重視科學(xué)思維　培養(yǎng)關(guān)鍵能力

王書香

摘? ?要：通過分析河北省2021年高考壓軸選擇題的解題思路，展現(xiàn)定性定量相結(jié)合的科學(xué)思維在解決物理問題中的重要性，然后根據(jù)《中國高考評價(jià)體系》和《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的要求，提出高中物理教學(xué)應(yīng)重視科學(xué)思維的建議，以此為今后的高中物理教學(xué)指明方向。

關(guān)鍵詞：高中物理；高考；科學(xué)思維；物理教學(xué)

中圖分類號：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2023）03-0052-04

《中國高考評價(jià)體系》明確了高考考查的內(nèi)容：“必備知識為基礎(chǔ)，關(guān)鍵能力為重點(diǎn)，學(xué)科素養(yǎng)為導(dǎo)向，核心價(jià)值為引領(lǐng)。”其中學(xué)科素養(yǎng)是指“合理運(yùn)用科學(xué)的思維方法，有效整合學(xué)科相關(guān)知識，運(yùn)用學(xué)科相關(guān)能力，高質(zhì)量地認(rèn)識問題、分析問題、解決問題的綜合品質(zhì)?！?/p>

科學(xué)思維是透過現(xiàn)象認(rèn)識本質(zhì)的必經(jīng)途徑，也是對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及事物間相互關(guān)系和建構(gòu)間接、概括的反映?？茖W(xué)思維要求在充分發(fā)展生成、測試和修正理論等技能的情況下，用科學(xué)探究的方法或原則推理并解決問題，這既是形成關(guān)鍵能力的重要前提和基礎(chǔ)，又是學(xué)科核心素養(yǎng)中最核心的要素。近幾年的高考試題，對科學(xué)思維的考查居高不下，現(xiàn)本文以2021年河北省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試（即高考）物理試卷第10題為例，分析在物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維對解決復(fù)雜問題的重要性。

【原題展示】如圖1所示，四個(gè)電荷量均為q（q＞0）的點(diǎn)電荷分別放置于菱形的四個(gè)頂點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為（4l，0）、（-4l，0）、（0，y0）和（-y0，0），其中x軸上的兩個(gè)點(diǎn)電荷位置固定，y軸上的兩個(gè)點(diǎn)電荷可沿y軸對稱移動（y0≠0），下列說法正確的是（ ）

A.除無窮遠(yuǎn)處之外，菱形外部電場強(qiáng)度處處不為零

B.當(dāng)y0取某值時(shí)，可使得菱形內(nèi)部只存在兩個(gè)電場強(qiáng)度為零的點(diǎn)

C.當(dāng)y0＝8l時(shí)，將一帶負(fù)電的試探電荷由點(diǎn)（4l，5l）移至點(diǎn)（0，-3l），靜電力做正功

D.當(dāng)y0＝4l時(shí)，將一帶負(fù)電的試探電荷放置在點(diǎn)（l，l）處，其所受到的靜電力方向與x軸正方向成45°傾斜向上

【答案】ACD

【解析】A．根據(jù)電場強(qiáng)度的矢量疊加原理可知，除無窮遠(yuǎn)處之外，菱形外部電場強(qiáng)度處處不為零，所以選項(xiàng)A正確。

B．根據(jù)等量同種電荷電場分布規(guī)律可知，在x軸上的兩個(gè)點(diǎn)電荷在O點(diǎn)的合場強(qiáng)為零，在y軸上的兩個(gè)點(diǎn)電荷，無論y0取什么值，在O點(diǎn)的合場強(qiáng)也為零。根據(jù)對稱性可知，在x軸和y軸上除原點(diǎn)外，出現(xiàn)合場強(qiáng)為零的點(diǎn)，一定是成對出現(xiàn)在關(guān)于原點(diǎn)對稱的位置上（比如圖2中y軸上的R點(diǎn)、S點(diǎn)），所以再算上原點(diǎn)，合場強(qiáng)為零的點(diǎn)的個(gè)數(shù)一定是奇數(shù)，不可能是2個(gè)，所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤。

