近2年全國(guó)課標(biāo)卷Ⅰ物理學(xué)史試題評(píng)析與教學(xué)策略

朱文惠 許冬保

摘 要：基于近2年全國(guó)課標(biāo)卷I物理學(xué)史試題評(píng)析，提出教學(xué)策略：正視物理學(xué)史的教學(xué)地位，追求人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)相融的教學(xué)設(shè)計(jì)；認(rèn)識(shí)物理學(xué)史的教育功能，通過(guò)重演知識(shí)發(fā)生的過(guò)程以優(yōu)化認(rèn)知結(jié)構(gòu)；挖掘物理學(xué)史的思想方法，重視物理科學(xué)方法的教育以提高探究能力。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史；試題評(píng)析；教學(xué)策略

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）6-0046-4

物理學(xué)史由于它所蘊(yùn)含的豐富內(nèi)容和獨(dú)特的視角，為促進(jìn)三維課程培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成提供了重要的素材，因而備受命題設(shè)計(jì)者的青睞。近2年來(lái)全國(guó)課標(biāo)卷I物理學(xué)史試題，考查內(nèi)容為電磁感應(yīng)主題下的電磁學(xué)發(fā)展史。

1 近2年來(lái)全國(guó)課標(biāo)卷Ⅰ物理學(xué)史試題評(píng)析

題1 （2014年第14題）在法拉第時(shí)代，下列驗(yàn)證“由磁產(chǎn)生電”設(shè)想的實(shí)驗(yàn)中，能觀察到感應(yīng)電流的是（ ）

A.將繞在磁鐵上的線圈與電流表組成一閉合回路，然后觀察電流表的變化

B.在一通電線圈旁放置一連有電流表的閉合線圈，然后觀察電流表的變化

C.將一房間內(nèi)的線圈兩端與相鄰房間的電流表連接，往線圈中插入條形磁鐵后，再到相鄰房間去觀察電流表的變化

D. 繞在同一鐵環(huán)上的兩個(gè)線圈，分別接電源和電流表，在給線圈通電或斷電的瞬間，觀察電流表的變化

解析 該題以探究磁生電設(shè)想實(shí)驗(yàn)中的失敗和成功的生動(dòng)事實(shí)為背景，考查考生對(duì)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的理解程度。

感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件可概括為兩點(diǎn)：（1）閉合電路；（2）磁通量發(fā)生變化。若穿過(guò)線圈的磁通量不變，則不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流表指針也不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；在通電線圈附近放置的閉合線圈，因磁通量不變，也不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；往線圈中插入條形磁鐵的過(guò)程中，能產(chǎn)生感應(yīng)電流。但當(dāng)跑到另一房間觀察時(shí)，由于穿過(guò)線圈的磁通量不再變化，因此不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；在通電與斷電瞬間，磁通量發(fā)生了變化，線圈中有感應(yīng)電流，電流表指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。綜上，正確選項(xiàng)是D。

評(píng)價(jià) 本題抽樣統(tǒng)計(jì)的均分為4.06，難度為0.676，區(qū)分度為0.530，其中有17.5%的考生錯(cuò)選C?？梢?jiàn)，試題難度較小，但具有很好的區(qū)分功能。

該題圍繞感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件設(shè)置選項(xiàng)。選項(xiàng)C為瑞士物理學(xué)家科拉頓所做的實(shí)驗(yàn)，后人調(diào)侃科拉頓“跑失良機(jī)”。選項(xiàng)A、B、D均為法拉第所做過(guò)的實(shí)驗(yàn)。其中選項(xiàng)D的設(shè)計(jì)，與現(xiàn)行人教版教科書中例題[1]的描述基本一致。可見(jiàn)，試題起點(diǎn)很低，重視通過(guò)物理學(xué)史考查考生的理解能力。

題2 （2015年第19題）1824年，法國(guó)科學(xué)家阿拉果完成了著名的“圓盤實(shí)驗(yàn)”。實(shí)驗(yàn)中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細(xì)線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓盤在磁針的磁場(chǎng)中繞過(guò)圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，但略有滯后。下列說(shuō)法正確的是（ ）

A.圓盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

B.圓盤內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)

C.在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，磁針的磁場(chǎng)穿過(guò)整個(gè)圓盤的磁通量發(fā)生了變化

D.圓盤中的自由電子隨圓盤一起運(yùn)動(dòng)形成電流，此電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)

