摘要：運用物理學科關鍵能力框架分析8套高考物理試題的能力考查現狀，提出適應《普通高中物理課程標準（2017年版）》要求的、優化高考物理試題命制的建議：增加對學習理解能力的概括論證和關聯整合能力要求的考查，增加高考試題的開放性；探索考查創新意識、創新能力的有效題型，加強對遷移創新能力的考查，增加高考試題的探究性和開放性。
課程、教學與測評是教育領域的3個重要因素，彼此之間相互作用、相互影響。測評對教師的「教」和學生的「學」均產生直接影響。隨著我國基礎教育改革的深入，《國務院關於深化考試招生制度改革的實施意見》明確提出高考改革的指導思想、基本原則和總體目標，即科學設計考試內容，優化高考選拔功能，強化能力立意與素養導向，助力推動中學素質教育[1]。要實現這一目標，高考命題需要增強基礎性，考查學生必備知識和關鍵能力；需要增強綜合性，體現學生綜合素質和學科素養；需要加強應用性，注重理論密切聯繫實際；需要增強探究性和開放性，考查學生的創新意識和創新能力[2]。如何在高考中實現這4個「需要」，是學科命題面臨的艱巨任務。為此，本文聚焦從物理學科關鍵能力的角度命制物理試題，以期為高考內容改革目標的實現提供一些啟示。
物理學科能力是指學生順利進行物理學科的認識活動和問題解決活動所必需的、穩定的心理調節機制，其內涵基礎是系統化、結構化的物理學科核心知識技能以及核心活動經驗圖式（穩定的學科經驗結構），能夠對學習行為產生定向調節和執行調節。物理學科的認識活動和問題解決活動可以概括為「知識和經驗的輸入」和「知識和經驗的輸出」2個方面。與「知識和經驗的輸出」相關的能力水平差異很大，可劃分為「知識和經驗的低級輸出」和「知識和經驗的高級輸出」2個水平。據此可以將物理學科關鍵能力劃分為學習理解能力、應用實踐能力和遷移創新能力3個維度。
學習理解能力對應「知識和經驗的輸入」過程，是指學生順利進行物理知識的輸入和加工活動的能力，包括對知識與經驗的記憶、提取、辨識、確認、概括、關聯、說明、論證等物理學習理解活動。物理學習理解能力可以進一步分解為觀察記憶、概括論證、關聯整合3個能力要素。
應用實踐能力對應「知識和經驗的低級輸出」過程，是指學生能夠應用物理學科的核心知識、活動經驗和科學思維完成特定物理學科活動、分析和解釋物理現象、解決實際問題的能力，包括運用核心知識與經驗，分析解釋與物理有關的實際情境問題、進行預測與推論、選擇並設計問題解決方案等。物理的應用實踐能力可以進一步分解為分析解釋、推論預測、綜合應用3個能力要素。
遷移創新能力對應「知識和經驗的高級輸出」過程，是指學生能否利用物理核心知識、活動經驗、科學方法等，解決陌生和開放性問題以及發現新知識和新方法的能力，包括主動調用核心知識和活動經驗進行複雜推理、系統探究、發散思維、想像、創意設計、批判思考、在新穎物理情境下建構新模型等基於學科的創造性活動。遷移創新能力可以進一步分解為直覺聯想、遷移與質疑、建構新模型3個能力要素。
物理學科關鍵能力的內涵及其表現歸納於表1中。研究顯示，物理學科關鍵能力是一種綜合能力，包括多個方面或多個維度，科學解釋、科學推理、科學論證、實驗探究等是不同解構視角的共性要素[3]。在這些要素中，有些是基礎性的能力要素（如觀察、記憶、概括等），有些是較高級的能力要素（如遷移、整合、創新等）。能力要素與對物理學科具體內容的認識緊密關聯，能夠通過學生在物理學科活動的行為表現進行測評和推斷。
在物理學科關鍵能力框架下，從學習理解、應用實踐、遷移創新3個維度及其相應的能力要素等方面，對2017年和2018年高考物理全國卷和北京卷共計8套試題（細化到每一試題的小問）進行物理內容與學科關鍵能力的編碼與分析，定量研究各能力要素考查狀況，得到如下結論。
2.1 重視應用實踐能力
為實現對學生進行區分與選拔的功能，8套高考物理試題對「知識與經驗的輸出」考查佔比平均達到總題量的88%，其中：應用實踐能力為84%，遷移創新能力為4%。這說明高考物理試題具有較強的綜合性，通常一道試題考查多個知識和能力，需要用相關的物理概念和規律，在多個物理學科關鍵能力要素的協同作用下分析問題、解決問題，如例1所示。
