游佳峰

(深圳市寶安中學(xué) 廣東 深圳 518101)

1 引言

2018年舉行的深圳市高中物理命題比賽，共分為復(fù)賽和決賽兩個(gè)環(huán)節(jié).在復(fù)賽中，選手需要在3個(gè)小時(shí)內(nèi)根據(jù)命題材料命制選擇題和計(jì)算題各一道；在決賽中，選手需要對(duì)自己命制的試題進(jìn)行說題和答辯.

根據(jù)比賽的要求，命題與說題必須基于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》(以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”)的理念，結(jié)合《2018年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試大綱》(以下簡(jiǎn)稱“考試大綱”)和《2018年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試大綱的說明》(以下簡(jiǎn)稱“考試說明”)的要求，從考核目標(biāo)、命題立意、考核方向以及難度和區(qū)分度幾個(gè)方面對(duì)試題做出合理的設(shè)計(jì)和解讀.筆者參加了本次比賽，并獲得了決賽的一等獎(jiǎng).現(xiàn)就命題的思路和過程談?wù)勛约旱男牡门c體會(huì).

2 命題思路

2018年1月，教育部正式頒布了2017版的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn).新課標(biāo)在凝練物理學(xué)科核心素養(yǎng)、更新教學(xué)內(nèi)容和研制學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的同時(shí)，也提出了命題建議.新課標(biāo)建議命題要注重考查“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面；試題的情境應(yīng)符合學(xué)生的心理發(fā)展水平和認(rèn)知規(guī)律，反映物理學(xué)科本質(zhì)，密切聯(lián)系社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科技、生產(chǎn)生活實(shí)際，充分體現(xiàn)考試評(píng)價(jià)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)、甄別學(xué)生學(xué)業(yè)水平的功能.同時(shí)，新課標(biāo)也要求用于高等院校招生錄取的學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試要體現(xiàn)綜合性和應(yīng)用性，應(yīng)以學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4為命題依據(jù)[1].同時(shí)，在2018年的考試大綱和考試說明中，要求高考物理在考查知識(shí)的同時(shí)注重考查能力，考查的能力依然為“理解能力”“推理能力”“分析綜合能力”“應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力”和“實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α边@5個(gè)方面的能力[2].

筆者以新課標(biāo)和考試大綱、考試說明為指導(dǎo)，結(jié)合教育部考試中心提出的“一體四層四翼”的高考評(píng)價(jià)體系[3]，力圖在基本思想和基本理念上模擬出高考的命題思路.

在比賽給定的材料中，提供了一條題為“國(guó)際首臺(tái)25 MeV連續(xù)波超導(dǎo)質(zhì)子直線加速器通過達(dá)標(biāo)測(cè)試”的新聞，要求以新聞為背景命制選擇題和計(jì)算題各一道.通過對(duì)新聞內(nèi)容的解讀，命題的方向可能為帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)、交變電流、動(dòng)能定理或功能關(guān)系；動(dòng)量定理或動(dòng)量守恒定律、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、原子結(jié)構(gòu)和原子核等等.筆者根據(jù)考綱對(duì)考試內(nèi)容的要求，選擇了“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”作為主要的考查方向，結(jié)合近年來全國(guó)新課標(biāo)卷考查特點(diǎn)，計(jì)劃合理創(chuàng)設(shè)情境，科學(xué)設(shè)置難度，力圖模擬全國(guó)卷的命題風(fēng)格.

3 命題過程

3.1 選擇題命題過程

3.1.1 命題背景

結(jié)合近3年的全國(guó)新課標(biāo)卷，在2015年Ⅰ卷、2016年Ⅰ卷、2016年Ⅱ卷和2017年Ⅰ卷中出現(xiàn)了“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”這個(gè)考點(diǎn)，對(duì)于選擇題而言只能算作次高頻考點(diǎn)，但也需要重視.另外全國(guó)高考對(duì)理解原始物理問題的能力要求進(jìn)一步提高(2017年Ⅰ卷中STM探頭和2017年Ⅱ卷自制電動(dòng)機(jī))，對(duì)綜合性問題考查也有所加強(qiáng)，在設(shè)計(jì)情境時(shí)需格外注意.