解析 阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)是電磁學(xué)發(fā)展史上具有重要意義的實(shí)驗(yàn)，它提供了磁生電的佐證，促進(jìn)了法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究以及電磁感應(yīng)定律的建立。該題以阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)為背景，巧妙地設(shè)計(jì)了具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)、似是而非的選項(xiàng)。試題借助于物理學(xué)史，考查了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的渦流、電磁驅(qū)動(dòng)及電磁阻尼產(chǎn)生的機(jī)理。

當(dāng)圓盤繞過(guò)圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓盤切割磁感線。如果將圓盤分割成無(wú)窮根輻射狀的銅條構(gòu)成，則產(chǎn)生如圖2所示的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（磁針的磁場(chǎng)是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，各銅條產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不等）。由于磁針兩極下方磁場(chǎng)的豎直方向的分量相反，因而圓盤兩側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互疊加，在盤中形成渦流，并且渦流隨圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化。圖3為某時(shí)刻圓盤中產(chǎn)生的渦流的示意圖（實(shí)際情況很復(fù)雜）。

由楞次定律知，感應(yīng)電流的效果總要反抗引起感應(yīng)電流的原因。因此，在圓盤中產(chǎn)生的渦流將阻礙它與磁針的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使得磁針跟著圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。渦流的機(jī)械效應(yīng)對(duì)于磁針而言表現(xiàn)為電磁驅(qū)動(dòng)，對(duì)于圓盤而言，表現(xiàn)為電磁阻尼。由于電磁驅(qū)動(dòng)或電磁阻尼是因電磁感應(yīng)現(xiàn)象而產(chǎn)生的，因此磁針的轉(zhuǎn)速總是小于圓盤的轉(zhuǎn)速。對(duì)于圓盤整體而言，穿過(guò)它的磁通量不變，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。圓盤中的自由電子隨圓盤一起運(yùn)動(dòng)形成環(huán)形電流，該電流的磁場(chǎng)對(duì)小磁針在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)沒(méi)有影響。選項(xiàng)D錯(cuò)誤。綜上，正確選項(xiàng)為A、B。

評(píng)價(jià) 本題抽樣統(tǒng)計(jì)的均分為1.74，難度為0.290，區(qū)分度為0.230。得到6分和3分的考生比例分別為13.60%和30.43%?？梢?jiàn)，試題難度稍大且區(qū)分功能不太理想。

本題以阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)為背景，尊重史實(shí)和教學(xué)要求設(shè)計(jì)選項(xiàng)，選項(xiàng)D即為歷史上安培對(duì)實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)誤解釋。試題難度大，區(qū)分度低。從命題角度審視似乎試題存在缺陷，但是從中學(xué)物理教學(xué)的實(shí)際情況來(lái)看，卻是一道構(gòu)思細(xì)膩、設(shè)計(jì)巧妙的好題。該題直指如下中學(xué)教學(xué)之誤區(qū)：（1）中學(xué)教學(xué)中對(duì)物理學(xué)史的教學(xué)重視程度不夠；（2）試題中涉及到的渦流概念，由于在考綱中列為低層次要求，且全國(guó)卷中從未考過(guò)，因此，對(duì)渦流一詞考生可能感到陌生，或不知其所以然；（3）將法拉第圓盤發(fā)電模型與阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)裝置混為一談。

2 教學(xué)策略

2.1 正視物理學(xué)史的教學(xué)地位，追求人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)相融的教學(xué)設(shè)計(jì)

強(qiáng)調(diào)科學(xué)的人文功能和教育功能是當(dāng)今世界科學(xué)教育的重要內(nèi)容之一。國(guó)家教育部考試中心專家指出[2]：為貫徹落實(shí)立德樹(shù)人的教育要求，近兩年來(lái)高考命題拓展試題選材范圍，加強(qiáng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀、依法治國(guó)精神和優(yōu)秀傳統(tǒng)文化等內(nèi)容的考查，引導(dǎo)考生形成積極、健康的世界觀、人生觀和價(jià)值觀。物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是物理學(xué)家不斷探索、發(fā)現(xiàn)重要概念和規(guī)律的過(guò)程。正是由于這些投身于物理研究的科學(xué)家的貢獻(xiàn)，經(jīng)過(guò) 4 個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，物理學(xué)才成為一門有著眾多分支、令人尊敬和熱愛(ài)的基礎(chǔ)科學(xué)。正如德國(guó)著名作家哥德曾說(shuō)：“一門科學(xué)的歷史就是那門科學(xué)的本身。”

