构建试题分析框架 培养学科关键能力

摘  要：依托高考评价体系，以2022年全国高考甲卷第18题为例，旨在基于物理学科关键能力要求对试题进行深度分析、解构，构建起物理学科试题分析框架，并依此分析提出相应的教学策略，以培养学生的物理学科关键能力。

关键词：高考试题；分析框架；关键能力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）10-0040-5

高考评价体系主要由“一核、四层、四翼”三部分内容组成。物理学科考试是以高考评价体系为指引，以关键能力考查为重点，凸显物理学科的自身特点，来创新命制符合高考评价体系理念的物理学科试题。2022年全国甲卷第18题以带电粒子运动轨迹的分析和判定为情境创设背景，试题立意新颖，凸显了综合性、创新性，考查了学生的物理学科关键能力，体现了“一核、四层、四翼”的考查要求。本文基于高考评价体系对物理学科考试内容的定位，对物理学科考试试题进行解构，结合物理学科关键能力构建物理学科试题分析框架，并用试题分析框架对2022年全国甲卷第18题进行解题分析，探索可视化的试题分析思维流程，以期对高中物理试题分析教学有所启示。

1    物理学科考试

1.1    物理学科考试内容的定位

物理学科考试内容是以高考评价体系为指导，依据高校人才选拔要求和普通高中物理课程标准，在物理学科本质的基础上，确定物理学科考试的总体思路和实施路径，创新性地实施物理学科考试内容的测量与评价（图1）［1］。

1.2    物理学科关键能力

物理学科考试内容的关键能力，指经过高中阶段的学习后，考生在应对现实问题情境或学术问题情境时，认识问题、分析问题和解决问题必须具备的能力。高考评价体系将关键能力分为知识获取能力群、实践操作能力群、思维认知能力群三个层次［1］。在高考评价体系的指引下理解能力、模型建构能力、逻辑推理能力、分析综合能力、信息加工能力、实验探究能力六种能力为物理学科内容的关键能力。

高考评价体系对物理试题提出明确的要求，物理学科试题是以物理学科素养为内核，创设生活实践问题情境或学习探索问题情境，情境用物理语言进行关键表述，以立德树人的“金线”为统领，以必备知识为基础，以学科素养考查为导向，以关键能力考查为重点所形成的具体问题，它的终极任务是“服务选材”，满足高校人才选拔需求（图2）。

2    基于物理学科关键能力的物理学科试题分析框架

学生解决问题的过程就是一个自我综合素养和能力的集中反映过程。在解决问题的过程中，学生普遍存在的问题是理解和判断能力不够，言之无物。对题干信息没有仔细阅读，遗漏信息或者曲解题干条件导致读不懂题或读错题；转换信息表征能力不够，言之无理。无法深层理解题干信息，无法将题干信息转化为表征正确的物理变量及变量间的关联，即对情境中对应的物理过程、状态理解模糊，导致建构模型错误或有偏差；逻辑推理综合能力欠缺，言之无据。无法关联题干的问题与条件，逻辑推理、演绎能力弱，不能正确、完整地运用物理规律解决问题。究其原因，就是没有形成正确的试题分析思维流程，无法构建分析问题思维框架。

试题情境、条件、模型可以根据生活实践、学习探索情境千变万化，但是解决问题的规律是相对稳定的，就是结合物理学科关键能力与物理试题解构流程将分析思维显现化、程序化，提高解决问题的能力，实现学生物理学科关键能力的目的培养。如图3所示，解题具体过程为：①提取关键信息——言之有物。认真仔细、逐字逐句地阅读题干，从问题情境的关键表述中，依据相关物理必备知识，准确、全面、敏锐地进行信息识别与筛选，提取题干关键表述，用物理视角、物理思维对有效信息进行挖掘与加工，凝练为相应物理情境与物理事实。②分析综合建模——言之有理。对物理情境与物理事实有效地进行分析综合、表征变换，明确题干中的物理变量、变量间的关系及变化过程，即明确研究对象的物理状态和物理过程，建构正确的物理模型。③逻辑推理演绎——言之有据。选取正确的物理规律对建构的物理模型进行逻辑推理、演绎及清晰表达，最终解决问题。