C．如圖3所示，做出P（4l，5l）點(diǎn)、N（0，-3l）點(diǎn)關(guān)于x軸的對稱點(diǎn)P′（4l，-5l）、N′（0，3l）。

根據(jù)等量同種電荷電場分布的對稱性（如圖4所示）可得出以下結(jié)論：

1.如果僅考慮B和C兩個(gè)電荷的電場，則P（4l，5l）和N′（0，3l）是等勢點(diǎn)；

2.如果僅考慮B和D兩個(gè)電荷的電場，則P′（4l，-5l）和N（0，-3l）是等勢點(diǎn)；

3.在A、B、C、D四個(gè)電荷形成的合電場中，P（4l，5l）和P′（4l，-5l）是等勢點(diǎn)，N（0，-3l）和N′（0，3l）是等勢點(diǎn)。

因?yàn)樵陔妶鲋心滁c(diǎn)移動到其等勢點(diǎn)，靜電力不做功，所以可進(jìn)一步得出：

1.因?yàn)閷⒇?fù)試探電荷從P（4l，5l）移到N′（0，3l），B、C兩個(gè)電荷的靜電力對試探電荷不做功，A、D兩個(gè)電荷的靜電力做正功；又因?yàn)閺腘′移到等勢點(diǎn)N，四個(gè)電荷的靜電合力做功為零。所以P→N′→N全程靜電力做正功，故C選項(xiàng)正確。

2.因?yàn)閷⒇?fù)試探電荷從P移到等勢點(diǎn)P′，四個(gè)電荷的靜電合力做功為零，又因?yàn)閺腜′（4l，-5l）移到N（0，-3l），B、D兩個(gè)電荷的靜電力對試探電荷不做功，A、C兩個(gè)電荷的靜電力做正功，所以P→P′→N全程靜電力做正功，故C選項(xiàng)正確。

D.如果y0=4l，則A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)電荷構(gòu)成正方形（如圖5所示），然后將這四個(gè)點(diǎn)電荷分成B和C、A和D兩組，根據(jù)等量同種電荷電場分布的對稱性（圖6）可知：所求點(diǎn)M（l，l）處的場強(qiáng)方向一定沿著該點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的連線，即與x軸成45°角，然后根據(jù)電場疊加規(guī)律可知：

點(diǎn)電荷B與C在點(diǎn)M（l，l）處的合場強(qiáng)（與x軸成45°角斜向下）為：

本題四個(gè)選項(xiàng)的梯度設(shè)置明顯，頗具匠心：從A選項(xiàng)基于物理常識的簡單分析，到B選項(xiàng)熟悉模型和基本規(guī)律的應(yīng)用，再到C選項(xiàng)靈活而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)推理論證，最后到D選項(xiàng)電場強(qiáng)度的矢量合成，其思維的深度逐漸增大，對考生利用科學(xué)思維解決問題的水平有很好的區(qū)分度。

我們還可以對比一下2022年高考全國乙卷第19題：

如圖7，兩對等量異號點(diǎn)電荷+q、-q（q＞0）固定于正方形的4個(gè)項(xiàng)點(diǎn)上。L、N是該正方形兩條對角線與其內(nèi)切圓的交點(diǎn)，O為內(nèi)切圓的圓心，M為切點(diǎn)。則（? ?）