例1（2018年高考理科綜合北京卷第23題）
如圖1所示，用電動勢為E、內阻為r的電源，向滑動變阻器R供電。改變變阻器R的阻值，路端電壓U與電流I均隨之變化。
（1）以U為縱坐標，I為橫坐標，在圖2中畫出變阻器阻值R變化過程中U-I圖像的示意圖，並說明U-I圖像與兩坐標軸交點的物理意義。
（2）a. 請在圖2畫好的U-I關係圖線上任取一點，畫出帶網格的圖形，以其面積表示此時電源的輸出功率；
b. 請推導該電源對外電路能夠輸出的最大電功率及條件。
（3）請寫出電源電動勢定義式，並結合能量守恆定律證明：電源電動勢在數值上等於內、外電路電勢降落之和。
例1以學生實驗「測量電源的電動勢和內電阻」為載體，重點考查學生的應用實踐能力。試題通過對學生熟悉情境的巧妙加工，層層設問，指向應用實踐能力B1到B3的能力要素：第（1）問要求運用閉合電路歐姆定律分析電路，解釋電路中U、I、R間的關係，考查分析解釋能力要素；第（2）問要求根據具體的實驗過程分析處理數據，並推導外電路輸出的最大功率等，考查推論預測能力要素；第（3）問要求綜合運用能量轉化與守恆定律、閉合電路歐姆定律，分析論證題目給出的結論，考查綜合應用能力要素。
2.2 學習理解能力側重考查觀察記憶能力要素，很少考查概括論證和關聯整合能力要素
分析8套物理試題考查學習理解能力3個要素（觀察記憶、概括論證、關聯整合）的數據發現，對學習理解能力要素考查的題量平均為11%，其中，對觀察記憶能力要素的考查非常重視，佔比為9%，概括論證和關聯整合能力要素的考查僅佔2%。這顯示出，在學習理解能力維度，高考物理試題非常重視低級學習理解能力的考查，而對高級學習理解能力的考查嚴重不足。
結合具體試題分析可以發現，考查學習理解能力的試題：在物理內容上，主要涉及中學物理課程的主幹知識，例如質點的直線運動、相互作用、牛頓定律、機械能等主題；在學科關鍵能力上，主要涉及在物理的具體情境中進行觀察、信息提取、概念辨識與確認等與「知識和經驗的輸入」活動相關的能力，如例2所示。
例2（2018年高考理科綜合全國Ⅰ卷第14題）
高鐵列車在啟動階段的運動可看作初速度為零的勻加速直線運動。在啟動階段，列車的動能
A. 與它所經歷的時間成正比
B. 與它的位移成正比
C. 與它的速度成正比
D. 與它的動量成正比
例2以生活中常見的高鐵列車啟動為問題情境，在初速度為零的勻加速直線運動中考查學生對牛頓第二定律、動能定理的表達式、勻變速運動的規律、動能與動量大小等物理概念與規律的學習理解程度，通過在實際情境中提取、辨識與確認等學習活動中的表現，檢測能力發展狀況。
2.3 應用實踐能力側重考查分析解釋和推論預測能力要素
通過對8套高考物理試題考查應用實踐能力對應的能力要素（分析解釋、推論預測、綜合應用）的分析發現，高考物理試題重視對分析解釋和推論預測能力要素的考查。
結合具體試題分析發現，高考物理試題中關於應用實踐能力的考查，在內容上覆蓋了高中物理課程的所有17個主題。8套試卷都涉及的主題（以下簡稱「必考主題」）有質點的直線運動、相互作用與牛頓運動定律、機械能、磁場和光5個，重點考查了分析解釋和推論預測能力要素；8套試卷中有些試卷沒有涉及的主題（以下簡稱「缺考主題」）有12個，如拋體運動與圓周運動、萬有引力定律、電場等，重點考查了推論預測和綜合應用能力要素。
從學科關鍵能力視角來看，高考物理試題通過設置具體的情境考查應用實踐能力，要求學生運用已有的知識與經驗分析解釋物理現象，以已知條件為起點進行推理、論證預測結果（如例題1所示）；此外，還有試題基於題設條件與要求，運用物理概念與規律通過推理計算來推測結果，如例3所示。
例3（2018年高考理科綜合全國Ⅱ卷第34（2）題）
如圖3，△ABC是一直角三稜鏡的橫截面，∠A=90°，∠B=60°。一細光束從BC邊的D點折射後，射到AC邊的E點，發生全反射後經AB邊的F點射出。EG垂直於AC交BC於G，D恰好是CG的中點。不計多次反射。
