劉 芳 孫德峰

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

2018年1月16日,教育部正式發(fā)布了2017版普通高中課程方案和14門課程標(biāo)準(zhǔn)．新頒布的課標(biāo)中關(guān)于學(xué)科核心素養(yǎng)以及學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提出,為高考以及高中學(xué)業(yè)水平等級性考試提出了新的要求．按照教育部的規(guī)劃,修訂后的課程方案和課標(biāo)將于2018年秋季正式投入使用,因此以新課標(biāo)為指導(dǎo)思想和理論依據(jù)的學(xué)業(yè)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(fā)現(xiàn)各地各科高考試題的考查中都在“穩(wěn)中求新”的基礎(chǔ)上嘗試和探索新版課標(biāo)中提出的核心素養(yǎng)的考查．

2017版的新版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中凝練出物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包含4個(gè)方面:物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．其中物理觀念包含物質(zhì)觀、運(yùn)動與相互作用觀、能量觀等要素;科學(xué)思維包含模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素;科學(xué)探究包含問題、證據(jù)、解釋、交流等要素;科學(xué)態(tài)度與責(zé)任包含科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任等要素．筆者將從北京卷第20題的分析和解讀出發(fā),淺談本題是如何考查學(xué)生“科學(xué)思維”這一方面的核心素養(yǎng),以圖激發(fā)所有一線物理教師思考如何在教學(xué)實(shí)踐過程中通過落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提高學(xué)生的核心素養(yǎng),為學(xué)生終身發(fā)展,應(yīng)對現(xiàn)代未來的挑戰(zhàn)打下良好的基礎(chǔ)．

請看2018年北京高考第20題.

根據(jù)高中所學(xué)知識可知,做自由落體運(yùn)動的小球,將落在正下方位置．但實(shí)際上,赤道上方200m處無初速下落的小球?qū)⒙湓谡路轿恢闷珫|約6cm處．這一現(xiàn)象可解釋為,除重力外,由于地球自轉(zhuǎn),下落過程小球還受到一個(gè)水平向東的“力”,該“力”與豎直方向的速度大小成正比．現(xiàn)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(diǎn)時(shí),水平方向的加速度和速度均為0.

(B) 到最高點(diǎn)時(shí),水平方向的加速度和速度均不為0.

(C) 落地點(diǎn)在拋出點(diǎn)東側(cè).

(D) 落地點(diǎn)在拋出點(diǎn)西側(cè).

雖然高考閱卷還沒有開始,但根據(jù)筆者多年來一線教學(xué)以及高考備考經(jīng)驗(yàn),本題中(A)、(B)兩個(gè)選項(xiàng)的選擇人數(shù)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(xué)生的理解能力、推理能力以及應(yīng)用能力．而從核心素養(yǎng)的角度出發(fā),本題著重考查了對科學(xué)思維這一方面的核心素養(yǎng)．

本題的問題情境取材于生活中的實(shí)際問題“落體偏東”．大多數(shù)學(xué)生對于這一生活現(xiàn)象幾乎沒有任何的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)．因此本題中的問題情境來說對于學(xué)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(jìn)行分析和推理,獲得正確結(jié)論并做出合理解釋是新課標(biāo)中學(xué)業(yè)質(zhì)量等級5對“科學(xué)思維”素養(yǎng)的要求．

對于學(xué)生來說非常新穎的問題情境成為學(xué)生解答這一題目的首要障礙．學(xué)生需要將這樣的問題情境與高中物理學(xué)習(xí)中或者生活中常見的問題情境做類比,建構(gòu)在類似情境中的運(yùn)動模型來解決問題,這恰好是“科學(xué)思維”這一核心素養(yǎng)的第一要素:模型建構(gòu)．通過審題,學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)題目中的關(guān)鍵字“豎直方向”、“水平方向”,聯(lián)想到生活中和物理學(xué)習(xí)中都經(jīng)常出現(xiàn)的平拋運(yùn)動,學(xué)生將嘗試建立一個(gè)類似平拋運(yùn)動的模型來解決問題．

建立起運(yùn)動模型之后,我們需要利用這個(gè)模型來對題目中的問題進(jìn)行綜合的分析．這也是“科學(xué)思維”素養(yǎng)的第二個(gè)要素——科學(xué)推理．新課標(biāo)中對于高中物理的課程目標(biāo)定義為促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成與發(fā)展．新課標(biāo)的課程目標(biāo)中明確指出學(xué)生要讓能運(yùn)用科學(xué)思維方法從定性和定量兩個(gè)角度對問題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論．

在研究平拋物體的運(yùn)動時(shí),學(xué)生發(fā)現(xiàn)“運(yùn)動的合成與分解”的思想可以將研究對象從復(fù)雜的曲線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚闹本€運(yùn)動．學(xué)生通過類比遷移的科學(xué)方法將“運(yùn)動的合成與分解”的思想運(yùn)用到本題中,就可以通過綜合分析得出結(jié)論．科學(xué)推理過程如下.

