基于数理核心素养的全国中学生物理竞赛预赛典型试题分析
时间：2021-01-09 10:00:55 来源：达达文档网 本文已影响 人 
凌国亮 黄致新 祝文秀
摘 要：随着新一轮课程改革的推进，学科核心素养已成为评价学生学业质量水平的关键依据。近年来，高中物理竞赛成为了备受关注的特长教育。参与竞赛的学生不仅需要拥有丰富的物理知识、灵活的科学思维、强大的探究能力、严谨的科研精神，更需要具有扎实的数学专业能力。本研究基于物理、数学核心素养水平等级，对全国中学生物理竞赛预赛的典型试题进行分析，试图揭示竞赛预赛试题与数理核心素养的关系，促使数学核心素养的培育落实到物理竞赛当中，促进物理竞赛的有效开展。
关键词：数理;核心素养;物理竞赛;试题分析
随着新一轮课程改革的推进，学科核心素养已成为评价学生学业质量水平的关键依据。近年来，物理考试形成了高考、物理竞赛、自主招生三大层次，物理竞赛也逐渐成为备受学生、家长、学校、社会关注和喜爱的特长教育。参与竞赛的学生不仅需要拥有丰富的物理知识、灵活的科学思维、强大的探究能力、严谨的科研精神，更需要有扎实的数学专业能力。全国中学生物理竞赛预赛试题与高考物理试题在考查内容、情境创设、解题方法等方面有一定的相似性[1]，这也使得物理竞赛预赛试题的命制逐渐与新课改的要求相符合。
为了揭示物理竞赛预赛试题与数理核心素养之间的关系，促使数理核心素养的培育落实到物理竞赛当中，促进高考物理和竞赛物理的有效开展，基于数理核心素养水平对全国中学生物理竞赛预赛试题进行分析和研究就显得十分重要。
1 数理核心素养概述
《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐渐形成的适应社会发展和终身发展的必备品格和关键能力。高中物理课程核心目的在于促进学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面物理核心素养的形成和发展[2]。物理核心素养要想通过纸质化的试题体现出来，就必须依托具有实际内容的载体。
物理核心素养在试题中往往是通过考查内容和解题过程体现出来的。物理观念是从物理学角度形成的关于物质、运动、能量、相互作用等的基本认识，是物理概念、物理公式、物理定律、物理规律在头脑中经过提炼和升华而形成的，也是学生从物理的角度去解释自然现象和解决生活问题的基本观念。科学思维是人脑对科学事物的内部规律、本质属性、事物之间的联系及其相互作用的概括的、间接的反映。科学探究是人们探索和了解自然、获得科学知识的主要方法，是提出科学性的问题，形成假设和猜想，获得和处理信息，基于证据得出问题的结论并作出解释，以及对探究过程和结果进行评估、交流、反思的能力。科学态度与责任素养要想通过试题进行考查，即实现学生内隐品质和素质的显性化，就要借助文字、图片、图形等载体作为情境呈现，从而挖掘学生的思维方法及推理过程。根据物理课程标准对科学态度与责任素养的界定，我们将科学态度与责任素养在试题中的考查形式分成科学本质、科技时事、物理学史、文化素养、科研精神、社会责任六个方面[3]。
高中物理竞赛的考试大纲《全国中学生物理竞赛内容提要》将部分数学基础知识列为竞赛学习内容，如解析几何、矢量运算、微积分等内容。借助物理知识考查数学能力是物理竞赛永恒不变的主题[4]。因此，物理竞赛也对学生的数学核心素养进行培养和考查。《普通高中数学课程标准（2017年版）》也明确指出，数学核心素养是具有数学基本特征的思维品质、关键能力及情感、态度与价值观的综合体现，也是数学课程目标和数学育人价值的集中体现，是学生在数学学习和应用过程中逐渐养成的适应社会发展和终身发展的必备品格和关键能力。在试题中，数学核心素养主要是通过解题方法和技巧来体现，并注重对数学抽象、逻辑推理、数学建模、直观想象、数学运算、数据分析六大方面进行考查。
数学抽象在试题中表现为在实际情境、物理情境中发现代数关系及其规律或几何关系及其规律，把这种关系或规律用数学的语言、或形式、或结构表示出来，形成一般模式，并分析模式中的各种参数及其变化范围。逻辑推理在试题中表现为在解题过程中能够运用归纳、类比和演绎两类方式对代数关系、几何关系进行推理。数学建模在试题中表现为从实际问题出发，建立一个数学模型，通过分析模型、求解模型、验证模型，从而解决实际问题。直观想象在试题中表现为建立平面和空间图形来分析物理问题，或利用图形来描述物理问题，或根据物理问题形成一系列图形，即“问题的图形化”。数学运算在试题中表现为在解答问题的过程中使用运算法则、数学公式、运算方法、运算技巧等来求得运算结果。数据分析在试题中表现为通过分析数据和处理数据，建立数学关系。因此，只有通过分析预赛试题的解题方法、解题技巧、解答过程，方可发现数学核心素养在试题中的考查特点。
