王小軍

西北大學(xué)附屬中學(xué)，西安 710069

高考評(píng)價(jià)體系主要由“一核、四層、四翼”三部分內(nèi)容組成。物理學(xué)科考試是以高考評(píng)價(jià)體系為指引，以關(guān)鍵能力考查為重點(diǎn)，凸顯物理學(xué)科的自身特點(diǎn)，來(lái)創(chuàng)新命制符合高考評(píng)價(jià)體系理念的物理學(xué)科試題。2022 年全國(guó)甲卷第18 題以帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的分析和判定為情境創(chuàng)設(shè)背景，試題立意新穎，凸顯了綜合性、創(chuàng)新性，考查了學(xué)生的物理學(xué)科關(guān)鍵能力，體現(xiàn)了“一核、四層、四翼”的考查要求。本文基于高考評(píng)價(jià)體系對(duì)物理學(xué)科考試內(nèi)容的定位，對(duì)物理學(xué)科考試試題進(jìn)行解構(gòu)，結(jié)合物理學(xué)科關(guān)鍵能力構(gòu)建物理學(xué)科試題分析框架，并用試題分析框架對(duì)2022 年全國(guó)甲卷第18 題進(jìn)行解題分析，探索可視化的試題分析思維流程，以期對(duì)高中物理試題分析教學(xué)有所啟示。

1 物理學(xué)科考試

1.1 物理學(xué)科考試內(nèi)容的定位

物理學(xué)科考試內(nèi)容是以高考評(píng)價(jià)體系為指導(dǎo)，依據(jù)高校人才選拔要求和普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，在物理學(xué)科本質(zhì)的基礎(chǔ)上，確定物理學(xué)科考試的總體思路和實(shí)施路徑，創(chuàng)新性地實(shí)施物理學(xué)科考試內(nèi)容的測(cè)量與評(píng)價(jià)（圖1）［1］。

圖1 物理學(xué)科考試的建構(gòu)示意圖

1.2 物理學(xué)科關(guān)鍵能力

物理學(xué)科考試內(nèi)容的關(guān)鍵能力，指經(jīng)過(guò)高中階段的學(xué)習(xí)后，考生在應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題情境或?qū)W術(shù)問(wèn)題情境時(shí)，認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題必須具備的能力。高考評(píng)價(jià)體系將關(guān)鍵能力分為知識(shí)獲取能力群、實(shí)踐操作能力群、思維認(rèn)知能力群三個(gè)層次［1］。在高考評(píng)價(jià)體系的指引下理解能力、模型建構(gòu)能力、邏輯推理能力、分析綜合能力、信息加工能力、實(shí)驗(yàn)探究能力六種能力為物理學(xué)科內(nèi)容的關(guān)鍵能力。

高考評(píng)價(jià)體系對(duì)物理試題提出明確的要求，物理學(xué)科試題是以物理學(xué)科素養(yǎng)為內(nèi)核，創(chuàng)設(shè)生活實(shí)踐問(wèn)題情境或?qū)W習(xí)探索問(wèn)題情境，情境用物理語(yǔ)言進(jìn)行關(guān)鍵表述，以立德樹(shù)人的“金線”為統(tǒng)領(lǐng)，以必備知識(shí)為基礎(chǔ)，以學(xué)科素養(yǎng)考查為導(dǎo)向，以關(guān)鍵能力考查為重點(diǎn)所形成的具體問(wèn)題，它的終極任務(wù)是“服務(wù)選材”，滿足高校人才選拔需求（圖2）。

圖2 物理學(xué)科試題解構(gòu)示意

2 基于物理學(xué)科關(guān)鍵能力的物理學(xué)科試題分析框架

學(xué)生解決問(wèn)題的過(guò)程就是一個(gè)自我綜合素養(yǎng)和能力的集中反映過(guò)程。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生普遍存在的問(wèn)題是理解和判斷能力不夠，言之無(wú)物。對(duì)題干信息沒(méi)有仔細(xì)閱讀，遺漏信息或者曲解題干條件導(dǎo)致讀不懂題或讀錯(cuò)題；轉(zhuǎn)換信息表征能力不夠，言之無(wú)理。無(wú)法深層理解題干信息，無(wú)法將題干信息轉(zhuǎn)化為表征正確的物理變量及變量間的關(guān)聯(lián)，即對(duì)情境中對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程、狀態(tài)理解模糊，導(dǎo)致建構(gòu)模型錯(cuò)誤或有偏差；邏輯推理綜合能力欠缺，言之無(wú)據(jù)。無(wú)法關(guān)聯(lián)題干的問(wèn)題與條件，邏輯推理、演繹能力弱，不能正確、完整地運(yùn)用物理規(guī)律解決問(wèn)題。究其原因，就是沒(méi)有形成正確的試題分析思維流程，無(wú)法構(gòu)建分析問(wèn)題思維框架。

