摘要：本文基于大概念視角，緊扣《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》和《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，對(duì)2023年全國(guó)乙卷物理第25題進(jìn)行評(píng)析。在此基礎(chǔ)上，本文建議教師用大概念來(lái)拓寬學(xué)生的科學(xué)思維路徑，引導(dǎo)學(xué)生像專家一樣思考，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：大概念；情境化試題；模型建構(gòu)

《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》主要由“一核”“四層”“四翼”三部分組成，規(guī)定了用情境來(lái)承載考查內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)考查要求。［1］“情境”是指“問(wèn)題情境”，是真實(shí)的問(wèn)題背景，是以問(wèn)題或任務(wù)為中心的活動(dòng)場(chǎng)域。情境化試題不僅能凸顯高考試題的能力立意，還能呈現(xiàn)素養(yǎng)立意。情境化命題必須凸顯價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基的理念。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（下文簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）明確指出：重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科素養(yǎng)的落實(shí)。［2］學(xué)業(yè)水平考試與命題建議進(jìn)一步指出，試題應(yīng)該有明確的測(cè)試目標(biāo)，立意明確，要指向核心素養(yǎng)一個(gè)或多個(gè)要素。［3］2023年全國(guó)乙卷物理第25題就是典型的一道物理情境試題。

1原題呈現(xiàn)

如圖，一豎直固定的長(zhǎng)直圓管內(nèi)有一質(zhì)量為M的靜止薄圓盤，圓盤與管的上端口距離為l，圓管長(zhǎng)度為20l。一質(zhì)量為m＝13M的小球從管的上端口由靜止下落，并撞在圓盤中心，圓盤向下滑動(dòng)，所受滑動(dòng)摩擦力與其所受重力大小相等。小球在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)與管壁不接觸，圓盤始終水平，小球與圓盤發(fā)生的碰撞均為彈性碰撞且碰撞時(shí)間極短。不計(jì)空氣阻力，重力加速度大小為g。求：

（1）第一次碰撞后瞬間小球和圓盤的速度大??；

（2）在第一次碰撞到第二次碰撞之間，小球與圓盤間的最遠(yuǎn)距離；

（3）圓盤在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，小球與圓盤碰撞的次數(shù)。

2命題評(píng)析

2.1大概念體系分析

近年來(lái)，教育界都將目光聚焦到了大概念上，形成了大概念是在教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵這一共識(shí)。大概念通常是一個(gè)有用的概念、主題、有爭(zhēng)議的結(jié)論或觀點(diǎn)。它具有生活價(jià)值，能反映專家思維的特征。特別要強(qiáng)調(diào)的是，大概念是學(xué)科中比較重要、關(guān)鍵和核心的概念。利用大概念進(jìn)行教學(xué)，要把學(xué)科內(nèi)、跨學(xué)科之間的知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，這也是打通學(xué)校教育和現(xiàn)實(shí)世界的重要路徑。專家思維與SOLO分類目標(biāo)的拓展抽象結(jié)構(gòu)相契合，這是思維的最高層次。具備專家思維的學(xué)生在面對(duì)真實(shí)的情境時(shí)能快速調(diào)動(dòng)大腦儲(chǔ)備的知識(shí)和方法，快速而高質(zhì)量地解決實(shí)際問(wèn)題。根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》和教材，本文提取了2023年全國(guó)乙卷物理第25題的大概念體系（見(jiàn)圖1）。

2.2情境化分析

“情境”是高考評(píng)價(jià)體系的創(chuàng)新之一。命題專家通過(guò)在高考試題中設(shè)置不同層級(jí)的情境活動(dòng)，考查學(xué)生在“四層”內(nèi)容上的表現(xiàn)水平，從而評(píng)價(jià)學(xué)生的素質(zhì)內(nèi)涵。［4］此題為學(xué)習(xí)探索情境，體現(xiàn)了“四翼”考查目標(biāo)的“基礎(chǔ)性”“綜合性”“應(yīng)用性”“創(chuàng)新性”。該題包含了四個(gè)情境（見(jiàn)圖2），第一個(gè)情境是小球做自由落體運(yùn)動(dòng)，第二個(gè)情境是小球與圓盤發(fā)生彈性碰撞。這兩個(gè)情境側(cè)重考查基礎(chǔ)性、綜合性。第三、四個(gè)情境是小球做豎直上拋運(yùn)動(dòng)，同時(shí)圓盤勻速下落，之后小球再次與圓盤發(fā)生彈性碰撞并重復(fù)上述過(guò)程。這些情境側(cè)重考查綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性。