我們假設(shè)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(jù)運(yùn)動的合成與分解中運(yùn)動的獨(dú)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(yùn)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(yùn)動．

上升過程物體豎直方向的速度滿足

vy=v0-gt，

(1)

當(dāng)vy=0時(shí),物體上升到最高點(diǎn)．

再根據(jù)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(jù)牛頓第二定律Fx=max,因此t=0時(shí)刻,a=kv0/m.

物體具有水平方向的加速度,物體做加速運(yùn)動．因?yàn)樨Q直方向上物體運(yùn)動的速度減小,所以水平方向上物體運(yùn)動的加速度在不斷減小,但物體依然做加速運(yùn)動,物體上升到最高點(diǎn)時(shí),vy=0時(shí),所以Fx=0．可得到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)物體水平方向的加速度為0,速度達(dá)到最大值．因此選項(xiàng)(A)、(B)都是錯(cuò)誤的．

圖2

豎直上拋運(yùn)動的下降過程和上升過程關(guān)于最高點(diǎn)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(yùn)動到同一高度時(shí),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(yùn)動的vx-t圖像如圖2所示,由圖可知,從拋出到落地的整個(gè)運(yùn)動過程中物體在水平方向上沒有改變運(yùn)動方向,因此物體在落地時(shí)應(yīng)當(dāng)落在拋出點(diǎn)西側(cè)．從而得出本題的正確選項(xiàng)為(D)．

以上為建構(gòu)模型之后進(jìn)行定性分析角度的科學(xué)推理過程．那么本題能否定量地計(jì)算出物體上升到最高點(diǎn)時(shí)水平方向的最大速度,以及落回拋出點(diǎn)的側(cè)移呢?我們可以利用普通物理中的知識以及高等數(shù)學(xué)的積分思想,對題目中的構(gòu)建的運(yùn)動模型進(jìn)行定量的科學(xué)推理．以下為推理過程:

普通物理中我們學(xué)習(xí)到使物體發(fā)生“落體偏東”現(xiàn)象的力為地球自轉(zhuǎn)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(yùn)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(cè)移相同．為了簡化計(jì)算過程,我們選擇到達(dá)最高點(diǎn)后的自由落體為研究過程,來進(jìn)行側(cè)移量的定量計(jì)算．由方程(3)和(4)聯(lián)立可知ax=2ωvy.

對于自由落體運(yùn)動vy=gt.

由dvx=axdt得

由 dx=vxdt得

在建構(gòu)模型進(jìn)行科學(xué)推理和論證的過程中,我們不僅產(chǎn)生了這樣的疑問:運(yùn)動的合成與分解的思想中我們曾經(jīng)提到“獨(dú)立性原理”:即兩個(gè)分運(yùn)動是彼此獨(dú)立,不產(chǎn)生相互影響的．本題中顯然物體在豎直方向的運(yùn)動影響了物體在水平方向的運(yùn)動,這看上去與“獨(dú)立性原理”的描述是矛盾的．顯然,意識到這一點(diǎn)恰好讓我們看到了對科學(xué)思維的第四個(gè)要素的考查:質(zhì)疑創(chuàng)新．顯而易見,我們構(gòu)建的模型中,兩個(gè)方向上的運(yùn)動確實(shí)不滿足獨(dú)立性原理,那么“獨(dú)立性原理”描述的研究對象到底是誰呢?我們繼續(xù)對問題進(jìn)行深入思考,不難發(fā)現(xiàn),“獨(dú)立性原理”的描述對象其實(shí)應(yīng)該是力,而不是運(yùn)動．物體在某個(gè)方向上的受力決定了物體在此方向上的運(yùn)動,換句話說也就是說一個(gè)力是獨(dú)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(chǎn)生的加速度的貢獻(xiàn)是等效的．這才是“獨(dú)立性原理”的本質(zhì)．回顧高中物理中的問題情境,不難發(fā)現(xiàn),本題中的運(yùn)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(xué)思維”的素養(yǎng)考查,我們還可以發(fā)現(xiàn)本題同時(shí)滲透了對物理觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的素養(yǎng)考查:學(xué)生在建構(gòu)模型、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新的過程中對運(yùn)動和相互作用觀念將有著更加深刻感悟和認(rèn)知;與此同時(shí),題目中的情境更加貼近實(shí)際,題目中的模型如何在生活生產(chǎn)中加以運(yùn)用等等都為提升學(xué)生在科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的素養(yǎng)激發(fā)興趣、創(chuàng)造動機(jī)．

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