試題情境、條件、模型可以根據(jù)生活實(shí)踐、學(xué)習(xí)探索情境千變?nèi)f化，但是解決問(wèn)題的規(guī)律是相對(duì)穩(wěn)定的，就是結(jié)合物理學(xué)科關(guān)鍵能力與物理試題解構(gòu)流程將分析思維顯現(xiàn)化、程序化，提高解決問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生物理學(xué)科關(guān)鍵能力的目的培養(yǎng)。如圖3 所示，解題具體過(guò)程為：①提取關(guān)鍵信息——言之有物。認(rèn)真仔細(xì)、逐字逐句地閱讀題干，從問(wèn)題情境的關(guān)鍵表述中，依據(jù)相關(guān)物理必備知識(shí)，準(zhǔn)確、全面、敏銳地進(jìn)行信息識(shí)別與篩選，提取題干關(guān)鍵表述，用物理視角、物理思維對(duì)有效信息進(jìn)行挖掘與加工，凝練為相應(yīng)物理情境與物理事實(shí)。②分析綜合建?！灾欣?。對(duì)物理情境與物理事實(shí)有效地進(jìn)行分析綜合、表征變換，明確題干中的物理變量、變量間的關(guān)系及變化過(guò)程，即明確研究對(duì)象的物理狀態(tài)和物理過(guò)程，建構(gòu)正確的物理模型。③邏輯推理演繹——言之有據(jù)。選取正確的物理規(guī)律對(duì)建構(gòu)的物理模型進(jìn)行邏輯推理、演繹及清晰表達(dá)，最終解決問(wèn)題。

圖3 物理學(xué)科試題分析框架

3 典型問(wèn)題剖析

例題（2022 年全國(guó)甲卷第18 題）空間存在著勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向垂直于紙面（xOy 平面）向里，電場(chǎng)的方向沿y 軸正方向。一帶正電的粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下，從坐標(biāo)原點(diǎn)O 由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。如圖4，下列四幅圖中，可能正確描述該粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的是（ ）

圖4 粒子運(yùn)動(dòng)軌跡圖

試題立意：本題以帶電粒子在正交電磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)為背景素材，創(chuàng)設(shè)判定粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的學(xué)習(xí)探索問(wèn)題情境，主要考查靜電力、洛倫茲力以及運(yùn)動(dòng)的合成與分解等知識(shí)和推理論證能力。

學(xué)生錯(cuò)解情況分析：①理解能力、信息加工能力不足，言之無(wú)物。部分學(xué)生不能熟練運(yùn)用左手定則判斷洛倫茲力的方向，對(duì)洛倫茲力和靜電力對(duì)粒子軌跡的影響理解不到位，錯(cuò)選A 或C選項(xiàng)。部分學(xué)生糾結(jié)于B，D 選項(xiàng)之間，但又無(wú)從下手，只能憑個(gè)人感覺(jué)進(jìn)行隨意分析，導(dǎo)致錯(cuò)選。②分析綜合能力不足，言之無(wú)理。不能對(duì)影響帶電粒子做變速曲線運(yùn)動(dòng)的決定因素進(jìn)行正確的綜合分析，對(duì)粒子在正交電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和過(guò)程的內(nèi)在原因分析錯(cuò)誤，部分學(xué)生可以鎖定B，D 選項(xiàng)，但又無(wú)法甄別兩選項(xiàng)，錯(cuò)選C 選項(xiàng)。③邏輯推理能力不足，言之無(wú)據(jù)。部分學(xué)生糾纏于洛倫茲力和靜電力的合成，不能準(zhǔn)確地理解洛倫茲力始終與粒子運(yùn)動(dòng)方向垂直，對(duì)粒子不做功，只改變粒子的運(yùn)動(dòng)方向。因?yàn)橹挥徐o電力對(duì)粒子做功，粒子的速度大小只與靜電力做功有關(guān)。

結(jié)果是不能準(zhǔn)確把握問(wèn)題實(shí)質(zhì)，對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)向心力公式、電場(chǎng)力對(duì)粒子做功能量關(guān)系、運(yùn)動(dòng)的合成與分解等規(guī)律不能準(zhǔn)確地進(jìn)行推理演繹。

