李志剛　田成良　陳偉孟　崔琰

摘 要：2019北京高考理綜第23題在多個(gè)方面體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)和命題趨勢(shì)，突出了實(shí)驗(yàn)考查方式的創(chuàng)新，本文將對(duì)該題中涉及的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、數(shù)形結(jié)合思想考查、定量與半定量和定性分析等方面進(jìn)行解讀.

關(guān)鍵詞：2019年北京高考試題;創(chuàng)新思維;實(shí)驗(yàn)考查;等級(jí)性考試

文章編號(hào)：1008-4134（2019）13-0063 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：李志剛（1982-），男，湖北人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)及評(píng)價(jià)等;

田成良（1974-），男，山東人，本科，中學(xué)特級(jí)教師，教研員，研究方向：物理過(guò)程教學(xué)科學(xué)方法教育;

陳偉孟（1981-），男，浙江人，博士，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：物理教學(xué)和研究性學(xué)習(xí);

崔琰（1982-），男，天津人，博士，海淀區(qū)物理教研員，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

北京市2017級(jí)開(kāi)始全面進(jìn)入新一輪課程改革，包括考試招生制度改革在內(nèi)的各項(xiàng)改革正在穩(wěn)步推進(jìn)，近兩年北京高考理綜物理試題穩(wěn)中求進(jìn)、進(jìn)中求變，在豐富選材范圍、創(chuàng)新呈現(xiàn)方式方面亮點(diǎn)頗多，尤其是實(shí)驗(yàn)考查方面，在內(nèi)容、形式和風(fēng)格上逐漸形成特色的基礎(chǔ)上，在題目數(shù)量、分值和廣度上有進(jìn)一步的突破，23題開(kāi)拓了新的實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合綜合考查考生的核心素養(yǎng)水平的試題形式;2019年北京高考理綜物理試題完成選拔任務(wù)的同時(shí)，在利用實(shí)驗(yàn)深化學(xué)科能力和核心素養(yǎng)考查方面做了更進(jìn)一步的嘗試，在適當(dāng)降低難度的同時(shí)適度提高區(qū)分度做了進(jìn)一步的評(píng)價(jià)探索.2019年北京高考理綜第23題涉及2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)新的學(xué)生實(shí)驗(yàn)—電容器的充放電實(shí)驗(yàn)，此題在多個(gè)方面體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)和命題趨勢(shì)，本文將對(duì)該試題中涉及的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、數(shù)形結(jié)合思想考查、定量與半定量和定性分析等方面進(jìn)行解讀.

1 原題回顧

（2019年北京高考理綜23題）電容器作為儲(chǔ)能器件，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用.對(duì)給定電容值為C的電容器充電，無(wú)論采用何種充電方式，其兩極間的電勢(shì)差u隨電荷量q的變化圖象都相同.

（1）請(qǐng)?jiān)趫D1中畫(huà)出上述u- q圖象.類(lèi)比直線運(yùn)動(dòng)中由v-t圖象求位移的方法，求兩極間電壓為 U時(shí)電容器所儲(chǔ)存的電能Ep.

（2）在如圖2所示的充電電路中，R表示電阻，E表示電源（忽略?xún)?nèi)阻）.通過(guò)改變電路中元件的參數(shù)對(duì)同一電容器進(jìn)行兩次充電，對(duì)應(yīng)的q- t曲線如圖3中①②所示.

a.①②兩條曲線不同是（選填E或R）的改變?cè)斐傻?

b.電容器有時(shí)需要快速充電，有時(shí)需要均勻充電.依據(jù)a中的結(jié)論，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)這兩種充電方式的途徑.

（3）設(shè)想使用理想的“恒流源”替換（2）中電源對(duì)電容器充電，可實(shí)現(xiàn)電容器電荷量隨時(shí)間均勻增加.請(qǐng)思考使用“恒流源”和（2）中電源對(duì)電容器的充電過(guò)程，填寫(xiě)表1（選填“增大”、“減小”或“不變”）.