A.L和N兩點(diǎn)處的電場方向相互垂直

B.M點(diǎn)的電場方向平行于該點(diǎn)處的切線，方向向左

C.將一帶正電的點(diǎn)電荷從M點(diǎn)移動到O點(diǎn)，電場力做正功

D.將一帶正電的點(diǎn)電荷從L點(diǎn)移動到N點(diǎn)，電場力做功為零

【答案】AB

【解析】對選項(xiàng)A的分析：先看L點(diǎn)，根據(jù)電場分布特點(diǎn)和矢量疊加規(guī)律可知，一對等量負(fù)電荷在L點(diǎn)處產(chǎn)生的場強(qiáng)方向是由O指向L，同時(shí)L點(diǎn)又位于一對等量正電荷連線的垂直平分線上，所以這對正電荷在L點(diǎn)處產(chǎn)生的場強(qiáng)方向也是由O指向L，故L點(diǎn)處的合場強(qiáng)方向是由O指向L.再看N點(diǎn)，經(jīng)同樣分析可知，一對等量正電荷在N點(diǎn)處產(chǎn)生的場強(qiáng)方向是由N指向O，同時(shí)N點(diǎn)又位于一對等量負(fù)電荷連線的垂直平分線上，所以這對負(fù)電荷在N點(diǎn)處產(chǎn)生的場強(qiáng)方向也是由N指向O，故N點(diǎn)處的合場強(qiáng)方向是由N指向O.因?yàn)檎叫蝺蓪蔷€垂直平分，所以L和N兩點(diǎn)處的電場方向相互垂直，故A選項(xiàng)正確。

B．根據(jù)電場分布特點(diǎn)和矢量疊加規(guī)律可知，圖7中下面一對等量異號電荷在其連線中點(diǎn)M處產(chǎn)生的場強(qiáng)方向向左；對上面一對等量異號電荷來說，M點(diǎn)處于這對電荷連線的垂直平分線上，所以其在M點(diǎn)處的場強(qiáng)方向向右。因?yàn)镸點(diǎn)距離上方一對等量異號電荷較遠(yuǎn)，所以M點(diǎn)處的合場強(qiáng)方向向左，故B選項(xiàng)正確。

C．將圖中四個(gè)電荷分成上下兩對等量異種電荷進(jìn)行分析，然后根據(jù)電場分布規(guī)律“一對等量異種電荷連線的垂直平分線即零電勢線”可知，M點(diǎn)和O點(diǎn)處于兩等量異號電荷的零等勢線上，即M點(diǎn)和O點(diǎn)電勢相等，所以將點(diǎn)電荷從M點(diǎn)移動到O點(diǎn)的過程中，電場力不做功，故C選項(xiàng)錯(cuò)誤。

D．由電場分布特點(diǎn)可知，L點(diǎn)距離負(fù)電荷較近，故電勢較低；N點(diǎn)距離正電荷較近，故電勢較高。因此將一正點(diǎn)電荷從電勢較低的L點(diǎn)移動到電勢較高的N點(diǎn)，電場力做功不為零，故D選項(xiàng)錯(cuò)誤。

本題主要以電場分布規(guī)律等必備知識為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合對稱、等效、疊加等物理方法，著重考查學(xué)生的模型建構(gòu)、推理分析等科學(xué)思維能力。由于不需要繁瑣的定量計(jì)算，因此其難度上明顯低于前面所述的河北省物理高考試卷第10題。從中我們可以很容易看出，在解決該問題的過程中，物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維要素起著舉足輕重的作用，從對等量電荷進(jìn)行不同組合以作為研究對象考查學(xué)生的模型建構(gòu)能力，到根據(jù)等量電荷電場分布的對稱性對矢量特性（電場強(qiáng)度）、標(biāo)量特性（電勢）進(jìn)行疊加，都需要學(xué)生逐步進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)而靈活的推理論證。

