談高考物理試題的探究性

丁慶紅

自2004年實施普通高中新課程改革以來，高考物理試題堅持體現(xiàn)新課程改革的精神，適當(dāng)?shù)貪B透新課程的理念和目標(biāo)。試題內(nèi)容立足高中物理教學(xué)實際，體現(xiàn)重視基礎(chǔ)、突出能力、關(guān)注考生素養(yǎng)、注重思維水平、強(qiáng)調(diào)聯(lián)系實際、學(xué)以致用等與新課程一致的做法，引領(lǐng)高中物理新課程改革。

重視科學(xué)探究是我國新一輪基礎(chǔ)教育改革的核心?？茖W(xué)探究，是指科學(xué)家在研究自然界的科學(xué)規(guī)律時所進(jìn)行的科學(xué)研究活動。20世紀(jì)80年代后，我國和一些發(fā)達(dá)國家將科學(xué)探究作為一種教學(xué)方法引入教學(xué)過程中，讓學(xué)生處于動態(tài)、開放、生動、多元的學(xué)習(xí)環(huán)境中，使學(xué)生通過類似科學(xué)家的探究過程理解科學(xué)概念和科學(xué)探究的本質(zhì)，并培養(yǎng)科學(xué)探究能力，從而將學(xué)習(xí)重心從過分強(qiáng)調(diào)知識的傳承和積累向知識的探索過程轉(zhuǎn)化，使學(xué)生從被動接受知識向自主學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化。科學(xué)探究的形式是多種多樣的，有提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作等幾個環(huán)節(jié)?？茖W(xué)探究既是物理課程的重要內(nèi)容，又是重要的教學(xué)方式；既是學(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是物理學(xué)習(xí)的重要方法。

近幾年來，高考物理試題在突出探究性，體現(xiàn)新課程理念方面作出了很多有益的嘗試。

1 高考物理試題凸顯探究性

1.1 高考物理試題提供的素材具有探究性

一道好的物理試題，就是一個科學(xué)問題。2008年上海高考物理試題，其中有一道以在伽利略羊皮紙手稿中發(fā)現(xiàn)的斜面實驗數(shù)據(jù)為命題素材，讓考生沿著科學(xué)家的足跡探究問題。

【2008年高考上海卷第5題】在伽利略羊皮紙手稿中發(fā)現(xiàn)的斜面實驗數(shù)據(jù)如表1所示，人們推測第二、三列數(shù)據(jù)可能分別表示時間和長度。伽利略的一個長度單位相當(dāng)于現(xiàn)在的mm，假設(shè)一個時間單位相當(dāng)于現(xiàn)在的0.5 s。由此可以推算實驗時光滑斜面的長度至少為________m；斜面的傾角約為__________度。（g取10 m/s2）

表1 伽利略手稿中的數(shù)據(jù)

表2 由伽利略手稿中的數(shù)據(jù)得到的斜面傾角

1t1=0.5 s，求得sinθ=0.0247。怎樣求出θ呢？考生不難發(fā)現(xiàn)sinθ數(shù)值很小，則聯(lián)想到此時sinθ≈θ，于是找到了問題的突破口。值得注意的是本題有8組數(shù)據(jù)，需要根據(jù)每一組數(shù)據(jù)求出θ值（見表2），然后取其平均值作為斜面的傾角。

這道題看似簡單，實則是一道考查考生能力的好題，在考查探究能力的同時，還考查了考生從表格中提取信息、處理實驗數(shù)據(jù)及估算的能力。

1.2 高考物理試題提供的物理情境具有探究性

2012年高考江蘇卷第15題就是一個探究性的科學(xué)問題，要求考生根據(jù)所給出的現(xiàn)象來推測該區(qū)域中電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小及可能的方向，題目設(shè)計的問題具有開放性，考生解決問題的過程具有探究性。

【2012年高考江蘇卷第15題】如圖1所示，待測區(qū)域中存在勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，根據(jù)帶電粒子射入時的受力情況可推測其電場和磁場。圖中裝置由加速器和平移器組成，平移器由兩對水平放置、相距為l的相同平行金屬板構(gòu)成，極板長度為l、間距為d，兩對極板間偏轉(zhuǎn)電壓大小相等、電場方向相反。質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子經(jīng)加速電壓U0加速后，水平射入偏轉(zhuǎn)電壓為U1的平移器，最終從A點水平射入待測區(qū)域。不考慮粒子受到的重力。