3    典型问题剖析

例题 （2022年全国甲卷第18题）空间存在着匀强磁场和匀强电场，磁场的方向垂直于纸面（xOy平面）向里，电场的方向沿y轴正方向。一带正电的粒子在电场和磁场的作用下，从坐标原点O由静止开始运动。如图4，下列四幅图中，可能正确描述该粒子运动轨迹的是（）

试题立意：本题以带电粒子在正交电磁场作用下的运动为背景素材，创设判定粒子运动轨迹的学习探索问题情境，主要考查静电力、洛伦兹力以及运动的合成与分解等知识和推理论证能力。

学生错解情况分析：①理解能力、信息加工能力不足，言之无物。部分学生不能熟练运用左手定则判断洛伦兹力的方向，对洛伦兹力和静电力对粒子轨迹的影响理解不到位，错选A或C选项。部分学生纠结于B，D选项之间，但又无从下手，只能凭个人感觉进行随意分析，导致错选。②分析综合能力不足，言之无理。不能对影响带电粒子做变速曲线运动的决定因素进行正确的综合分析，对粒子在正交电磁场中的运动状态和过程的内在原因分析错误，部分学生可以锁定B，D选项，但又无法甄别两选项，错选C选项。③逻辑推理能力不足，言之无据。部分学生纠缠于洛伦兹力和静电力的合成，不能准确地理解洛伦兹力始终与粒子运动方向垂直，对粒子不做功，只改变粒子的运动方向。因为只有静电力对粒子做功，粒子的速度大小只与静电力做功有关。

结果是不能准确把握问题实质，对圆周运动向心力公式、电场力对粒子做功能量关系、运动的合成与分解等规律不能准确地进行推理演绎。

现依据物理学科关键能力的物理学科试题分析框架对该例题进行分析：

3.1    提取关键信息——言之有物（表1）

3.2    分析综合建模——言之有理

在判定带电粒子的运动轨迹的问题时，学生容易产生思维定式，在已有的知识背景中，误认为粒子轨迹是抛物线、圆弧一部分或椭圆弧一部分。带电粒子在正交电磁场中运动时，静电力会对粒子做功，引起带电粒子速度改变，从而又引起洛伦兹力改变，所以粒子轨迹既非圆周又非抛物线，而是变速曲线运动。

3.3    逻辑推理演绎——言之有据

方法一：粒子受力定性分析

磁场的方向垂直于纸面向里，电场的方向沿y轴正方向，粒子在洛伦兹力和静电力的作用下从坐标原点由静止开始运动，粒子所受静电力沿电场方向，根据左手定则判断洛伦兹力方向，可知粒子应向x轴负方向进行偏转，故A，C选项错误；电场的方向沿y轴正方向，则x轴是匀强电场的等势线，又由于粒子所受洛伦兹力不做功，静电力对粒子做功，当粒子再次回到x轴时静电力对粒子做功为零，速度必将为零，粒子不进入第三象限，故C，D选项错误；由于再次回到x轴时粒子速度为零，可知粒子将完全重复之前的运动做周期性的变速曲线运动，故B选项正确。试题分析框架如图5所示。

方法二：“配对速度法”定性分析。

在正交电磁场中，粒子受静电力和洛伦兹力作用，初速度为零。将其等效为水平向右的分速度v1和水平向左的分速度v2，v1=v2，且qv2B=qE。粒子运动可以看成两个分运动的合运动，两分运动分别为：如图6甲以速度v2=沿x轴负方向的匀速直线运动；如图6乙以线速度v1做逆时针匀速圆周运动［2］。

粒子实际的轨迹为两个分运动的合运动，现定性讨论合速度的大小变化和方向变化：

如图7所示，进行速度合成。初始状态粒子由静止开始运动，即v=0。之后由矢量合成三角形法则可知合速度逐渐增大，当v1水平向左时合速度v最大，v=2v1，即v→v过程中粒子合速度大小由0增大到2v1，其原因是静电力对粒子做正功；同理如图8所示，v→v→v过程合速度逐渐减小，直至v=0，其原因是静电力对粒子做负功。如图7、图8，粒子合速度方向在v→v→v过程中，从与x轴负方向夹角趋近于减小到0再增加到与x轴负方向夹角趋近于。因为粒子再次回到x轴时v=0，故粒子不进入第三象限，之后重复之前的运动。实际轨迹中任一点的切线为该点的合速度方向，则定性画出轨迹如图9所示，与B选项情境相符合。