2 試題解答及分析

【試題分析】

（1）本問(wèn)強(qiáng)調(diào)的類(lèi)比遷移方法，是一種極其重要的方法，v-t圖面積表示位移—位置的變化，是一個(gè)過(guò)程量，結(jié)論的得到用到了微元法.關(guān)聯(lián)類(lèi)比到u-q圖與橫軸圍成的面積，應(yīng)表示過(guò)程量——電容充電過(guò)程中電荷克服電場(chǎng)力做的功，或電容器電勢(shì)能的變化量.“u-q圖線與橫軸圍成的面積表示電容器存儲(chǔ)的靜電能”的說(shuō)法反映的是狀態(tài)量，類(lèi)似人教版教材位移公式中的x和Δx的關(guān)系，當(dāng)狀態(tài)起點(diǎn)是零值時(shí)，末態(tài)的狀態(tài)量可以反映對(duì)應(yīng)過(guò)程的變化量.本問(wèn)強(qiáng)調(diào)：“對(duì)給定電容值為C的電容器充電，無(wú)論采用何種充電方式，其兩極間的電勢(shì)差u隨電荷量q的變化圖象都相同.”這里，其實(shí)隱含確認(rèn)了“靜電場(chǎng)電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)，只與初末位置有關(guān)”這一關(guān)于保守力做功的特點(diǎn)，又可避免暫態(tài)電場(chǎng)是變化電場(chǎng)而非靜電場(chǎng)的麻煩.

（2）本問(wèn)的q-t圖線的斜率反映充電電流i，圖線有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：其一，q隨時(shí)間t從0開(kāi)始增加，但是斜率逐漸減小;其二，q存在極限值.

a. 充電過(guò)程會(huì)存在暫態(tài)電流，圖3中①②兩條圖象的電量極限值相同，意味著它們達(dá)到靜電平衡時(shí)的電量Q相同，而用的是同一個(gè)電容器C，根據(jù)U=Q/C，應(yīng)該所用電源的端電壓U相同，故電動(dòng)勢(shì)E相同，利用排除法判斷：斜率的差異應(yīng)該是暫態(tài)過(guò)程R的不同導(dǎo)致的.

b.可以從t→0時(shí)的q-t圖線的斜率來(lái)分析，t→0時(shí)，從圖中，可以看出①電流比②電流大，此時(shí)電容器可認(rèn)為暫未帶電，其電壓為0，故電阻的電壓就等于E，因此，根據(jù)部分電路歐姆定律，①對(duì)應(yīng)的電阻小;②對(duì)應(yīng)的電阻大.（事實(shí)上，任意相同電量（縱坐標(biāo)）的狀態(tài)，電容的電壓相等，從而電阻的電壓相等，但圖上的斜率—電流—都是①的比②的大）

第（2）問(wèn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰χ械臄?shù)據(jù)分析能力和推理能力有比較高的要求，總體屬于課程標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)層級(jí)四的要求，第（2）a問(wèn)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的圖象呈現(xiàn)方式分析推理圖象差異的原因，這一處理方法與19題表格呈現(xiàn)方式分析推理原因的考查相得益彰，第（2）b問(wèn)要求考生根據(jù)a的分析結(jié)果解決實(shí)際問(wèn)題，問(wèn)得恰到好處.

（3）對(duì)恒流源，電源電流恒定，根據(jù)能量守恒定律，其兩端電壓UI等于R兩端電壓UR=IR與電容器兩極板電壓UC=It/C之和，故UI=It/C+IR，U隨時(shí)間線性增加.（2）中電源，內(nèi)阻為0、電動(dòng)勢(shì)恒定，實(shí)質(zhì)是恒壓源，即輸出電壓UV（=E）恒定，UV等于R兩端電壓UR=IR與電容器兩極板電壓UC=q/C之和，由部分電路歐姆定律得I=（UV-q/C）/R，故I隨q增大而減小.

本問(wèn)深度考查了考生的能量觀念，要求考生在遇到新概念、新情景時(shí)，甄別和利用能量守恒定律解決問(wèn)題，考生必須弄清楚能量守恒定律及由之得來(lái)的歐姆定律的適用條件.

3 試題的核心素養(yǎng)分析和能力素養(yǎng)導(dǎo)向下的亮點(diǎn)品味

該試題緊密?chē)@物理學(xué)科核心素養(yǎng)，以科學(xué)探究為背景，注重物理觀念、科學(xué)思維的考查，從學(xué)生熟悉的基本物理概念出發(fā)，多角度深刻剖析基本物理概念和規(guī)律.

3.1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)視角的分析

3.2 能力素養(yǎng)導(dǎo)向下的亮點(diǎn)品味

3.2.1 注重模型構(gòu)建意識(shí)的培養(yǎng)

對(duì)象模型上，本題涉及電容器、恒壓源、恒流源、靜電平衡狀態(tài)等概念對(duì)象的構(gòu)建有隱性要求.方法模型上，本題強(qiáng)調(diào)類(lèi)比遷移與關(guān)聯(lián)整合的方法.過(guò)程模型上，本題要求學(xué)生比較好地理解電容器的充電過(guò)程本質(zhì)上是導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡的暫態(tài)過(guò)程.