圖1

（1）求粒子射出平移器時的速度大小v1；

（2）當(dāng)加速電壓變?yōu)?U0時，欲使粒子仍從A點射入待測區(qū)域，求此時的偏轉(zhuǎn)電壓U；

（3）已知粒子以不同速度水平向右射入待測區(qū)域，剛進(jìn)入時的受力大小均為F?，F(xiàn)取水平向右為x軸正方向，建立如圖所示的直角坐標(biāo)系Oxyz。保持加速電壓為U0不變，移動裝置使粒子沿不同的坐標(biāo)軸方向射入待測區(qū)域，粒子剛射入時的受力大小如表3所示。

表3

請推測該區(qū)域中電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小及可能的方向。

本題要求考生根據(jù)所給出的現(xiàn)象來推測該區(qū)域中電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小及可能的方向?？忌紫纫鶕?jù)試題提供的物理情境提出自己的猜想或假說，然后通過分析與論證，評估其合理性?？梢?，考生解決本題的過程，就經(jīng)歷了一次科學(xué)探究的過程。解題過程如下：

（2）在第一個偏轉(zhuǎn)電場中，設(shè)粒子的運(yùn)動時間為t，加速度的大小為a=，在離開時，豎直分速度vy=at，豎直位移 y1=，水平位移l=v0t。粒子在兩偏轉(zhuǎn)電場間做勻速直線運(yùn)動，經(jīng)歷時間也為t，豎直位移y2=vyt。由題意知，粒子豎直總位移y=2y+y，解得 y=。則當(dāng)加速電壓為4U時，U=1204U1。

（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向一定平行于x軸。且電場強(qiáng)度E=F/q。

由沿±y軸方向射入時的受力情況可知：E與Oxy平面平行。

設(shè)電場方向與x軸方向夾角為α，若B沿x軸正方向，由沿z軸方向射入時的受力情況得(f+Fsinα)2+(Fcosα)2=(F)2。

解得 α=30°，或α=150°，即E與Oxy平面平行且與x軸方向的夾角為30°或150°。

同理，若B沿-x軸方向，E與Oxy平面平行且與x軸方向的夾角為-30°或-150°。

1.3 高考物理試題關(guān)注解決問題的思想和方法，體現(xiàn)試題的探究性

高考物理考試大綱中，物理學(xué)科的知識內(nèi)容和能力考查目標(biāo)都是按照新課標(biāo)的要求確定的，但是試題情境完全可以“源于教材”又“高于教材”，需要考生具有較強(qiáng)的提取信息的能力，具備分析問題和解決問題的能力。2012年高考安徽卷第20題給出的物理情境雖然超出了中學(xué)物理的范疇，但考生通過正確的解題思想和方法一樣可以正確解題。

【2012年高考安徽卷第20題】如圖2所示，半徑為R的均勻帶電圓形平板，單位面積帶電量為σ，其軸線上任意一點P（坐標(biāo)為x）的電場強(qiáng)度可以由庫侖定律和電場強(qiáng)度的疊加原理求出：方向沿x軸?，F(xiàn)考慮單位面積帶電量為σ0的無限大均勻帶電平板，從其中間挖去一半徑為r的圓板，如圖3所示。則圓孔軸線上任意一點Q（坐標(biāo)為x）的電場強(qiáng)度為

圖2

圖3

由題意知：半徑為R的均勻帶電圓形平板，單位面積帶電量為σ，其軸線上任意一點P（坐標(biāo)為x）的電場強(qiáng)度為：方向沿x軸。若考生立即意識到對于x→0，半徑為R的均勻帶電圓形平板相當(dāng)于無限大，由此進(jìn)一步推知：無限大均勻帶電平板其周圍的電場等效為勻強(qiáng)電場，且場強(qiáng)為E=2πkσ，這是解決問題的關(guān)鍵。則對于圖3所示的單位面積帶電量為σ0的無限大均勻帶電平板在其周圍產(chǎn)生的電場亦為勻強(qiáng)電場，場強(qiáng)為E1=2πkσ0，挖去的半徑為r的圓板在Q點產(chǎn)生場強(qiáng)為所以圖3所示的圓板在Q點產(chǎn)生的場強(qiáng)為：要解決本題，考生必須根據(jù)已有的知識、物理事實和條件，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆椒?，進(jìn)行邏輯推理和論證，對新穎的物理情境作出正確的判斷。又如2012年北京卷第20題。

【2012年高考北京卷第20題】“約瑟夫森結(jié)”由超導(dǎo)體和絕緣體制成。若在結(jié)兩端加恒定電壓U，則它會輻射頻率為ν的電磁波，且ν與U成正比，即ν=kU。已知比例系數(shù)k僅與元電荷e的2倍和普朗克常量h有關(guān)。你可能不了解此現(xiàn)象的機(jī)理，但仍可運(yùn)用物理學(xué)中常用的方法，在下列選項中，推理判斷比例系數(shù)k的值可能為