【教學(xué)啟示】

2021年河北省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試（即高考）物理試卷第10題是該套試卷選擇題中的最后一道，因?yàn)槌袚?dān)著區(qū)分選拔的功能，所以有一定的難度。但是本題的思維起點(diǎn)卻并不高，基于考生熟悉的等量同種電荷電場分布模型，然后經(jīng)過簡單的推理就可判斷出A、B選項(xiàng)的正誤。而C選項(xiàng)則需要在熟悉典型電場分布模型的基礎(chǔ)上，逐個(gè)考查四個(gè)場源電荷對試探電荷的做功情況，或者將這四個(gè)電荷分成兩對等量電荷，然后靈活運(yùn)用電場分布特點(diǎn)并結(jié)合對稱、等效思想進(jìn)行科學(xué)論證，才能做出準(zhǔn)確的判斷，這對學(xué)生的拓展遷移能力和推理論證能力要求較高。D選項(xiàng)將四個(gè)等量電荷分成兩對等量同種電荷，然后根據(jù)圖5和圖6，不難確定其合場強(qiáng)方向：與x軸成45°角。根據(jù)一對等量同種電荷的電場分布模型可知，兩電荷連線垂直平分線上各點(diǎn)的電場強(qiáng)度大小不是在單調(diào)變化著的，所以對其的判斷既要考慮每個(gè)電荷在該點(diǎn)場強(qiáng)的大小，又要考慮場強(qiáng)的方向，這就要求學(xué)生必須具備一定的質(zhì)疑意識才行。同時(shí)本選項(xiàng)的判斷還需要通過矢量合成，經(jīng)定量計(jì)算才能得出正確的結(jié)論。

通過分析本題的解題思路可以看出，科學(xué)思維是解決問題的重要手段，包括模型建構(gòu)的意識與能力、關(guān)鍵信息的搜集與處理、定性定量的推理與論證、基于證據(jù)的質(zhì)疑與創(chuàng)新等。其實(shí)從近年來全國高考物理試題中也能很容易看出科學(xué)思維的重要性，即在物理學(xué)科核心素養(yǎng)包含的四個(gè)要素中，其對科學(xué)思維的考查分量是最重的。

本題的考查符合《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的目標(biāo)要求，即學(xué)生“能運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個(gè)方面對相關(guān)問題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論” “能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問題，追求科技創(chuàng)新”。

基于高考評價(jià)體系的考查要求和高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)要求，為了提高學(xué)生解決問題的能力，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，高中物理教學(xué)尤其要重視對學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練和提升。筆者對此提出以下建議：

一是高中物理教學(xué)要立足基礎(chǔ)夯實(shí)必備知識。物理教師既要積極創(chuàng)造條件，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，又要靈活選擇教學(xué)方式，通過自主探究、情境體驗(yàn)、問題引領(lǐng)等途徑，引導(dǎo)學(xué)生感悟并透徹理解物理學(xué)科基礎(chǔ)知識，形成扎實(shí)的物理觀念，只有這樣才能為解決實(shí)際問題奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二是重視反思?xì)w納。即教師根據(jù)不同年級的教學(xué)進(jìn)程，引領(lǐng)學(xué)生在深度理解的基礎(chǔ)上對物理學(xué)科的核心概念、基本規(guī)律、常見模型、思路方法等進(jìn)行自主歸納和反思總結(jié)，然后通過建構(gòu)相對完善的物理學(xué)科體系，訓(xùn)練并提高學(xué)生融會貫通靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決相關(guān)問題的能力。

三是注意引領(lǐng)學(xué)生分析和把握物理學(xué)中常見的因果關(guān)系。比如可圍繞學(xué)生對“力是產(chǎn)生加速度改變運(yùn)動狀態(tài)的原因”這一核心概念的認(rèn)識，不斷深化、展開、應(yīng)用、遷移，以加深學(xué)生對力和運(yùn)動關(guān)系的理解，如此可提升學(xué)生解決相關(guān)問題的能力。其他還有功和能的關(guān)系、電場磁場的關(guān)系等，準(zhǔn)確理解和把握這些物理學(xué)中的因果關(guān)系，是進(jìn)一步進(jìn)行規(guī)范的邏輯推理和科學(xué)論證的重要依據(jù)和保障。

四是在科學(xué)論證的基礎(chǔ)上，注意培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑、創(chuàng)新能力。即教師要引導(dǎo)學(xué)生注重搜集使用證據(jù)和分析評估證據(jù)，并通過質(zhì)疑、解釋、預(yù)測，使學(xué)生嘗試從不同的角度解決問題，然后通過發(fā)散思維訓(xùn)練提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部考試中心.中國高考評價(jià)體系［S］.北京：人民教育出版社，2019.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2018.