2023年10月31日，神舟十六號(hào)載人飛船返回艙成功著陸，航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮身體健康狀況良好，我國(guó)空間站應(yīng)用與發(fā)展階段首次載人飛行任務(wù)取得圓滿成功。航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展離不開基礎(chǔ)教育，以《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》為代表的課程標(biāo)準(zhǔn)以及教材都著重強(qiáng)調(diào)了促進(jìn)我國(guó)航天航空科技事業(yè)發(fā)展的相關(guān)知識(shí)在基礎(chǔ)教育階段的重要性。［1，2］

與此同時(shí)，歷經(jīng)百年沿革，英國(guó)的教育制度相對(duì)完善，教學(xué)風(fēng)氣嚴(yán)謹(jǐn)且具有一定的靈活性，英國(guó)國(guó)際課程近年來已成為我國(guó)諸多中學(xué)生青睞的主流課程之一。本文通過分析英國(guó)物理奧林匹克中級(jí)物理思維競(jìng)賽試題中航天航空類元素的命題特色，以期為我國(guó)同類試題的命制思路提供參考和啟示。

2 航天元素的分類英國(guó)物理奧林匹克競(jìng)賽（British Physics Olympiad，簡(jiǎn)稱BPhO）是為10～13年級(jí)（即14～17歲）的中學(xué)生提供的國(guó)際級(jí)物理競(jìng)賽，情境素材可讀性高，題型新穎，信息載體豐富，涉及知識(shí)點(diǎn)廣泛，與日常生活聯(lián)系緊密。

本文通過借鑒《2021中國(guó)的航天》白皮書，將航天航空元素分為三類。［3］

2.1 天體及天體系統(tǒng)

天體是存在于宇宙中的各種星體和星際物質(zhì)，包括行星、恒星、星云、彗星、星團(tuán)等。天體系統(tǒng)是天體之間相互聯(lián)系、相互影響所形成的系統(tǒng)，如太陽(yáng)系（如圖1所示）、銀河系、星系團(tuán)等。

2.2 天文現(xiàn)象

天文現(xiàn)象是天體到了某個(gè)特定位置（客觀上的位置）或狀態(tài)而形成的特殊現(xiàn)象。有天體與天體之間的掩

食現(xiàn)象，如日全食、日偏食及日環(huán)食；有由引力作用而形成的極其密集、光也無(wú)法逃逸的現(xiàn)象——黑洞（如圖2所示）；還有行星沖合、流星閃逝、彗星隱現(xiàn)、新星爆發(fā)、隕星墜落等天文現(xiàn)象。

2.3 航天工具

航天工具是指用于進(jìn)入太空和在太空中執(zhí)行任務(wù)的設(shè)備和載具。這些工具包括各種航天器和相關(guān)設(shè)備（如圖3所示），用于宇宙探索、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、通信工程和衛(wèi)星部署等任務(wù)。

由圖4可知，在 BPhO近幾年的航天元素中，“天體及天體系統(tǒng)”元素是出現(xiàn)頻次最高的，“天文現(xiàn)象”元素出現(xiàn)頻次僅為前者的一半?！疤煳默F(xiàn)象”元素在2019年首次作為 BPhO試題元素出現(xiàn)后，每年都進(jìn)行考查。分析可知，“天體及天體系統(tǒng)”元素是BPhO近幾年的航天航空類試題中滲透最為充分的元素，“天文現(xiàn)象”元素為2019年新增考查元素。

3 航天航空元素試題特色分析

3.1 “天體及天體系統(tǒng)”元素：航天航空元素融入試題的基石

“天體及天體系統(tǒng)”元素是航天航空類試題考查頻次最高的元素。除地球外，月球、太陽(yáng)、太陽(yáng)系、銀河系均包含在該元素試題考查范圍內(nèi)。航天航空元素類試題，傾向于以“天體及天體系統(tǒng)”元素類試題作為基石，在此基礎(chǔ)上命制“天文現(xiàn)象”元素類試題和“航天工具”元素類試題。此類試題的問題情境更加具象、真實(shí)。

例1 （2018年第5題）1971年，在阿波羅15號(hào)登月任務(wù)中，一把錘子和一根羽毛從1.7m的高度同時(shí)落下?！板N子”和“羽毛”同時(shí)降落在月球表面。在地球上，從1.7m高處落下的錘子大約需要0.6s才能落地?？紤]到月球上的重力加速度約為1.6m/s2，錘子和羽毛落到月球表面所需的時(shí)間約為（ ）。