現(xiàn)依據(jù)物理學(xué)科關(guān)鍵能力的物理學(xué)科試題分析框架對(duì)該例題進(jìn)行分析：

3.1 提取關(guān)鍵信息——言之有物（表1）

表1 2022 年全國(guó)甲卷第18 題分析

3.2 分析綜合建?！灾欣?/h3>

在判定帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡的問(wèn)題時(shí)，學(xué)生容易產(chǎn)生思維定式，在已有的知識(shí)背景中，誤認(rèn)為粒子軌跡是拋物線、圓弧一部分或橢圓弧一部分。帶電粒子在正交電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，靜電力會(huì)對(duì)粒子做功，引起帶電粒子速度改變，從而又引起洛倫茲力改變，所以粒子軌跡既非圓周又非拋物線，而是變速曲線運(yùn)動(dòng)。

3.3 邏輯推理演繹——言之有據(jù)

方法一：粒子受力定性分析

磁場(chǎng)的方向垂直于紙面向里，電場(chǎng)的方向沿y 軸正方向，粒子在洛倫茲力和靜電力的作用下從坐標(biāo)原點(diǎn)由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，粒子所受靜電力沿電場(chǎng)方向，根據(jù)左手定則判斷洛倫茲力方向，可知粒子應(yīng)向x 軸負(fù)方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，故A，C 選項(xiàng)錯(cuò)誤；電場(chǎng)的方向沿y 軸正方向，則x 軸是勻強(qiáng)電場(chǎng)的等勢(shì)線，又由于粒子所受洛倫茲力不做功，靜電力對(duì)粒子做功，當(dāng)粒子再次回到x 軸時(shí)靜電力對(duì)粒子做功為零，速度必將為零，粒子不進(jìn)入第三象限，故C，D 選項(xiàng)錯(cuò)誤；由于再次回到x 軸時(shí)粒子速度為零，可知粒子將完全重復(fù)之前的運(yùn)動(dòng)做周期性的變速曲線運(yùn)動(dòng)，故B 選項(xiàng)正確。試題分析框架如圖5 所示。

圖5 試題解構(gòu)流程圖

方法二：“配對(duì)速度法”定性分析。

在正交電磁場(chǎng)中，粒子受靜電力和洛倫茲力作用，初速度為零。將其等效為水平向右的分速度v1和水平向左的分速度v2，v1=v2，且qv2B=qE。粒子運(yùn)動(dòng)可以看成兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)，兩分運(yùn)動(dòng)分別為：如圖6 甲以速度沿x 軸負(fù)方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)；如圖6 乙以線速度v1做逆時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)［2］。

圖6 運(yùn)動(dòng)分解圖

粒子實(shí)際的軌跡為兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)定性討論合速度的大小變化和方向變化：

如圖7 所示，進(jìn)行速度合成。初始狀態(tài)粒子由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，即v合0=0。之后由矢量合成三角形法則可知合速度逐漸增大，當(dāng)v1水平向左時(shí)合速度v合3最大，v合3=2v1，即v合0→v合3過(guò)程中粒子合速度大小由0 增大到2v1，其原因是靜電力對(duì)粒子做正功；同理如圖8 所示，v合4→v合5→v合6過(guò)程合速度逐漸減小，直至v合6=0，其原因是靜電力對(duì)粒子做負(fù)功。如圖7、圖8，粒子合速度方向在v合0→v合3→v合6過(guò)程中，從與x 軸負(fù)方向夾角趨近于減小到0 再增加到與x 軸負(fù)方向夾角趨近于。因?yàn)榱Ｗ釉俅位氐絰 軸時(shí)v合6=0，故粒子不進(jìn)入第三象限，之后重復(fù)之前的運(yùn)動(dòng)。實(shí)際軌跡中任一點(diǎn)的切線為該點(diǎn)的合速度方向，則定性畫(huà)出軌跡如圖9 所示，與B 選項(xiàng)情境相符合。

圖7 速度合成圖

圖8 速度合成圖

圖9 粒子運(yùn)動(dòng)軌跡

上述方法只是對(duì)粒子軌跡進(jìn)行定性分析，并沒(méi)有解決帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡究竟是什么的問(wèn)題。是拋物線還是一個(gè)圓弧？或者是橢圓弧還是任意曲線？ 學(xué)生普遍感到困惑不解，這就需要對(duì)帶電粒子在正交電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行深度分析。

方法三：“配對(duì)速度法”定量分析。

圖10 粒子分運(yùn)動(dòng)合成圖

圓周向負(fù)x 軸平移距離為x'=v2t，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ=ωt，則

將（3）（4）式進(jìn)行化簡(jiǎn)整理得

由（5）（6）式并結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)得帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線［3］，如圖11 所示。