上述方法只是对粒子轨迹进行定性分析，并没有解决带电粒子的运动轨迹究竟是什么的问题。是抛物线还是一个圆弧？或者是椭圆弧还是任意曲线？学生普遍感到困惑不解，这就需要对带电粒子在正交电磁场中的运动轨迹进行深度分析。

方法三：“配对速度法”定量分析。

圆周向负x轴平移距离为x'=v2t，逆时针旋转θ=ωt，则

x=x'-rsinθ=-（v2t-rsinωt）（1）

y=r-rcosωt（2）

将（3）（4）式进行化简整理得

由（5）（6）式并结合数学知识得带电粒子的运动轨迹为摆线［3］，如图11所示。

通过上述分析，学生不仅知其然，而且还知其所以然，学生的物理关键能力、思维品质得到进阶提升。

4    教学思考

4.1    重视有效获取和解构信息——言之有物

新高考在试题载体方面重视情境的融入和创新，以此承载考查内容，实现考查要求。情境是运用文字、数据、图表等形式，围绕一定主体加以设置的，为呈现解题信息、设计问题任务、达成测评目标而提供载体。教学中面对一个情境问题，我们不仅要从静态角度获取文字、符号、图像（表）等显性信息，更要从动态角度、逻辑关联角度获取与解构有用的隐性信息［4］。

如例题中，粒子在静电力和洛伦兹力的共同作用下做复杂的变速曲线运动，超出学生认知能力，在教学中要着力培养学生有效获取、解构、加工题干信息的能力。本题应抓住两个信息关键点，一是根据洛伦兹力方向定性判断粒子向左偏，二是加工题干信息得出x轴为等势线，则可知粒子再次到x轴时速度一定为零，粒子一定不进入第三象限。

4.2    重视思维认知引导——言之有理

新高考在命题逻辑方面不断进行有意的变革和探索，由原来的“知识立意”转向了“知识为基，能力为重”的考查，增加了试题的开放性、灵活性和探究性。在教学中要重视思维认知的引导，在解决带电粒子在电场中的类平抛运动、在磁场中的匀速圆周运动、离心运动、近心运动、复杂曲线运动及空间立体转化、平面投影等问题时，要摒弃传统的解题套路、解题技巧、重复刷题的教学模式，要从“解答题目”转变为“解决问题”，不断地进行规范、专业的思维拓展与训练，从知识技能的习得转向思维认知的提升，有针对性地根据物理关键能力进行试题解构思维训练，提升学生思维品质。如例题中，不能止步于粒子受力特点的定性分析，教学中重视学生思维深度引导，积极探讨用“配对速度法”进行定性分析，可以很好地进行数形结合思维品质的迁移训练，培养学生灵活应用运动的合成与分解解决复杂问题的能力。

4.3    重视推理演绎训练——言之有据

新高考在命题内容改革方面逐渐从“一维”到“多维”，由原有的“考查内容”一维模式向“考查内容、考查要求、考查载体”三维模式转变，呈现出“无价值，不入题”“无思维，不命题”“无情境，不成题”的命题特点。对于复杂的情境问题，学生分析问题时会遇到推理演绎障碍，导致问题理解不通透，总是有“夹生饭”的存在，这就导致学生看似当时听懂了、理解了，但在后期再次碰到相同或相似的问题时却感到熟悉又无奈，无法深度解构问题、解决问题。如例题中，为了对粒子轨迹问题刨根问底、彻底解决，教学中应鼓励学生大胆质疑、勇于挑战，勇于尝试用“配对速度法”进行定量分析，根据已有数学知识系统完整地推理演绎粒子轨迹方程，将简单问题“复杂化”，单层问题“多层化”，多角度、多方面综合全面地深度思考问题，反复训练、不断领悟，培养学生物理学科关键能力。

参考文献：

［1］杨学为.高考评价体系解读（2020）［M］.北京：社会科学文献出版社，2020.

［2］苏笃君.定性分析带电粒子在电磁场中的轨迹［J］.物理教学，2009，31（8）：15-17.

［3］冯丹.用初等数学分析带电粒子在正交电磁场中的运动轨迹［J］.物理教师，2003，24（10）：57-58.

［4］季超群.培养学生关键能力群的物理教学策略——以2022年1月浙江省物理选考为例［J］.物理教师，2022，43（10）：15-19，24.