A. 0.1s B. 0.6s C. 1.5s D. 3.8s E. 10s

試題解析：此題以地球和月球?yàn)榛?，以阿波羅15號(hào)登月任務(wù)為問題情境，探尋“錘子”和“羽毛”同時(shí)降落在月球表面所需的時(shí)間。地球和月球作為兩種不同的天體，它們不同的重力加速度是解題的關(guān)鍵信息。只有把握不同天體、天體系統(tǒng)具有的特殊性和相似性，才能將半徑、周期和質(zhì)量不同的天體聯(lián)系在一起思考，進(jìn)而從地球環(huán)境設(shè)定中跳脫出來，置身于浩瀚的宇宙中進(jìn)行探索。

3.2 “天文現(xiàn)象”元素：注重邏輯推理能力

2020年英國(guó)物理奧林匹克競(jìng)賽試卷上首次出現(xiàn)考查天文現(xiàn)象的簡(jiǎn)答題。這一變化不僅豐富了航天航空元素的考查形式，也引起了人們對(duì)“天文現(xiàn)象”解釋的關(guān)注。解釋是物理學(xué)中重要的認(rèn)知心理活動(dòng)。利用物理學(xué)概念、規(guī)律或原理對(duì)天文現(xiàn)象進(jìn)行的解釋，既是劃分物理學(xué)核心素養(yǎng)水平的重要依據(jù)，也是評(píng)價(jià)核心素養(yǎng)的重要途徑。解釋活動(dòng)在本質(zhì)上是邏輯推理的活動(dòng)，解釋要有理有據(jù)地進(jìn)行“循理”“推類”。

例2 （2022年第11題）2022年將有兩次日食和兩次月食。4月30日的日偏食將只在南美洲南部地區(qū)可見。5月15日的月全食將在北美洲大部分地區(qū)、南美洲所有地區(qū)、南歐大部分地區(qū)、西南亞、非洲所有地區(qū)和南極洲都能看到。請(qǐng)解釋為什么日食只能在相對(duì)較小的區(qū)域直接觀測(cè)到，而月食可以在地球上許多不同的地方直接觀測(cè)到，其覆蓋的區(qū)域要大得多。如有需要，可畫圖輔助解釋。

試題解析：試題情境真實(shí)，源于常見的“日月”天文現(xiàn)象。但是對(duì)于學(xué)生來說，常聞、常見并不代表明白其邏輯、原理。此類試題可以用以下幾種方式去推理。

第一，演繹推理。從已知推出未知，根據(jù)普遍的“邏輯”去解釋具體結(jié)果。題中的現(xiàn)象變化的原因是運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而想到太陽(yáng)、月球、地球的相互運(yùn)動(dòng)，從而推導(dǎo)出太陽(yáng)、月球和地球相互運(yùn)動(dòng)至三者處于同一直線時(shí)會(huì)發(fā)生日食、月食現(xiàn)象。

第二，歸納推理。由特殊具體的事例推導(dǎo)出一般原理。除用上述演繹推理外，同時(shí)可對(duì)“觀察者地理位置、天體大小和距離”進(jìn)行歸納推理。

第三，發(fā)生學(xué)推理。［4］解釋一個(gè)事件即為展示它如何發(fā)生，例如題中要求將此現(xiàn)象畫圖展示。把研究的對(duì)象作為在一個(gè)事件發(fā)生序列的最后階段呈現(xiàn)出來的現(xiàn)象，通過描述那一序列的連續(xù)階段來對(duì)其進(jìn)行解釋。此題體現(xiàn)物理與天文現(xiàn)象的密切關(guān)系，運(yùn)用物理課程中所形成的物理觀念和科學(xué)思維分析，解釋“日食、月食”天文現(xiàn)象，增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度、促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

3.3 “航天工具”元素：注重問題解決與應(yīng)用知識(shí)

用航天工具進(jìn)行宇宙探索、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、通信工程和衛(wèi)星部署等任務(wù)并非一蹴而就，要在前期不斷提出假設(shè)、驗(yàn)證假設(shè)、遇到問題、解決問題，才能在真實(shí)情況下有萬(wàn)全之策。因此航天工具傾向于以綜合類大題形式出現(xiàn)，用5個(gè)以上的問題鏈進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生在解決問題的過程中逐步掌握知識(shí)并應(yīng)用知識(shí)。

例3 （2017年第13題）在儒勒·凡爾納的1865年的小說《從地球到月球》中，儒勒·凡爾納講述了一群愛好者試圖建造一個(gè)巨大的太空艙，將三個(gè)人送入太空，目標(biāo)是登陸月球。以下問題是關(guān)于儒勒·凡爾納的想法是否可行的。（注：在下列問題中，忽略地球自轉(zhuǎn)、大炮在地球上的位置和大氣的影響）