3模型建構(gòu)與解答評(píng)析

3.1模型建構(gòu)分析

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的科學(xué)思維要素之一是模型建構(gòu)［5］，它基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，抓住主要因素、忽略次要因素，是建構(gòu)物理模型抽象概括的過(guò)程。模型建構(gòu)能力是物理學(xué)科考試的關(guān)鍵能力之一，也是學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)科的必備能力之一。在教學(xué)中，教師必須加強(qiáng)對(duì)學(xué)生模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)。模型建構(gòu)與融合的一般思路是通過(guò)抓主要因素、忽略次要因素，利用轉(zhuǎn)化、類比、遷移、等效等方法，把實(shí)際研究對(duì)象（過(guò)程、條件）抽象為理想化對(duì)象模型（過(guò)程模型、條件模型）。該題的模型建構(gòu)與融合思路如圖3所示。

通過(guò)對(duì)碰撞模型的建構(gòu)與融合，筆者把完全非彈性碰撞和完全彈性碰撞進(jìn)行整合，根據(jù)圖5中的對(duì)稱性得出式①和式②。借助共速時(shí)的狀態(tài)，碰撞到共速可等效為完全非彈性碰撞，寫出式③，這是學(xué)生最熟悉的模型。經(jīng)過(guò)這樣的建構(gòu)與融合得出式④和式⑤。該解答過(guò)程不僅避開(kāi)了傳統(tǒng)復(fù)雜的二次方程運(yùn)算，還直觀展現(xiàn)了碰撞的物理過(guò)程，更加突出物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維能力。

3.2基于模型建構(gòu)的解答評(píng)析

第一個(gè)過(guò)程，小球由靜止落下，建構(gòu)質(zhì)點(diǎn)和自由落體運(yùn)動(dòng)模型。小球下落高度為l，速度為v0，由機(jī)械能守恒定律可得

第二個(gè)過(guò)程，小球以速度v0與圓盤發(fā)生彈性碰撞。建構(gòu)不計(jì)碰撞時(shí)間的小球和圓盤間的彈性碰撞模型。設(shè)小球和圓盤在碰撞結(jié)束瞬間的速度分別為v1和v2，由動(dòng)量守恒定律和機(jī)械能守恒定律有

利用3.1中的結(jié)論可得

即碰撞后小球以v1＝－2gl2豎直上拋，圓盤以v2＝2gl2向下勻速運(yùn)動(dòng)。

第三個(gè)過(guò)程，小球上升，圓盤下降。我們建構(gòu)豎直上拋和勻速直線運(yùn)動(dòng)模型，把小球和圓盤視為追及相遇問(wèn)題。當(dāng)小球的速度與圓盤的速度相等時(shí)，兩者相距最遠(yuǎn)。設(shè)在t1時(shí)刻小球和圓盤速度相等，此時(shí)它們之間的最大距離為dm，則在該過(guò)程中有

以小球與靜止的圓盤碰撞結(jié)束瞬間為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，設(shè)在t0時(shí)刻小球和圓盤再次碰撞。根據(jù)它們位移相等可得出t0＝2v0g。然后再次使用彈性碰撞模型，得出圓盤運(yùn)動(dòng)過(guò)程中第一次碰撞結(jié)束瞬間的速度。同理，分析之后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，規(guī)定向下為正方向，作出小球和圓盤運(yùn)動(dòng)的v-t圖像，其中，傾斜直線為小球的運(yùn)動(dòng)，平行t軸的線段為圓盤的運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。