（i）求出射光相對於D點的入射光的偏角；
（ii）為實現上述光路，稜鏡折射率的取值應在什麼範圍？
例3以光在稜鏡中的傳播為題設情境，要求學生運用折射定律、光的反射定律、光的全反射條件推斷光在稜鏡中傳播的路徑，以獲得光從稜鏡射出的情況；然後以獲得結論為條件，反向推導計算稜鏡的折射率取值範圍。例3從不同角度考查學生應用物理概念和規律的實踐能力，側重考查推論預測能力要素。
2.4 遷移創新能力注重考查遷移與質疑能力要素，未涉及直覺聯想和構建新模型要素
分析8套高考物理試題考查遷移創新能力對應能力要素（直覺聯想、遷移與質疑、構建新模型）的數據發現，高考物理試題僅考查遷移與質疑能力要素，平均題量僅為4%，直覺聯想和構建新模型能力要素則未涉及。在考查內容上，對遷移創新能力的考查集中在具有難度拓展空間的內容上，例如，直線運動和磁場2個必考主題，以及機械振動與機械波、電路、拋體運動與圓周運動、電磁振蕩與電磁波、萬有引力定律5個缺考主題。在考查方式上，主要是在陌生的情境中，要求學生對學習過的物理概念與規律進行遷移應用，實現對遷移能力要素的考查。這類試題通常多用於區分高水平的考生，如例4所示。
例4（2017年高考理科綜合北京卷第20題）
物理學原理在現代科技中有許多重要應用。例如，利用波的幹涉，可將無線電波的幹涉信號用於飛機降落的導航。如圖4所示，2個可發射無線電波的天線對稱地固定於飛機跑道兩側，它們類似於楊氏雙縫幹涉中的雙縫。2天線同時都發出波長為λ1和λ2的無線電波。飛機降落過程中，當接收到λ1和λ2的信號都保持最強時，表明飛機已對準跑道。下列說法正確的是
A. 天線發出的2種無線電波必須一樣強
B. 導航利用了λ1和λ22種無線電波之間的幹涉
C. 2種無線電波在空間的強弱分布穩定
D. 2種無線電波各自在空間的強弱分布完全重合
例4創設的無線電導航情境對考生來說非常陌生，考查對波的幹涉原理的遷移應用能力。學生已有的基礎是：知道1個相干光源發出2束光進行幹涉的現象，且知道2束光的幹涉圖樣，能判斷幹涉圖樣的加強點和減弱點。要解決例4問題，僅有上述知識是不夠的，還需要對光的幹涉有深刻理解，清楚影響幹涉圖樣的因素，如波長、頻率、振幅，以及深入理解不同頻率的相干波源形成幹涉圖中加強點與減弱點位置的差別。將這些與光的幹涉相關的知識遷移應用到題設情境，抓住「2個天線同時都發出波長為λ1和λ2的無線電波」，提煉出關鍵信息：幹涉發生於2個天線分別發出的λ1的幹涉和λ2的幹涉，而不是λ1和λ2的幹涉。這樣才能解決飛機如何對準跑道的問題。
這一問題的解決過程，不但考查了學生對物理知識的掌握程度，更考查其創造性地應用幹涉原理的能力。這無疑是物理學科知識與經驗的高水平輸出。同時，本題也對中學物理教學起到了很好的引領作用，促進教師在課堂上多聯繫相關實例，引導學生應用物理概念與規律進行分析解釋，培養學生的創新能力。
高考不但要為高校選拔人才，更要對高中物理教學有引領和導向作用。高考試題考查方式的細微變化，都會直接影響高中物理教學。在2017年版《普通高中物理課程標準》頒布後，高考試題的考查目標正在轉向對物理學科核心素養的考查。上述的分析顯示，高考物理試題較好地體現了高考命題的基礎性、應用性和綜合性。為實現高校更好地選拔人才，同時引領中學物理教師圍繞核心素養進行教學，高考物理命題可以從以下2方面進一步優化。
3.1 增加對學習理解能力的概括論證和關聯整合能力要素考查，落實命題的開放性要求
學習理解能力是「知識和經驗的輸入」活動的能力，也是學科關鍵能力發展的基礎。對學習理解能力中的3個能力要素，高考物理試題僅考查了觀察記憶能力要素，對概括論證和關聯整合能力要素考查很少，但是概括論證和關聯整合能力要素恰恰對遷移創新能力的發展有重要影響。因為物理「知識和經驗的輸入」是學習輸出的基礎，對知識的理解深度決定了「知識和經驗的輸出」能力的高低；因此，高考物理應適當增加對概括論證、關聯整合能力要素的考查，引入具有一定開放性的試題，如例5所示。