2 基于数理核心素养的典型试题分析
物理课程标准规定物理学业水平考试应围绕物理核心素养开展。基于学业质量，每一个物理核心素养都被划分成了5个水平。其中，物理学业质量水平2是高中毕业生应该达到的水平，物理学业质量水平4是高等院校招生录取的学业水平等级性考试的命题依据。同样的，数学核心素养也被分成了3个水平，数学学业水平1是高中畢业生应达到的水平，水平2是高考数学命题的依据，水平3可作为自主招生的命题依据。基于学业质量水平等级，笔者通过分析具体的试题案例，揭示竞赛预赛试题是如何落实对数理核心素养的考查。
【典型试题1】 （2014年第31届预赛第14题）
1 mol的理想气体经历一循环过程1—2—3—1，如P-T图所示（本文图1）。过程l—2是等压过程，过程3—1是通过P-T图原点的直线上的一段，描述过程2—3的方程为C1P2+C2P=T，式中C1和C2都是待定的常量，P和T分别是气体的压强和绝对温度。已知，气体在状态1的压强、绝对温度分别为P1和T1。气体在状态2的绝对温度以及在状态3的压强和绝对温度分别为T2以及P3和T3。气体常量R也是已知的。
（1）求常量C1和C2的值;
（2）将过程1—2—3—1在P-V图示上表示出来;
（3）求该气体在一次循环过程中对外做的总功。
该案例问题以理想气体的循环过程为情境，实质是考查理想气体状态方程与热力学第一定律的综合应用。学生最熟悉气体变化的P-V图，而该题则需从P-T图中理解气体的变化过程及其特点，从而利用理想气体状态方程和热力学第一定律进行求解。涉及的物理核心素养有物理观念（相互作用观念、能量观念）、科学思维（科学推理）。涉及的数学核心素养有数学抽象、数学运算、直观想象。具体的分析过程如表1所示。
【典型试题2】 （2015年第32届预赛第16题）
如图2所示，垂直放置的高为15.0 cm的圆柱形中空玻璃容器，其底部玻璃较厚，底部顶点A点到容器底平面中心B点的距离为8.0 cm，底部上沿为一凸起的球冠，球心C点在A点正下方，球的半径为1.75 cm。已知空气和容器玻璃的折射率分别是n0=1.0和n1=1.56，只考虑近轴光线成像。已知：当λ<<1时，sinλ=λ。
（1）当容器内未装任何液体时，求从B点发出的光线通过平凸玻璃柱，在玻璃柱对称轴上所成的像的位置，并判断像的虚实;
（2）当容器内装满折射率为1.30的液体时，求从B点发出的光线通过平凸玻璃柱的上表面折射后所成像的位置，并判断这个像的虚实。
该案例问题本质上考查光的折射现象，学生需要根据已知条件画出光路图，分析光路图中入射角、折射角之间的几何关系，结合光的折射定律求解问题。涉及的物理核心素养有物理观念、科学思维。涉及的数学核心素养有数学抽象、直观想象。具体的分析过程如表2所示。
3 结束语
基于数理核心素养的水平等级，对物理竞赛预赛典型试题进行分析，能让更多的高中学生和教师了解物理竞赛预赛试题是如何对数理核心素养进行考查的，有助于师生把握预赛试题的命题特点，助力竞赛教学与备考。
近年来物理竞赛虽然没有刻意围绕物理核心素养命题，但也逐渐融入对物理核心素养的考查。同时，物理竞赛对学生的数学核心素养有较高的要求。因此，物理競赛的教学和命题应该围绕着数理核心素养展开，让学生通过物理竞赛学习后形成解决物理问题、数学问题、生活问题、科研问题的必备知识、关键能力和正确价值观。
参考文献：
[1]王俊，黄致新，孔鹏珂.物理竞赛与高考相似试题的研究[J].物理教学，2016，38（2）：64-67.
[2]郭玉英.从三维课程目标到物理核心素养[J].物理教学，2017，39（11）：2-4，8.
[3]凌国亮，黄致新，肖潇雨.科学态度与责任素养在高考试题中的体现——基于2018高考物理试题分析[J].湖南中学物理，2018，33（11）：70-72，66.
[4]刘玉琴.物理竞赛生数学思维方法培养的现状调查研究[D].长沙：湖南师范大学硕士学位论文，2017.
（栏目编辑 陈 洁）