3.1.2 情境設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的分析，在命制選擇題時(shí)筆者設(shè)計(jì)了如圖1所示的情境：編號(hào)為1～4號(hào)的4塊電極板平行放置，極板中心均有一小孔供粒子通過.其中1號(hào)和3號(hào)板與A接線柱相連，2號(hào)和4號(hào)板與B接線柱相連.而A,B接線柱接入如圖2交變電壓，并將一質(zhì)子從1號(hào)板由靜止釋放，令其沿直線穿過小孔達(dá)到4號(hào)板.設(shè)質(zhì)子的電荷量為e，質(zhì)量為m，1,2號(hào)板間距為d，為了試題的嚴(yán)謹(jǐn)性，需忽略電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)及電壓變化瞬間所產(chǎn)生的影響.

圖1 命制選擇題時(shí)設(shè)計(jì)的情境

圖2 圖1中A,B接線柱接入的交變電壓

3.1.3 設(shè)問與解答

在該情境中，可以考查帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)能定理、交變電壓和勻加速運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容，涉及理解能力、推理能力、分析綜合能力及應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力.學(xué)生需要理解粒子在電極板間始終處于加速狀態(tài)，且每?jī)蓧K板間的加速時(shí)間為半個(gè)周期，才能正確得出答案.為了能考查學(xué)生對(duì)情境的理解，并盡量全面考查各項(xiàng)內(nèi)容和能力，筆者在復(fù)賽中設(shè)計(jì)了如下的4個(gè)選項(xiàng)：

D.若將交變電壓改為正弦交流電，則加速器將無法工作

但是在決賽答辯環(huán)節(jié)中，評(píng)委老師對(duì)整道題的難度提出了一些質(zhì)疑，同時(shí)對(duì)D選項(xiàng)提出了不同的看法，認(rèn)為“無法工作”表意不夠清晰，考查目標(biāo)也不夠明確，嚴(yán)謹(jǐn)性不夠.筆者認(rèn)真吸取了評(píng)委老師的意見，賽后在題干中加入了“保持加速運(yùn)動(dòng)”的表述，并將D選項(xiàng)更改為“整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，質(zhì)子作勻加速直線運(yùn)動(dòng)”.改動(dòng)后的選項(xiàng)考查了勻加速運(yùn)動(dòng)的基本概念，主要考查學(xué)生的理解能力，同時(shí)對(duì)整道題的難度也有所降低.由于整道題的能力要求較高，也具有一定的計(jì)算量，故將題號(hào)設(shè)置為21題.

3.1.4 考查目標(biāo)

試題本身的情境和設(shè)問已經(jīng)考查了學(xué)生的物理觀念和科學(xué)思維的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4，要求學(xué)生具有清晰的物理觀念，能綜合應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題；能將實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型，能對(duì)綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理，能采用不同方式分析解決物理問題.為了強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，筆者在題目開頭加上了“2017年6月，由中國(guó)研制的國(guó)際首臺(tái)25 MeV連續(xù)波超導(dǎo)質(zhì)子直線加速器通過達(dá)標(biāo)測(cè)試，標(biāo)志著我國(guó)在這一領(lǐng)域仍然保持著國(guó)際先進(jìn)水平.”的描述，以期對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系起到積極的作用.

3.1.5 命題確定

經(jīng)過修改和整理，最終形成的命題如下.

【選擇題】2017年6月，由中國(guó)研制的國(guó)際首臺(tái)25 MeV連續(xù)波超導(dǎo)質(zhì)子直線加速器通過達(dá)標(biāo)測(cè)試，標(biāo)志著我國(guó)在這一領(lǐng)域仍然保持著國(guó)際先進(jìn)水平. 現(xiàn)有某種直線加速器結(jié)構(gòu)如圖3所示，編號(hào)為1～4號(hào)的4塊電極板平行放置，極板中心均有一小孔供粒子通過. 其中1號(hào)和3號(hào)板與A接線柱相連，2號(hào)和4號(hào)板與B接線柱相連. 在A,B接線柱間通以圖4所示的交變電壓，其中電壓U0已知，周期T可以根據(jù)需要調(diào)節(jié). 現(xiàn)有一質(zhì)子從1號(hào)板由靜止釋放，沿直線保持加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，穿過小孔達(dá)到4號(hào)板. 設(shè)質(zhì)子的電荷量為e，質(zhì)量為m，1,2號(hào)板間距為d，忽略電場(chǎng)邊緣效應(yīng)及電壓變化瞬間所產(chǎn)生的影響，則：

D.整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，質(zhì)子作勻加速直線運(yùn)動(dòng)

圖3 某種直線加速器結(jié)構(gòu)