例5 某同學使用氣體壓強傳感器探究氣體等溫變化的規律，合理進行實驗後，採集了多組壓強P與體積V的數值。
（2）理想氣體狀態方程為PV=nRT，其中n為氣體物質的量，R為摩爾氣體常數。請說明在題（1）中獲得的氣體等溫變化規律與理想氣體狀態方程之間有什麼關係，並解釋你的依據。
例5第（1）問是一道半開放性的試題，重點考查概括論證能力要素，考生需要理解氣體在發生等溫變化時壓強與體積成反比，並能夠依據實驗數據的圖像知識，概括論證出氣體壓強變化規律。第（2）問是開放性問題，重點考查關聯整合能力要素，在解答這個問題時，考生首先要對發生等溫變化時氣體壓強變化規律和題目給出的理想氣體狀態方程有深入的理解，然後找出它們之間的關聯，將二者整合。可見，該題深入考查了概括論證和關聯整合能力要素。
3.2 探索考查創新意識、創新能力的有效題型，加強對遷移創新能力的考查，落實高考命題的探究性和開放性要求
創新是科技發展的根本動力，對創新意識和創新能力的考查是我國高考內容改革目標之一。目前，高考物理試題對創新意識與能力的考查遠遠不夠，其原因在於缺乏考查學生創新意識與創新能力的有效方法和適合的題型。
創新意識和創新能力要求學生能夠建立不同知識、相關表徵之間的聯繫；在問題解決活動中，運用物理知識，基於多個認識角度分析、解釋生產和生活中陌生的、真實的問題，同時發現新問題。在這樣複雜、真實的情境中有創造性地解決問題，現有高考物理試卷中的3種題型（選擇、實驗、計算）就顯得力不從心；因此，需要探索設計有利於考查創新能力的題型，可以嘗試用具有一定開放性的試題，如例6和例7所示。
例6 楞次定律的表述是：感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁場的變化。若存在一條「反楞次定律」，這意味著存在某種力，它能「促進」磁場變化。因此，當需要更多的能量時，轉動發動機所需要的力反而可以減小。這條「反楞次定律」違反了哪條定律？請說明。
例6創設了一個自然界中不存在的問題情境，要求學生根據楞次定律定義「反楞次定律」，並以電動機為例，利用反電動勢分析物理過程，發現「反楞次定律」與能量守恆定律相悖；然後由能量守恆定律出發，論證「反楞次定律」不成立。該題要求學生依據所學知識對陌生情境問題給出合理估計和判斷，重點考查直覺聯想能力要素。同時該題還滲透對科學研究方法的考查：若要判斷新理論的正確與否，應看其是否與已有的物理規律相違背，若違背，則新理論不成立。這些都是創新意識、創新能力必不可少的內容。
例7 為修理位於離地球表面6.0×105m的圓形軌道上的哈勃太空望遠鏡H，一組太空人讓穿梭機S進入與H相同的軌道，距其數公裡處，關閉發動機。已知地球對物體引力F與物體距地心距離r之間有如下關係：F=K/r2，設無窮遠處的勢能為0，則物體由無窮遠處運動到r（r＞R地）時，地球引力F做功的大小可用以下規律進行計算：W=K/r，K為常數。
（2）穿梭機須首先進入半徑較小的軌道，才能追上望遠鏡H。穿梭機要進入較低軌道時應首先增加還是減少其原有速率？說明解釋你的答案。
例7創設太空人乘坐穿梭機維修太空中哈勃望遠鏡的陌生情境，並設置2個問題。第（1）問在已有的「重力做功如何影響重力勢能大小」的基礎上，要求學生通過類比建構出「引力做功如何影響引力勢能大小」的模型，並應用其推導穿梭機引力勢能的表達式，然後論證穿梭機的總機械能與軌道半徑r的關係，考查構建與論證新模型的能力。為考查對所建立新模型的理解和應用模型的水平，第（2）問要求學生根據穿梭機的總機械能表達式和機械守恆的條件，分析解釋穿梭機進入低軌道時速率的變化情況。通過這一開放性設問，考查將新模型應用於陌生情境解決問題的能力，達到了全面考查創新意識、創新能力的目標。
作者：王宏博，北京市第四中學，中學一級教師；
羅瑩，北京師範大學未來教育高精尖創新中心，北京師範大學物理學系，教授，博士生導師。
原文刊載於《中國考試》2020年第10期第25—31頁。
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