從v-t圖像上可以看出，0時(shí)刻小球與靜止的圓盤碰撞。之后，每過(guò)t0時(shí)間，小球和圓盤發(fā)生一次碰撞，所以t0時(shí)刻為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中第一次碰撞。在0～t0時(shí)間內(nèi)圓盤下降的位移為x0＝v02t0＝2l。從v-t圖像可以直接看出，相鄰兩次碰撞的時(shí)間內(nèi)，圓盤的位移按等差數(shù)列增加，公差為2l。在0～4t0時(shí)間內(nèi)，小球與圓盤在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中碰了4次，圓盤下降的總位移為20l。圓管長(zhǎng)度也為20l，所以圓盤在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，小球與圓盤碰撞了4次。若碰撞次數(shù)較多，設(shè)圓盤在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，小球與圓盤碰撞了n（n＝1，2，3…）次，則圓盤下降的總位移xn＝（2l＋2nl）n2。當(dāng)xn≥20l時(shí)，圓盤滑出長(zhǎng)管。

3.3拓展分析

一道經(jīng)典的情境化物理試題，解決的方法一般具有多樣性。在情境中，有許多可以挖掘的物理知識(shí)，考查目標(biāo)指向核心素養(yǎng)的一個(gè)或多個(gè)要素。教師在備課時(shí)可以充分利用試題素材，把原題當(dāng)母題，拓展出更多問(wèn)題來(lái)引發(fā)學(xué)生的思考，促進(jìn)學(xué)生思維的進(jìn)階。

問(wèn)題拓展1：原條件不變，整個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)損失的機(jī)械能或產(chǎn)生的內(nèi)能是多少？

問(wèn)題拓展2：原條件不變，小球從釋放到管下端運(yùn)動(dòng)時(shí)間為多少？

問(wèn)題拓展3：變換條件，若把小球與圓盤的碰撞視為完全非彈性碰撞，其余條件不變，圓盤在管中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是多少？

問(wèn)題拓展4：變換條件，若把長(zhǎng)直圓管的長(zhǎng)度變?yōu)?4l，其余條件不變，那么小球和圓盤能發(fā)生多少次碰撞？

問(wèn)題拓展5：變換條件，若把圓盤運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的摩擦力變?yōu)槠渲亓Φ囊话?，其余條件不變，那么小球和圓盤能發(fā)生多少次碰撞？

4啟示

情境化試題旨在讓學(xué)生在面對(duì)不同的問(wèn)題情境時(shí)，能夠調(diào)取大腦中儲(chǔ)備的物理知識(shí)和方法，建立新舊知識(shí)之間的聯(lián)系，進(jìn)行知識(shí)與方法的遷移，從而解決實(shí)際問(wèn)題。以大概念為核心，教師可以幫助學(xué)生把零碎的知識(shí)建構(gòu)起來(lái)，形成有內(nèi)涵、有深度、有實(shí)效、能拓展、可遷移的結(jié)構(gòu)化知識(shí)體系。這樣更有利于學(xué)生形成整體意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生解決情境化問(wèn)題，為學(xué)生提升物理學(xué)科學(xué)習(xí)能力和學(xué)科核心素養(yǎng)開(kāi)辟新的途徑。

參考文獻(xiàn)

［1］教育部考試中心.中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系［M］.北京：人民教育出版社，2019：6-7.

［2］［3］［5］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：前言4，63，5.

［4］王賢勇，喻斌.基于布魯姆學(xué)習(xí)目標(biāo)和SOLO分類理論的試題對(duì)比評(píng)析［J］.物理教師，2023，44（1）：84-88，92.

［6］王賢勇，喻斌.POE和PBL導(dǎo)向下“彈性碰撞”的深度學(xué)習(xí)［J］.物理教師，2022，43（10）：8-10.

**基金項(xiàng)目：本文系2022年貴州省畢節(jié)市教育規(guī)劃重點(diǎn)課題“‘三新’背景下基于‘高考評(píng)價(jià)體系’的物理情境化命題研究”（課題編號(hào)：2022A002），2023年畢節(jié)市規(guī)劃課題“基于‘三新’背景下融入HPS理論的深度學(xué)習(xí)實(shí)踐研究”（課題編號(hào)： 2023B159）及“基于SOLO分類理論的高中物理深度學(xué)習(xí)教學(xué)實(shí)踐研究”（課題編號(hào)： 2023A009）研究成果。