由于ν=kU，則比例系數(shù)k的物理單位是s-1V-1。分析四個選項可知，只有選項B的物理單位才與此相同。

本題以“約瑟夫森結(jié)”輻射電磁波為情境，依托單位制為突破口，考查物理學(xué)的研究方法，主要考查考生的理論探究能力。

1.4 高考物理試題通過考查探究性實驗，體現(xiàn)試題的探究性

物理是一門實驗科學(xué)，物理學(xué)中有很多探究性實驗，高考物理試題注重考查探究性實驗，體現(xiàn)試題的探究性。2012年北京卷第19題就考查了奇妙的“跳環(huán)實驗”。

【2012年高考北京卷第19題】物理課上，老師做了一個奇妙的“跳環(huán)實驗”。如圖4，她把一個帶鐵芯的線圈L、開關(guān)S和電源用導(dǎo)線連接起來后，將一金屬套環(huán)置于線圈L上，且使鐵芯穿過套環(huán)。閉合開關(guān)S的瞬間，套環(huán)立刻跳起。

某同學(xué)另找來器材再探究此實驗。他連接好電路，經(jīng)重復(fù)試驗，線圈上的套環(huán)均未動。對比老師演示的實驗，下列四個選項中，導(dǎo)致套環(huán)未動的原因可能是

A.線圈接在了直流電源上

B.電源電壓過高

C.所選線圈的匝數(shù)過多

D.所用套環(huán)的材料與老師的不同

本題要求考生根據(jù)題目提供的恰當(dāng)?shù)奈锢砬榫?、科學(xué)的知識背景，探究重復(fù)“跳環(huán)實驗”未成功的原因。閉合開關(guān)S的瞬間，電流通過線圈產(chǎn)生磁場，穿過套環(huán)的磁通量增加，在套環(huán)中引起感應(yīng)電流，其感應(yīng)電流受到線圈的磁場力作用而使套環(huán)立刻跳起。該同學(xué)重復(fù)試驗時，若所用套環(huán)的材料為絕緣體，在套環(huán)中不能引起感應(yīng)電流，則套環(huán)不會跳起。正確答案是D。

2 如何在教學(xué)中提升學(xué)生的探究能力

2.1 轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，落實新課程三維目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識

如果把科學(xué)家從事科學(xué)研究的過程視作科學(xué)知識的原生產(chǎn)過程，那么學(xué)生接受科學(xué)教育的過程就是科學(xué)知識的再生產(chǎn)過程。這兩者在本質(zhì)上有著極大的相似性：學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是對人類文化發(fā)展過程的一種認(rèn)知意義上的重演，他們學(xué)習(xí)科學(xué)的心理順序差不多就是前人探索科學(xué)的歷史順序。在物理教學(xué)中以濃縮的時空和必然的形式重演人類豐富多彩的科學(xué)活動，讓學(xué)生去親歷探究的過程，感受科學(xué)的啟迪。這樣使學(xué)生更好地理解并掌握所學(xué)的知識，從中汲取前人的智慧，領(lǐng)悟思想方法，陶冶科學(xué)精神，從而全方位地落實“新課標(biāo)”所提出的三維目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識。

2.2 讓探究式教學(xué)成為中學(xué)物理課堂教學(xué)的主旋律

科學(xué)探究在本質(zhì)上是科學(xué)家用來解決自然科學(xué)規(guī)律問題的一種思維方式，為了掌握科學(xué)知識，領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)特征，發(fā)展科學(xué)探究的能力，以便更好地促進(jìn)科學(xué)和社會的發(fā)展，物理學(xué)科教學(xué)應(yīng)該更多地采用科學(xué)探究的教學(xué)形式來進(jìn)行，構(gòu)建科學(xué)探究教學(xué)模式。探究式教學(xué)就是把科學(xué)探究引入課堂，在教師的引導(dǎo)和啟發(fā)下，通過學(xué)生自主、獨(dú)立的探索活動，有效感知和理解知識，構(gòu)建知識，獲得情感體驗，掌握解決問題的方法，發(fā)展探索精神和創(chuàng)新能力的教學(xué)方式。探究式教學(xué)能讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中探究，在矛盾沖突中探究，在問題解決中探究，在實踐活動中探究，注重以人為本，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)的全過程，使學(xué)生的思維始終處于積極地探究過程之中，激發(fā)學(xué)習(xí)的靈感，開拓思維能力，塑造創(chuàng)新的潛質(zhì)，它不僅重視知識的掌握，更重視過程的體驗和情感態(tài)度的養(yǎng)成。探究式教學(xué)能給學(xué)生足夠自主的空間、足夠活動的機(jī)會，也能夠帶給學(xué)生理智的挑戰(zhàn)和成功，使學(xué)生對物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣感和強(qiáng)烈的責(zé)任感，從而把學(xué)習(xí)物理跟自己的生活有機(jī)地聯(lián)系起來，主動地去學(xué)習(xí)物理知識，探索物理問題。