圖4 A,B接線柱通入的交變電壓

3.2 計(jì)算題命題過程

3.2.1 命題背景

在選擇題命題完成之后，為避免重復(fù)，筆者選取了“帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”為計(jì)算題的主要考查方向.該考點(diǎn)在計(jì)算題考查，近3年出現(xiàn)在2015年Ⅱ卷 、2017年Ⅰ卷、2017年Ⅱ卷和2017年Ⅲ卷.特別在2017年的3張卷中同時(shí)出現(xiàn)，其中Ⅰ卷和Ⅱ卷考查了電場(chǎng)，而Ⅲ卷考查了磁場(chǎng)，似乎預(yù)示著帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問題在高考中的回歸.另外，全國(guó)高考第25題的過程復(fù)雜度逐年提高，命題風(fēng)格從“難而不繁”向“既難又繁”轉(zhuǎn)變，力學(xué)多過程問題和附加外電場(chǎng)的力學(xué)綜合問題逐年涌現(xiàn)；由2017年的命題也可看出，全國(guó)卷的第25題側(cè)重公式字符的運(yùn)算，對(duì)應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力要求進(jìn)一步提升.對(duì)于這些命題特點(diǎn)都需要針對(duì)性地訓(xùn)練.

3.2.2 情境設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的分析，筆者設(shè)計(jì)了如圖5所示的計(jì)算題情境：兩平行電極板豎直放置，板間電壓為U0. 電荷量為-q，質(zhì)量為m的粒子經(jīng)電場(chǎng)加速后，沿圓心方向射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的圓形磁場(chǎng)區(qū)域，并在受到磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后，被圓心正下方距離為L(zhǎng)處的接收探頭接收.接收探頭可視為質(zhì)點(diǎn)，且可在水平滑軌上自由滑動(dòng)，便于設(shè)問.

圖5 設(shè)計(jì)的計(jì)算題情境

3.2.3 設(shè)問與解答

在該情境中，可以考查帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，并利用組合場(chǎng)的模型設(shè)計(jì)多過程問題.整道題將對(duì)學(xué)生的理解能力、推理能力、分析綜合能力及應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力提出較高的要求.為了準(zhǔn)確考查學(xué)生對(duì)過程的理解，并合理設(shè)置難度梯度，筆者在復(fù)賽中以第25題的難度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了如下3個(gè)小問：

(1)圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑R；

(2)若經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用，磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱為B，求探頭為了接收粒子而偏離初始位置的距離x與B之間的關(guān)系；

(3)若因使用不當(dāng)，圓形磁場(chǎng)區(qū)域在豎直方向上偏移了s(s

其中，第(1)問考查學(xué)生對(duì)過程的理解能力，粒子通過電場(chǎng)加速后進(jìn)入圓形磁場(chǎng)區(qū)域，經(jīng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后飛向正下方的探頭，如圖6所示.

易得軌跡半徑與磁場(chǎng)半徑相等，即r=R.

由動(dòng)能定理

由牛頓運(yùn)動(dòng)定律

聯(lián)立解得

圖6 粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡

第(2)問和第(3)問的設(shè)計(jì)則受到2013年全國(guó)新課標(biāo)Ⅰ卷第25題的啟發(fā)，求解物理量之間的關(guān)系式.其中第(2)問中，由于磁場(chǎng)區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱，軌跡半徑將變大，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡將如圖7所示.

圖7 磁場(chǎng)減弱后粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡

由牛頓運(yùn)動(dòng)定律得

由幾何關(guān)系得

結(jié)合(1)中結(jié)論，得

代入二倍角公式

得

問題除了考查學(xué)生的理解和推理能力，通過二倍角公式，也考查學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力.

在第(3)問中，因磁場(chǎng)區(qū)域發(fā)生偏移，粒子射入磁場(chǎng)區(qū)域的方向不再指向圓心，這將使題目的難度加大，對(duì)學(xué)生推理能力和分析綜合能力的要求也進(jìn)一步提高.由于磁場(chǎng)區(qū)域可以向上或向下偏移，解題過程也應(yīng)分兩種不同的情況討論，具體過程如圖8、圖9所示.

