高考物理對科學思維考查的分析①
——以2018年全國高考Ⅰ卷為例

(廣東省番禺中學,廣東 廣州 511483)

1 引言

考查物理學科核心素養(yǎng)是高考命題的方向，而科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，因此是每年高考的重點考查內容。科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式，是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學思維方法的內化；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質?？茖W思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素。

通過高中階段的學習，學生應具有建構理想模型的意識和能力；能正確運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面進行科學推理、找出規(guī)律、形成結論，并能解釋自然現象和解決實際問題；具有使用科學證據的意識和評估科學證據的能力，能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測；具有批判性思維的意識，能基于證據大膽質疑，從不同角度思考問題，追求科技創(chuàng)新。下面通過典型試題，分析科學思維各要素在2018年全國高考卷物理試題中的考查情況。

2 試題中的科學思維考查

2.1 模型建構

模型建構是指學生構建理想模型的意識和能力，是基于經驗的遷移和事實的抽象概括過程。

例1：一質量為m的煙花彈獲得動能E后，從地面豎直升空,當煙花彈上升的速度為零時，彈中火藥爆炸將煙花彈炸為質量相等的兩部分，兩部分獲得的動能之和也為E，且均沿豎直方向運動。爆炸時間極短，重力加速度大小為g，不計空氣阻力和火藥的質量，求：

(1) 煙花彈從地面開始上升到彈中火藥爆炸所經過的時間；

(2) 爆炸后煙花彈向上運動的部分距地面的最大高度。

分析：“煙花彈升空爆炸”是學生在實際生活中看到過的情景，但如何把這一情景抽象為物理過程模型，并運用物理規(guī)律解決相關問題，是其難點?！氨〞r間極短，重力加速度大小為g，不計空氣阻力和火藥的質量”隱含理想模型的建構條件，其中“不計空氣阻力”，可把煙花彈從地面開始上升到爆炸、爆炸后向上那一部分的運動簡化為豎直上拋運動，運用勻減速直線運動的規(guī)律不難求出上升的時間?！氨〞r間極短”和“不計火藥的質量”隱含動量守恒的條件，在極短的爆炸時間內爆炸產生的內力遠大于煙花的重力，則可認為符合動量守恒條件。同時，爆炸是一個化學能轉化為動能的過程，煙花彈的動能增加量為E，是化學能轉化的結果。

綜上所述，爆炸過程可從動量守恒和能量守恒兩個角度加以研究，這就是“爆炸模型”的處理方法。正確列出動量守恒、能量守恒的關系方程，求出炸開的兩部分的速度。再運用機械能守恒定律處理向上運動部分，則可求出煙花彈向上運動的部分距地面的最大高度。

例2：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，正確的說法是( )。

A. 與時間成正比

B. 與位移成正比

C. 與速度成正比

D. 與動量成正比

分析：將高鐵列車的運動理想化為勻變速直線運動，應用相關公式，建立起動能與時間、位移、速度及動量之間的聯系。

建構物理模型是一種基本的科學思維方式，科學探究、解決復雜的工程技術問題都需要建構模型，這是需要大力去培養(yǎng)的能力。

2.2 科學推理

科學推理要求能正確運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面進行科學推理、找出規(guī)律、形成結論，并能解釋自然現象和解決實際問題。

例3：如圖1所示，abc是豎直面內的光滑固定軌道，ab水平，長度為2R。bc是半徑為R的四分之一圓弧，與ab相切于b點。一質量為m的小球，始終受到與重力大小相等的水平外力作用，自a點處從靜止開始向右運動。重力加速度大小為g。小球從a點開始運動到其軌跡最高點，機械能的增量為( )。