2.3 在高三復(fù)習(xí)備考中提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

高三復(fù)習(xí)備考同樣是落實新課程理念、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的主陣地。在復(fù)習(xí)備考中應(yīng)該通過創(chuàng)造各種機(jī)會、創(chuàng)設(shè)各種情境鼓勵學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)，讓學(xué)生充分發(fā)揮自己的獨(dú)立性，把知識的發(fā)現(xiàn)過程交給學(xué)生自己去完成，使學(xué)生對知識有一個發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識和升華的過程。強(qiáng)調(diào)理解知識、掌握方法和培養(yǎng)能力的統(tǒng)一。使學(xué)生在復(fù)習(xí)備考的過程中，掌握知識，獲得能力，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。只有這樣，學(xué)生才能在高考中從容應(yīng)對探究性試題，才能真正贏得高考的勝利。

3 學(xué)生如何培養(yǎng)自身的探究能力

3.1 培養(yǎng)對物理學(xué)的興趣，形成科學(xué)探究的意識

對宇宙的好奇心是科學(xué)家探索宇宙奧秘的原動力。愛因斯坦說：“宇宙間最不可理解的，就是宇宙是可以理解的?！蔽锢韺W(xué)是對宇宙的理解的集大成；是理解宇宙的高度濃縮與高度概括；是解說宇宙奧秘的詩歌。物理學(xué)是發(fā)展最成熟、高度定量化的精密科學(xué)，又是具有方法論性質(zhì)、被公認(rèn)為最重要的基礎(chǔ)科學(xué)。物理學(xué)取得的成果極大地豐富了人們對物質(zhì)世界的認(rèn)識，有力地促進(jìn)了人類文明的進(jìn)步。作為一名中學(xué)生，只有學(xué)好物理，才能更好地理解自然；在學(xué)習(xí)物理的過程中，可以更好地形成科學(xué)探究的意識；形成了科學(xué)探究的意識，就可以更好地學(xué)習(xí)、工作和生活。因為形成科學(xué)探究的意識不僅僅是高考的需要，也不僅僅是新課程的需要，更是學(xué)習(xí)、工作和生活的需要。

3.2 學(xué)好物理知識，掌握物理方法，感悟物理思想，奠定科學(xué)探究的堅實基礎(chǔ)

物理學(xué)不僅對客觀世界的規(guī)律作出了深刻的揭示，而且在發(fā)展、成長的過程中，形成了一整套獨(dú)特而卓有成效的思想方法體系。正因為如此，物理學(xué)當(dāng)之無愧地成了人類智慧的結(jié)晶、文明的瑰寶。物理思想與方法不僅對物理學(xué)本身有價值，而且對整個自然科學(xué)，乃至社會科學(xué)的發(fā)展都有重要的貢獻(xiàn)。學(xué)生只有學(xué)好物理知識，掌握物理方法，感悟物理思想，體會科學(xué)精神，才能打下科學(xué)探究的堅實基礎(chǔ)。

3.3 掌握科學(xué)探究的方法，形成較強(qiáng)的科學(xué)探究能力

學(xué)生在完成探究性學(xué)習(xí)的過程中，要經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)和提出問題、對問題進(jìn)行猜想與假設(shè)、制訂計劃，設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗，收集證據(jù)、分析證據(jù)，得出結(jié)論、反思結(jié)果，吸取教訓(xùn)、討論爭辯，嘗試表達(dá)等一系列的活動，從中獲得失敗與痛苦、成功與喜悅的獨(dú)特感悟和體驗，感受科學(xué)方法的魅力，習(xí)得具有綜合特點的科學(xué)知識。在新課程背景下，學(xué)生應(yīng)該培養(yǎng)自己的參與意識，關(guān)心社會、關(guān)心生活的意識及理論聯(lián)系實際的習(xí)慣；培養(yǎng)自己綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力、動手能力、收集和處理信息的能力、分析問題和解決問題的能力、語言文字表達(dá)能力以及與他人團(tuán)結(jié)協(xié)作、友好交往的能力等,使自己由學(xué)習(xí)研究到學(xué)會研究，最終達(dá)到自主能動地學(xué)習(xí)、善于研究、善于創(chuàng)造的佳境；培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識，發(fā)展自己的個性特長，為終身學(xué)習(xí)和工作奠定基礎(chǔ)。

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）[M].北京：人民教育出版社.2003.