圖8 圓形磁場(chǎng)區(qū)域向下偏移后粒子運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9 圓形磁場(chǎng)區(qū)域向上偏移后粒子運(yùn)動(dòng)軌跡

若磁場(chǎng)向下偏移，由幾何關(guān)系得

結(jié)合(1)中結(jié)論，聯(lián)立解得

若磁場(chǎng)向上偏移，由幾何關(guān)系得

結(jié)合(1)中結(jié)論，聯(lián)立解得

但在決賽之前的準(zhǔn)備階段，筆者考慮到雖然2017年的全國(guó)新課標(biāo)Ⅰ卷和Ⅱ卷側(cè)重了公式字符的運(yùn)算，但第(3)問中答案的表達(dá)式仍然過于復(fù)雜，冗長(zhǎng)的計(jì)算過程可能會(huì)占去學(xué)生太多的答題時(shí)間，故在題目的最后加上了“(結(jié)果可用R表述)”的補(bǔ)充條件，以期將試題考查的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)W生的理解能力、推理能力和分析綜合能力.最終的答案也隨之精簡(jiǎn)為

3.1.4 考查目標(biāo)

本題著重考查的是物理觀念和科學(xué)思維的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4，并同時(shí)在題干中滲透了科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.試題的設(shè)問要求學(xué)生具有清晰的物理觀念，能綜合應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題；并能將實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型，能對(duì)綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理，能采用不同方式分析解決物理問題.在題干中對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的表述，向?qū)W生滲透物理研究是一種對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象的創(chuàng)造性工作，并讓學(xué)生意識(shí)到實(shí)驗(yàn)操作需要的規(guī)范性和嚴(yán)謹(jǐn)性.

3.1.5 命題確定

經(jīng)過修改和整理，最終形成的命題如下.

【計(jì)算題】為了接收直線加速器加速的粒子，某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)了如圖10所示的裝置. 兩平行電極板豎直放置，板間電壓為U0. 電荷量為-q，質(zhì)量為m的粒子經(jīng)電場(chǎng)加速后，沿圓心方向射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的圓形磁場(chǎng)區(qū)域，并在受到磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后，被圓心正下方距離為L(zhǎng)處的接收探頭接收. 若接收探頭可視為質(zhì)點(diǎn)，且可在水平滑軌上自由滑動(dòng)，不計(jì)粒子重力，求：

(1)圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑R；

(2)若經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用，磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱為B，求探頭為了接收粒子而偏離初始位置的距離x與B之間的關(guān)系；

(3)若因使用不當(dāng)，圓形磁場(chǎng)區(qū)域在豎直方向上偏移了s(s

圖10 某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)的粒子直線加速器裝置

4 心得與體會(huì)

經(jīng)過為期一周的前期準(zhǔn)備以及現(xiàn)場(chǎng)命題和說題的比賽過程，最終的結(jié)果令人滿意.筆者在命題與修改的過程中，有了一些心得和體會(huì)，現(xiàn)總結(jié)如下，供同仁交流：

(1)模擬試題的命制，應(yīng)以新課標(biāo)的理念和物理學(xué)科核心素養(yǎng)為基礎(chǔ)，以考試大綱和考試說明的5個(gè)方面能力要求為指導(dǎo)，結(jié)合高考命題的趨勢(shì)，意圖最大程度模擬高考的考查特點(diǎn)，以達(dá)到最大化的訓(xùn)練效果.

(2)試題的情境設(shè)計(jì)應(yīng)盡量利用原始物理問題，探索與現(xiàn)實(shí)相關(guān)的情境，密切聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際，具備一定的開放性和創(chuàng)新性.通過學(xué)生面對(duì)復(fù)雜現(xiàn)實(shí)情境時(shí)的表現(xiàn)來考查學(xué)生的核心素養(yǎng).

(3)命題的過程中應(yīng)特別注意試題的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，避免科學(xué)性錯(cuò)誤.這既是在避免試題的內(nèi)容對(duì)學(xué)生產(chǎn)生誤導(dǎo)，也是以身作則向?qū)W生展現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

(4)試題的難度和復(fù)雜度需要嚴(yán)格的把控，使試題既能達(dá)到訓(xùn)練和考查的目的，又不至于因過于復(fù)雜的過程和冗長(zhǎng)的計(jì)算偏離了考查的重點(diǎn).

在命題過程中，筆者也曾被問起“你認(rèn)為今年高考考到這道題的概率有多少”這樣的問題.筆者認(rèn)為，命題在注重模擬性的同時(shí)，并不需要太過于強(qiáng)調(diào)其預(yù)測(cè)功能.因?yàn)槊坏篮妙}，是一件“功在當(dāng)代，利在千秋”的事情.不論高考如何變化，優(yōu)秀的試題在對(duì)物理學(xué)科的必備知識(shí)、關(guān)鍵能力、學(xué)科素養(yǎng)和核心價(jià)值進(jìn)行訓(xùn)練和考查時(shí)起到的關(guān)鍵性作用總是不會(huì)變的.