問題（1）：證明題。與其瞄準(zhǔn)月球，不如考慮用大炮將1000kg重的太空艙從地球表面發(fā)射到與國(guó)際空間站的軌道高度相當(dāng)，距離地球表面330km的軌道上。假設(shè)在330km的高度上重力加速度為10m/s2不變。證明太空艙必須以大約2.5km/s的最小速度從地球表面發(fā)射。

問題（2）：簡(jiǎn)答題。重力加速度實(shí)際上隨著地球表面高度的增加而減小，在330km的高空小于10m/s2。說明這對(duì)問題（1）證明題中計(jì)算的速度有何影響。

問題（3）：作圖題。當(dāng)太空艙沿著炮管加速發(fā)射時(shí)，太空艙可以承受的最大恒定加速度為amax＝100m/s2。假設(shè)太空艙沿著炮管均勻加速，并在離開炮管時(shí)達(dá)到問題（1）證明題中計(jì)算的速度。畫出太空艙在炮管內(nèi)從靜止加速到離開炮管的速度—時(shí)間圖像，添加適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)值。

問題（4）：計(jì)算題。運(yùn)用上述圖表或其他圖表，計(jì)算大炮的最小長(zhǎng)度。

問題（5）：簡(jiǎn)答題。一個(gè)物體從地球表面完全逃離地球引力場(chǎng)所需的速度，用方程表示為vescape＝2gR，式中R為地球半徑，g為重力加速度。分析儒勒·凡爾納提出的用大炮從地球表面發(fā)射太空艙的可行性。

問題（6）：計(jì)算題。假設(shè)地球的半徑是6400km，計(jì)算從地球表面逃逸的速度。

問題（7）：類似的逃逸速度方程也適用于太陽(yáng)系中其他類似的天體。用逃逸速度方程也可以來解釋其他問題。第一，將從小行星帶的小行星上開采的礦物直接射回地球是可能的；第二，月球、小型巖石行星和其他衛(wèi)星幾乎沒有大氣層。

試題解析如下。

第一步，反復(fù)設(shè)問、厘清概念。

問題不僅是為了考查知識(shí)點(diǎn)而提出，也是對(duì)學(xué)生思路的引導(dǎo)，問題環(huán)環(huán)相扣，幫助學(xué)生形成思路閉環(huán)，厘清知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵和外延。如例3問題（1）中證明從地球表面發(fā)射的最小發(fā)射速度，對(duì)最小發(fā)射速度有形成初步的理解。在問題（2）中再讓學(xué)生思考重力加速度變化條件下的最小發(fā)射速度，學(xué)生此時(shí)便能對(duì)比問題（1）中加速度不變的情況，總結(jié)出重力加速度變化對(duì)最小發(fā)射速度的影響，更加清晰地認(rèn)識(shí)最小發(fā)射速度概念的內(nèi)涵與外延。同時(shí)問題（3）中要求太空艙沿著炮管均勻加速，并在離開炮管時(shí)達(dá)到問題（1）中計(jì)算的速度，是對(duì)概念清晰后的實(shí)際應(yīng)用，確保學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)是理解的并且會(huì)實(shí)際應(yīng)用解題。由易到難的問題設(shè)置也更符合學(xué)生的思維習(xí)慣，流暢的問題鏈設(shè)置有利于學(xué)生在解題過程中克服思維障礙，形成明確清晰的概念。

第二步，設(shè)問豐富、綜合分析。

問題中的設(shè)問多以解釋、證明、作圖、說明、推導(dǎo)等行為動(dòng)詞表述，強(qiáng)調(diào)解決問題的具體過程及注重證據(jù)的尋找和使用。如問題（5）要求學(xué)生能夠在實(shí)際問題中建構(gòu)物理模型，根據(jù)已有條件對(duì)物理問題進(jìn)行綜合分析和推理，能正確尋找證據(jù)展開論證，基于物理知識(shí)做出合理解釋，并準(zhǔn)確表述、評(píng)論問題的可行性。從多角度思考問題，以檢驗(yàn)學(xué)生在實(shí)際問題情境中運(yùn)用抽象、分析、綜合、評(píng)價(jià)等高階思維的能力。