上述分析表明，近2年來(lái)物理學(xué)史試題，改變以往單純考查物理學(xué)史知識(shí)點(diǎn)的方法，注重聯(lián)系物理學(xué)的具體史實(shí)、科學(xué)家研究問(wèn)題的歷史背景和方法等內(nèi)容，考查考生對(duì)概念和規(guī)律的理解和掌握程度。通過(guò)挖掘物理學(xué)史相關(guān)內(nèi)容的內(nèi)在價(jià)值和教育意義，聯(lián)系物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中的主要物理學(xué)家、重要事件、重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明等，以提高考生的科學(xué)素養(yǎng)和文化素養(yǎng)[3]。特別是2015年物理學(xué)史試題，立意深刻，將電磁感應(yīng)的知識(shí)與物理學(xué)史有機(jī)地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行考查，從而有效地甄別考生的人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)。

法國(guó)著名物理學(xué)家郎之萬(wàn)指出：在科學(xué)教育中加入歷史的觀點(diǎn)是百利而無(wú)一弊的。有鑒于此，物理學(xué)史的教學(xué)，要與概念、規(guī)律的教學(xué)融為一體，停留在知識(shí)層面的物理學(xué)史教學(xué)是狹隘的。教材上出現(xiàn)的物理學(xué)史的內(nèi)容，由于受到多方面的局限，呈現(xiàn)是比較少的。以此作為物理學(xué)史的教學(xué)內(nèi)容顯得單薄。教學(xué)中應(yīng)超越教材，有意識(shí)地滲透或顯化物理學(xué)史的教學(xué)內(nèi)容，有必要豐富教學(xué)中的科學(xué)史素材。

例如，羅蘭實(shí)驗(yàn)[4]。1876年美國(guó)科學(xué)家羅蘭把大量的電荷加在一個(gè)橡膠圓盤上，然后使圓盤繞中心軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，在圓盤的附近用小磁針來(lái)檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)（如圖4所示）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)帶電圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小磁針果然發(fā)生了偏轉(zhuǎn)；而且改變圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向或者改變所帶電荷的正負(fù)時(shí)，小磁針的偏轉(zhuǎn)方向也改變。磁針的偏轉(zhuǎn)方向跟運(yùn)動(dòng)電荷所形成的電流方向間的關(guān)系同樣符合安培定則。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了運(yùn)動(dòng)電荷確實(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)一步揭示了磁現(xiàn)象的電本質(zhì)。

2.2 認(rèn)識(shí)物理學(xué)史的教育功能，通過(guò)重演知識(shí)發(fā)生的過(guò)程以優(yōu)化認(rèn)知結(jié)構(gòu)

物理學(xué)史蘊(yùn)含豐富的教育功能，將物理學(xué)史融入課堂教學(xué)有助于考生了解物理概念和規(guī)律的形成和發(fā)展，掌握物理學(xué)家探索物質(zhì)世界的科學(xué)方法，有利于激發(fā)考生的興趣，培養(yǎng)考生正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，是貫徹落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)三維培養(yǎng)目標(biāo)的有效途徑。高考物理學(xué)史的考查，符合課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和中學(xué)物理的教學(xué)實(shí)際[6]。

如果把科學(xué)家從事科學(xué)研究的過(guò)程視為科學(xué)知識(shí)的生產(chǎn)過(guò)程，那么學(xué)生接受科學(xué)教育的過(guò)程就是科學(xué)知識(shí)的再生產(chǎn)過(guò)程。學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程是對(duì)人類文化發(fā)展過(guò)程的一種認(rèn)知意義上的重演，他們學(xué)習(xí)科學(xué)的心理順序與前人探索科學(xué)的歷史順序相似。因此，理想的科學(xué)教育應(yīng)該是，以濃縮的時(shí)空和必然的形式，重演人類豐富多彩的科學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生去親歷探究的過(guò)程，感受科學(xué)的啟迪。這樣不僅有助于突破學(xué)生思維上的障礙，還能更好地理解并掌握所學(xué)的知識(shí)，從中汲取前人的智能，領(lǐng)悟思想方法，陶冶科學(xué)精神[7]。

重演并不等于重復(fù)。在教學(xué)中重演知識(shí)發(fā)生的過(guò)程，有利于厘清物理學(xué)發(fā)展的歷程；構(gòu)建清晰的物理學(xué)知識(shí)體系；提升人文精神和科學(xué)素養(yǎng)；完善和優(yōu)化認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