圖1

A． 2mgRB． 4mgR

C． 5mgRD． 6mgR

分析：本題要求考生根據題中情景找出解決問題的規(guī)律，包括動能定理、功能關系、豎直上拋、勻變速直線運動、牛頓運動定律、運動的合成與分解等，從定量的角度進行科學推理。小球從a至c運動，先運用動能定理求出到c的速度，再根據在c點小球的受力情況和速度情況，判斷速度與力之間的夾角，推理得出離開軌道以后的運動性質：在水平方向做勻加速直線運動、在豎直方向做豎直上拋運動。根據以上判斷，選擇合適的物理原理，由于兩個方向分運動互相獨立、互不影響，分別研究每一方向較為方便。運用豎直上拋的規(guī)律求出豎直方向的運動時間，然后運用勻變速運動規(guī)律定量計算出離開軌道以后水平方向的位移。再根據功能關系定量求出外力所做的功即為機械能的變化量，得到結論。

本題要求學生分析情景，找出合理解決問題的規(guī)律，根據規(guī)律進行定量推理，形成結論，思維過程渾然一體，是全面考查科學推理能力的典型題目。

考查科學推理能力的還有第16題，需要選用牛頓第二定律、胡克定律、運動規(guī)律等進行演繹推理，形成結論，并用圖像合理表達出來。

2.3 科學論證

科學論證要求具有使用科學證據的意識和評估科學證據的能力，能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測。

例4：2017年，人類第一次直接探測到來自雙子星合并的引力波。根據科學家復原的過程，在兩顆中子星合并前約100s時，它們相距約400km，繞二者連線上的某點每秒轉12圈。兩顆中子星都看作質量均勻分布的球體，由這些數據、萬有引力常量并利用牛頓力學知識，可以估算出這一時刻兩顆中子星( )。

A. 質量之積 B. 質量之和

C. 速度之和 D. 各自的自轉角速度

2.4 質疑創(chuàng)新

質疑創(chuàng)新要求學生具有批判性思維能力，能基于證據大膽質疑，從不同角度思考問題，追求創(chuàng)新。

例5：圖2中虛線a、b、c、d、f代表勻強電場內間距相等的一組等勢面，已知平面b上的電勢為2V。一電子經過a時的動能為10eV,從a到d的過程中克服電場力所做的功為6eV。下列說法正確的是( )。

圖2

A. 平面c上的電勢為零

B. 該電子可能到不了平面f

C. 該電子經過平面d時，其電勢能為4eV

D. 該電子經過平面b時的速率是經過d時的2倍

分析：根據題意，推理得到相鄰等勢面電勢差為2V后，很多學生受思維定勢影響，以為電子沿著垂直于等勢面進入，則電子從a到f克服電場力做功為8eV，電子到f面后還具有的動能為2eV，能達到f面，而錯誤地排除了B選項。只要學生能大膽質疑、從不同角度思考，不難發(fā)現電子不一定沿垂直等勢面方向進入，若電子沿著與等勢面成不為90°的角度射入，只要電子在沿等勢面方向上的分速度大小合適，完全有可能達到d面而不能達到f面。批判與質疑的精神在本題解答中顯得非?？少F，跳出思維定勢從不同角度思考問題尤為重要。

3 結語

理想模型的建構是基于經驗和事實的抽象概括過程。在課堂教學中應引導學生從物理學的視角觀察生活現象，針對實際現象排除次要、表象的因素，抽取主要因素，形成理想化模型，再依據物理原理解決問題。建立模型在解決實際問題中成為關鍵一步，教師遇到學生沒有接觸過的情景、需要抽取主要因素形成模型的問題時，要做好示范，合理聯想、抓住主要因素、直觀地呈現思維過程。經常這樣做會使學生逐步學會在新情景中抽取有效信息，還原問題情景，找準思維的著力點，建立模型，展開推理和論證。推理過程完成后，教師帶領學生一起回顧整個科學推理過程，明確指出教學過程中運用的控制變量推理、歸納推理、類比推理等方法，梳理、顯化科學推理方法，方便學生理解，并在相似的問題情境中進行遷移。

培養(yǎng)學生的證據意識，養(yǎng)成先找出證據、再依據規(guī)律論證、最后得出結論的問題解決習慣。為了評估每個證據對問題解決是否有效，我們不妨在題目中設置干擾信息、冗余信息，讓學生在實際運用過程中學會辨別和評估?？梢酝ㄟ^一題多解引導學生從不同角度研究問題，也可以通過開放性的問題情景，鼓勵學生展開聯想、大膽創(chuàng)新。