(福建省泉州市城東中學(xué),福建 泉州 362000)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在“學(xué)業(yè)水平考試與命題建議”中提出：評價學(xué)生的物理核心素養(yǎng),應(yīng)盡量創(chuàng)設(shè)類型多樣的、具有一定復(fù)雜程度的、開放性的真實情境作為試題的任務(wù)情境。[1]2021年全國高考理綜乙卷的第18題涉及2020年諾貝爾物理學(xué)獎的研究工作,以科學(xué)家對恒星S2的觀測創(chuàng)設(shè)情境,利用比較法,巧妙地把物理模型“藏”起來,情境與問題的結(jié)合度高,能有效考查學(xué)生模型構(gòu)建能力和遷移創(chuàng)新能力。

1 原題呈現(xiàn)及解析

1.1 原題呈現(xiàn)

科學(xué)家對銀河系中心附近的恒星S2進(jìn)行了多年的持續(xù)觀測,給出1994年到2002年間S2的位置如圖1所示?？茖W(xué)家認(rèn)為S2的運動軌跡是半長軸約為1000AU(太陽到地球的距離為1AU)的橢圓,銀河系中心可能存在超大質(zhì)量黑洞。這項研究工作獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎。若認(rèn)為S2所受的作用力主要為該大質(zhì)量黑洞的引力,設(shè)太陽的質(zhì)量為M,可以推測出該黑洞質(zhì)量約為( )。

圖1

A.4×104MB.4×106M

C.4×108MD.4×1010M

1.2 解析

1.3 命題意圖分析

本題以“恒星繞黑洞的橢圓軌道運動”為情境，考查了學(xué)生的運動和相互作用觀念、模型建構(gòu)和科學(xué)推理和證據(jù)獲取能力,同時關(guān)注科學(xué)前沿發(fā)展。

2 試題設(shè)計賞析

2.1 情境創(chuàng)設(shè)體現(xiàn)育人導(dǎo)向

如把試題中“這項研究工作獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎”這句話去掉,并不影響學(xué)生的解題,為何要加上？高考改革的方向不再是單純體現(xiàn)選拔功能,而應(yīng)有意識地發(fā)揮考試在育人方面的導(dǎo)向功能。增強試題的育人功能,是當(dāng)前各類考試的重要價值取向,也是考試更好地服務(wù)教育教學(xué)的重要途徑。[2]“2020年諾貝爾物理學(xué)獎”這一材料的選取,有利于培育學(xué)生正確的價值觀,體現(xiàn)試題的育人導(dǎo)向。

2.2 與真實情境深度融合

根據(jù)試題中任務(wù)情境和提供信息的融合程度,有學(xué)者將情境化試題分為情境分離型、情境嵌入型和情境結(jié)合型。[3]情境分離型試題中情境與問題無直接聯(lián)系，情境嵌入型試題中情境與問題相融合,試題具有較強的可讀性和實用性，情境結(jié)合型試題中問題和情境結(jié)合在一起,學(xué)生需要在復(fù)雜情境中提取關(guān)鍵信息,進(jìn)行分析、加工。本題的第1句話描述了科學(xué)家觀測的現(xiàn)象,并把現(xiàn)象用圖示的形式展示出來,要求學(xué)生從圖中獲取信息并進(jìn)行分析加工,得出恒星S2的運行周期為16年的結(jié)論。第2句話給出科學(xué)家構(gòu)建運動模型的猜想,要求學(xué)生構(gòu)建“恒星S2繞黑洞做橢圓軌道的運動”的模型,并從中獲取“橢圓軌道的半長軸是1000AU”的信息。本題屬情境結(jié)合型,試題與情境深度融合。

2.3 利用比較法巧妙設(shè)問

本題考查的知識主要是萬有引力定律和牛頓第二定律，情境任務(wù)的設(shè)置直接與考查目標(biāo)相聯(lián)系,設(shè)置的合理性關(guān)系到試題的考查目標(biāo)能否實現(xiàn)。[3]本題如果只考查“恒星S2繞黑洞做橢圓軌道的運動”,考查點只能是開普勒定律,物理模型過于明顯,難以考查學(xué)生構(gòu)建模型的能力。試題給出了太陽的質(zhì)量,要求黑洞與太陽質(zhì)量的比值,這就要求學(xué)生同時構(gòu)建“恒星S2繞黑洞做橢圓軌道的運動”和“地球繞太陽運動做圓周運動”的模型,并把兩個模型進(jìn)行類比遷移。因為地球繞太陽運動的周期是1年,這是常識,所以試題中沒有給出,這就增加了學(xué)生構(gòu)建模型進(jìn)行比較的難度。試題通過這種方式,考查了學(xué)生的遷移創(chuàng)新能力與綜合應(yīng)用知識的能力。

3 教學(xué)啟示

3.1 創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境,讓學(xué)生經(jīng)歷規(guī)律建立的過程

科學(xué)家觀測銀河系中心附近的恒星S2,由此得出銀河系中心可能存在超大質(zhì)量黑洞的猜想,試題展示了這一真實探究情境。從第谷觀測行星獲取數(shù)據(jù),到開普勒研究數(shù)據(jù)，得出開普勒三大定律,再到牛頓通過猜想得出萬有引力定律,經(jīng)歷的是相同的探究歷程。在物理教學(xué)中,如果沒有讓學(xué)生經(jīng)歷這樣的探究過程,而是簡單地教給學(xué)生萬有引力定律,然后讓學(xué)生大量刷題,學(xué)生遇到這樣的試題會感覺無所適從。所以,教師在新課教學(xué)中,應(yīng)精心創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境,讓學(xué)生經(jīng)歷規(guī)律發(fā)現(xiàn)的過程。

3.2 把握時代脈搏,根據(jù)熱點話題創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境

在高三復(fù)習(xí)備考中,教師除了應(yīng)狠抓學(xué)生基本功訓(xùn)練外,還應(yīng)關(guān)注社會熱點,挖掘社會熱點中的原始物理問題,據(jù)此創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境,開展教學(xué)活動,再將原始物理問題轉(zhuǎn)化為試題,讓學(xué)生有針對性地進(jìn)行備考訓(xùn)練。