例如，電磁學(xué)中磁場(chǎng)及電磁感應(yīng)發(fā)展的歷史，對(duì)于復(fù)習(xí)課型，可以建構(gòu)圖5所示的按時(shí)間順序呈現(xiàn)的思維導(dǎo)圖來(lái)展開(kāi)（圖中所給的是典型實(shí)驗(yàn)裝置并非一定是歷史上的實(shí)驗(yàn)裝置）。這種結(jié)構(gòu)既是教材編寫的思路，也是電磁學(xué)發(fā)展的歷程，符合人的科學(xué)認(rèn)知的心理過(guò)程。

2.3 挖掘物理學(xué)史的思想方法，重視物理科學(xué)方法的教育以提高探究能力

物理學(xué)史在物理教學(xué)中的應(yīng)用一般分為兩個(gè)層次，相對(duì)較淺的層次為通過(guò)對(duì)物理學(xué)家的介紹，物理理論被發(fā)現(xiàn)的年代，增加教學(xué)內(nèi)容的歷史感。這樣的應(yīng)用是以物理學(xué)家為中介，與歷史發(fā)生聯(lián)系，進(jìn)行人文教育。深層次的應(yīng)用是分析理論的過(guò)去式，從中挖掘出物理研究過(guò)程中的思想方法，進(jìn)行科學(xué)方法教育。重演科學(xué)發(fā)展的過(guò)程，本質(zhì)上就是重演科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究的過(guò)程[8]。因此，物理學(xué)史的教學(xué)，應(yīng)關(guān)注歷史上重要的實(shí)驗(yàn)或理論中所藏匿的思想和方法，因?yàn)槲锢韺W(xué)家探究物理概念或規(guī)律的思想和方法，體現(xiàn)了物理學(xué)家解決問(wèn)題的智慧。如法拉第在重復(fù)奧斯特實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)稱性思想，萌發(fā)了“磁生電”的設(shè)想，以及應(yīng)用“力線思想”形象描述磁場(chǎng)與電場(chǎng)的抽象性。

拉普拉斯說(shuō)：“認(rèn)識(shí)一個(gè)天才的研究方法，對(duì)于科學(xué)的進(jìn)步，……并不比發(fā)現(xiàn)本身更少用處，科學(xué)研究的方法經(jīng)常是極富興趣的部分。”在電磁學(xué)發(fā)展史上，庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)及庫(kù)侖定律的建立，涉及到觀察實(shí)驗(yàn)方法、假說(shuō)方法、理想化方法、對(duì)稱性方法、放大方法、歸納與演繹方法等等。法拉第電磁感應(yīng)定律的提出、麥克斯韋電磁理論（方程組）的建立均是數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用。

應(yīng)當(dāng)指出的是，物理學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)或相關(guān)理論的提出，都是基于一定的歷史條件或前提假設(shè)。教學(xué)中要求能夠立足于一定的歷史條件或假設(shè)的前提下，來(lái)理解相關(guān)的理論。對(duì)物理學(xué)家的探究過(guò)程、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及研究結(jié)論，要求從科學(xué)和歷史的視角來(lái)審視。在“失敗—失敗—直至成功”的科學(xué)歷程中既要汲取失敗之教訓(xùn)，也要能獲得成功之精髓；同時(shí)，能通過(guò)內(nèi)化來(lái)分析、評(píng)價(jià)歷史觀點(diǎn)，或者探索性解決有關(guān)問(wèn)題。

綜上，近2年來(lái)物理學(xué)史試題的取材和考查旨趣，是以物理學(xué)史中的某一重要實(shí)驗(yàn)為載體，要求考生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，分析判斷前輩科學(xué)家在當(dāng)時(shí)歷史條件下觀點(diǎn)的正誤；并通過(guò)史料展示物理發(fā)展的不平凡歷程。讓考生在科學(xué)方法的選擇與應(yīng)用、邏輯推理與判斷中，重溫歷史，激發(fā)興趣，樹(shù)立正確的人生觀和價(jià)值觀。今天的物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)回歸物理學(xué)的本源。穿越時(shí)空，回眸經(jīng)典，正如哲學(xué)家桑塔亞納所說(shuō)的一句名言：“忘記過(guò)去，將會(huì)重蹈覆轍?！备呖济}設(shè)計(jì)思想為物理教學(xué)提供了重要的導(dǎo)向作用，物理學(xué)史是重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是重要的教學(xué)目標(biāo)。

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