3.2.2 注重物理規(guī)律的深度考查

本題體現(xiàn)了物理規(guī)律普適性，題干開(kāi)宗明義指出，電場(chǎng)力做功、電容器充電的具體過(guò)程與方式無(wú)關(guān);（1）（3）都涉及到能量的轉(zhuǎn)化與守恒，能量守恒是物理學(xué)中最引人入勝的規(guī)律之一，高中教材中，力、熱、電、光中都有能量守恒定律的體現(xiàn)，比如力學(xué)中的機(jī)械能守恒定律，熱學(xué)中的熱力學(xué)第一定律，電學(xué)中的歐姆定律、楞次定律，光學(xué)中的愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，等等，也是物理教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)所在.題目第（2）問(wèn)圍繞靜電平衡狀態(tài)及其暫態(tài)過(guò)程規(guī)律考查.

3.2.3 注重?cái)?shù)形結(jié)合思想的滲透

本題以?xún)蓚€(gè)圖象：u-q圖和q-t圖，考查了圖象問(wèn)題的識(shí)別圖象、運(yùn)用圖象、創(chuàng)造圖象三個(gè)層次中的兩個(gè)，較為全面地考查了圖象的六大要素——軸、點(diǎn)、線、斜、截、面.

3.2.4 注意實(shí)驗(yàn)考查方式的創(chuàng)新

本題三問(wèn)設(shè)問(wèn)層次鮮明，注意評(píng)價(jià)層級(jí)的遞進(jìn)，多處體現(xiàn)了創(chuàng)新.創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在：一、全面要求考生進(jìn)行定量推導(dǎo)、半定量和定性分析;二、首次綜合考查實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合進(jìn)而解決實(shí)際生活問(wèn)題;三、從“電源”到“恒流源”概念考查的過(guò)程，再現(xiàn)了新知構(gòu)建的過(guò)程，也是過(guò)往高考中沒(méi)有的.本題的設(shè)問(wèn)，知識(shí)跨度大，并非一般問(wèn)題的單線設(shè)問(wèn)，而是多角度、非線性設(shè)問(wèn)，要求考生具有將知識(shí)和方法關(guān)聯(lián)整合的能力，體現(xiàn)了濃濃的物理味道，體現(xiàn)了命題者對(duì)于評(píng)價(jià)層次和尺度的把握水平，展現(xiàn)了命題者的創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)于引導(dǎo)物理教學(xué)有非常好的導(dǎo)向作用.

4 試題給我們的教學(xué)啟示

基于以上試題評(píng)價(jià)的分析和問(wèn)題解決策略的分析，筆者認(rèn)為，給我們的教學(xué)啟示如下：

（1）教師在平時(shí)教學(xué)中，應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材的研讀和研究，研究課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究教材中的例題、習(xí)題等，做教材比較分析，引領(lǐng)學(xué)生重視和使用教材，引導(dǎo)和幫助學(xué)生整合碎片化的知識(shí)、方法，形成有機(jī)的體系，提高關(guān)聯(lián)整合和思辨能力.

（2）教師在教學(xué)中要重視實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性地位，充分利用演示實(shí)驗(yàn)、自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，在直觀觀察基礎(chǔ)上，深化思維、建立概念、構(gòu)建規(guī)律.比如利用平均速度的測(cè)量建立瞬時(shí)速度的概念，利用自制電容器的演示建立電容器的概念，利用電容器的充放電建立電容的概念.

（3）教師應(yīng)幫助學(xué)生全面提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?在高一、高二足額做好演示實(shí)驗(yàn)、扎實(shí)落實(shí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)科中的基礎(chǔ)性地位，拓展實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Πl(fā)展的邊界和方向，提升圖象法和列表法處理數(shù)據(jù)等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析能力，品味物理學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的深邃的物理思想，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法和結(jié)論解決生活中的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題等，引導(dǎo)學(xué)生在運(yùn)用數(shù)學(xué)工具定量分析物理問(wèn)題之后，進(jìn)行半定量、定性的討論并構(gòu)建其對(duì)應(yīng)的物理圖景，形成內(nèi)在的、深刻的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

（4）增加理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的問(wèn)題的供給形式，豐富新知類(lèi)問(wèn)題的考查方式，更加顯性地展示創(chuàng)造性勞動(dòng)，通過(guò)討論、剖析和練習(xí)等措施，幫助學(xué)生增強(qiáng)在信息提取、邏輯思維和質(zhì)疑創(chuàng)新等方面的能力，提升科學(xué)思維水平.教師在素材的選取上對(duì)基礎(chǔ)較好的學(xué)生可以適當(dāng)多開(kāi)些窗口，同時(shí)也引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)、技術(shù)、環(huán)境和社會(huì).

（收稿日期：2019-06-13）