第三步，相似同理、有效遷移。

問題（5）提出一個(gè)物體從地球表面完全逃離地球引力場(chǎng)所需速度的新概念，用vescape＝2gR表示。問題（6）計(jì)算從地球表面逃逸的速度。而太陽(yáng)系中許多天體都與地球具有一定的相似性，依據(jù)其相似性的有效遷移可以減少人類探索宇宙的難度。只要合理歸類、相似同理，我們對(duì)一個(gè)公式的理解就可以遷移應(yīng)用到與地球相似的天體上，促進(jìn)學(xué)生更有效地解決問題。而問題（7）直接拓寬學(xué)生思維，告訴學(xué)生太陽(yáng)系中其他類似的天體同樣可用逃逸速度方程，并用其來實(shí)際解釋將從小行星帶的小行星上開采的礦物直接射回地球是可能的，月球、小型巖石行星和其他衛(wèi)星幾乎沒有大氣層等。培養(yǎng)學(xué)生在遇到問題時(shí)能合理歸類、相似同理，有效遷移知識(shí)并解決問題。

4 “航天航空元素”試題的啟示

4.1 天體為基石，關(guān)注時(shí)事熱點(diǎn)

試題的命制出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該落在天體及天體系統(tǒng)。近年來，時(shí)事熱點(diǎn)新聞往往是新一年物理考試的命題背景。［5］近年來我國(guó)探月工程取得了卓越的成果，物理試題側(cè)重于弘揚(yáng)航天航空精神，試題中的天體頻數(shù)最高的為月球，天體系統(tǒng)頻數(shù)最高為地月系。除此之外，天問一號(hào)（火星探測(cè)）、羲和號(hào)（探日）、悟空號(hào)（暗物質(zhì)探測(cè)）也在如火如荼地進(jìn)行中，作為試題元素也應(yīng)受到大家更多的關(guān)注。人類探索宇宙不僅僅是因?yàn)槿祟惖那笾?，還有人類的求生欲。任何存在人類生存可能性的天體及天體系統(tǒng)，都值得學(xué)生關(guān)注、值得教師挖掘、值得將其作為出發(fā)點(diǎn)去命制試題。

4.2 強(qiáng)化天文知識(shí)，解釋天文現(xiàn)象

近年來我國(guó)實(shí)施了嫦娥工程、建造了500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡等“國(guó)家重器”，由此對(duì)高素質(zhì)人才的需求量明顯上升，與之同步的天文教育必不可少。［6］天文學(xué)與物理學(xué)密切相關(guān)，通過對(duì)宇宙、星際塵埃、恒星、行星等天體的物理性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與物理學(xué)中的原理進(jìn)行對(duì)比和研究，可以加深學(xué)生對(duì)物理學(xué)核心概念的理解，提高學(xué)習(xí)效果。［7］因此，教師應(yīng)通過多種途徑提高自身天文學(xué)的知識(shí)儲(chǔ)備，挖掘物理與天文巧妙結(jié)合的知識(shí)點(diǎn)。試題命制應(yīng)增加對(duì)天文現(xiàn)象的解釋，考查學(xué)生用物理邏輯解釋天文現(xiàn)象的能力。

4.3 以解決問題為中心，問題連貫而豐富

核心素養(yǎng)是指學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。將問題設(shè)置在真實(shí)的情境中，讓學(xué)生圍繞真實(shí)存在的任務(wù)進(jìn)行思考，從傳統(tǒng)的“解題”模式轉(zhuǎn)向“解決問題”模式，對(duì)于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是最切實(shí)有效的。綜合型大題中的每個(gè)問題不應(yīng)該是割裂開的，不應(yīng)僅限計(jì)算題一種題型，最后一題的難度不應(yīng)較前面相比跨度過大。因此，綜合型大題的命制應(yīng)以解決問題為中心，問題圍繞中心而連貫，設(shè)問形式多樣而全面。促進(jìn)學(xué)生思考問題的一致性和連貫性，培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)復(fù)雜問題時(shí)應(yīng)具備的科學(xué)探究能力。

5 結(jié)語(yǔ)從國(guó)產(chǎn)C919大型客機(jī)驚艷亮相，到神舟系列飛船遨游蒼穹，再到載人登月火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)試車成功，這些備受關(guān)注的“大國(guó)重器”，離不開我國(guó)教育“大手”的推波助瀾。高考的核心功能在于“立德樹人、服務(wù)選才、引導(dǎo)教學(xué)”。為了更好地培養(yǎng)航天航空人才，高考物理試題的命制應(yīng)以天體及天體系統(tǒng)為點(diǎn)，以天文現(xiàn)象為線，以航天工具為面，以期為航天航空事業(yè)在新時(shí)代的發(fā)展更盡一份力。

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