圖11 粒子運(yùn)動(dòng)軌跡圖

通過(guò)上述分析，學(xué)生不僅知其然，而且還知其所以然，學(xué)生的物理關(guān)鍵能力、思維品質(zhì)得到進(jìn)階提升。

4 教學(xué)思考

4.1 重視有效獲取和解構(gòu)信息——言之有物

新高考在試題載體方面重視情境的融入和創(chuàng)新，以此承載考查內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)考查要求。情境是運(yùn)用文字、數(shù)據(jù)、圖表等形式，圍繞一定主體加以設(shè)置的，為呈現(xiàn)解題信息、設(shè)計(jì)問(wèn)題任務(wù)、達(dá)成測(cè)評(píng)目標(biāo)而提供載體。教學(xué)中面對(duì)一個(gè)情境問(wèn)題，我們不僅要從靜態(tài)角度獲取文字、符號(hào)、圖像（表）等顯性信息，更要從動(dòng)態(tài)角度、邏輯關(guān)聯(lián)角度獲取與解構(gòu)有用的隱性信息［4］。

如例題中，粒子在靜電力和洛倫茲力的共同作用下做復(fù)雜的變速曲線運(yùn)動(dòng)，超出學(xué)生認(rèn)知能力，在教學(xué)中要著力培養(yǎng)學(xué)生有效獲取、解構(gòu)、加工題干信息的能力。本題應(yīng)抓住兩個(gè)信息關(guān)鍵點(diǎn)，一是根據(jù)洛倫茲力方向定性判斷粒子向左偏，二是加工題干信息得出x 軸為等勢(shì)線，則可知粒子再次到x 軸時(shí)速度一定為零，粒子一定不進(jìn)入第三象限。

4.2 重視思維認(rèn)知引導(dǎo)——言之有理

新高考在命題邏輯方面不斷進(jìn)行有意的變革和探索，由原來(lái)的“知識(shí)立意”轉(zhuǎn)向了“知識(shí)為基，能力為重”的考查，增加了試題的開(kāi)放性、靈活性和探究性。在教學(xué)中要重視思維認(rèn)知的引導(dǎo)，在解決帶電粒子在電場(chǎng)中的類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)、在磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)、離心運(yùn)動(dòng)、近心運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜曲線運(yùn)動(dòng)及空間立體轉(zhuǎn)化、平面投影等問(wèn)題時(shí)，要摒棄傳統(tǒng)的解題套路、解題技巧、重復(fù)刷題的教學(xué)模式，要從“解答題目”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖鉀Q問(wèn)題”，不斷地進(jìn)行規(guī)范、專(zhuān)業(yè)的思維拓展與訓(xùn)練，從知識(shí)技能的習(xí)得轉(zhuǎn)向思維認(rèn)知的提升，有針對(duì)性地根據(jù)物理關(guān)鍵能力進(jìn)行試題解構(gòu)思維訓(xùn)練，提升學(xué)生思維品質(zhì)。如例題中，不能止步于粒子受力特點(diǎn)的定性分析，教學(xué)中重視學(xué)生思維深度引導(dǎo)，積極探討用“配對(duì)速度法”進(jìn)行定性分析，可以很好地進(jìn)行數(shù)形結(jié)合思維品質(zhì)的遷移訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用運(yùn)動(dòng)的合成與分解解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。

4.3 重視推理演繹訓(xùn)練——言之有據(jù)

新高考在命題內(nèi)容改革方面逐漸從“一維”到“多維”，由原有的“考查內(nèi)容”一維模式向“考查內(nèi)容、考查要求、考查載體”三維模式轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)出“無(wú)價(jià)值，不入題”“無(wú)思維，不命題”“無(wú)情境，不成題”的命題特點(diǎn)。對(duì)于復(fù)雜的情境問(wèn)題，學(xué)生分析問(wèn)題時(shí)會(huì)遇到推理演繹障礙，導(dǎo)致問(wèn)題理解不通透，總是有“夾生飯”的存在，這就導(dǎo)致學(xué)生看似當(dāng)時(shí)聽(tīng)懂了、理解了，但在后期再次碰到相同或相似的問(wèn)題時(shí)卻感到熟悉又無(wú)奈，無(wú)法深度解構(gòu)問(wèn)題、解決問(wèn)題。如例題中，為了對(duì)粒子軌跡問(wèn)題刨根問(wèn)底、徹底解決，教學(xué)中應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑、勇于挑戰(zhàn)，勇于嘗試用“配對(duì)速度法”進(jìn)行定量分析，根據(jù)已有數(shù)學(xué)知識(shí)系統(tǒng)完整地推理演繹粒子軌跡方程，將簡(jiǎn)單問(wèn)題“復(fù)雜化”，單層問(wèn)題“多層化”，多角度、多方面綜合全面地深度思考問(wèn)題，反復(fù)訓(xùn)練、不斷領(lǐng)悟，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科關(guān)鍵能力。