品析真題 培養(yǎng)批判性思維能力①
——高考物理中回旋加速器試題剖析與啟示

薛 甫

(江蘇省睢寧縣教師發(fā)展中心，江蘇 徐州 221200)

1 引言

引導(dǎo)教學(xué)是高考評價體系的核心目標(biāo)之一，是基礎(chǔ)教育對高考的現(xiàn)實需求。通過優(yōu)化試卷結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新試題設(shè)計，降低大量刷題、機械訓(xùn)練的收益，切實減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力。有的高考試題以課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中的典型問題為考查情境，引導(dǎo)教學(xué)遵循課程標(biāo)準(zhǔn)，回歸教材的同時不斷創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的信息獲取與加工、推理論證、模型構(gòu)建等批判性思維能力和創(chuàng)新能力。

以回旋加速器為情境，考查帶電粒子在電磁場中的運動問題常以壓軸題出現(xiàn)，且都在基礎(chǔ)模型上有所創(chuàng)新，起到了良好的考查效果和引導(dǎo)作用。筆者以2011年江蘇卷第15題、2016年江蘇卷第15題、2021年江蘇省第一次適應(yīng)性考試第16題為例進(jìn)行了統(tǒng)計分析(表1)，與同行交流。

表1

2 回歸教材，追本溯源

在2019年版人教版高中物理選擇性必修第二冊中給出了回旋加速器的理想模型，在物理教學(xué)中通常將回旋加速器進(jìn)行必要的簡化，如忽略帶電粒子的加速時間、高能粒子的相對論效應(yīng)等，這些簡化突出了回旋加速器的基本原理，有利于學(xué)生在具體情境中應(yīng)用物理原理。但是，這些簡化也會讓學(xué)生產(chǎn)生“思維慣性”，缺乏多角度思考問題的思辨意識與能力。近幾年高考試題對長期形成的“固化模式”進(jìn)行了反撥，試題更加趨近實際情境，考查學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)新能力。在回旋加速器的復(fù)習(xí)教學(xué)中，有必要讓學(xué)生親歷過程，厘清核心問題，學(xué)以致用，形成結(jié)構(gòu)化的知識體系和關(guān)鍵能力。

2.1 回旋加速器的發(fā)明過程

人教版高中物理必修第三冊指出：“在現(xiàn)代科學(xué)實驗和技術(shù)裝備中，常常利用電場來改變或控制帶電粒子的運動?！比欢?，獲得高能粒子的加速器會遇到特高電壓的技術(shù)難題。若采用多級加速器，則面臨加速器裝置很長的空間局限。為滿足高能粒子的加速需求，科學(xué)家創(chuàng)造性地設(shè)計了用電場加速、用磁場控制運動軌道的回旋加速器，重溫回旋加速器的發(fā)明過程提供了培養(yǎng)學(xué)生批判性思維意識的良好時機。

2.2 粒子通過D形盒盒縫間的時間可以忽略的條件

2.3 粒子回旋半徑變化規(guī)律

圖1

2.4 在磁場中回旋周期與交變電壓周期的關(guān)系

若不考慮粒子在電場中的加速時間，粒子在磁場中回旋半周的時間理論上應(yīng)等于交變電壓的周期。事實上，粒子每次在加速電場中運動時間逐漸減少，使得加速頻率與回旋頻率不匹配，另外，高能粒子因相對論效應(yīng)使得質(zhì)量發(fā)生改變，影響粒子回旋頻率，也會導(dǎo)致加速頻率與回旋頻率不匹配。因此，提高加速頻率與回旋頻率匹配度是回旋加速器效率提高的有效策略之一。從多個角度審視結(jié)論，促使學(xué)生進(jìn)行深度思考，提出創(chuàng)造性的見解，從而使學(xué)生批判性思能力向高階發(fā)展。

3 細(xì)處切入，守正創(chuàng)新

高考試題在為國家選拔創(chuàng)新人才的同時，引導(dǎo)高中教學(xué)走出“機械刷題”“重復(fù)訓(xùn)練”的“題?！惫秩?，要求試題命制者從不同的角度在基本模型的細(xì)微之處進(jìn)行創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生重視信息獲取、推理論證、模型構(gòu)建，靈活運用物理原理和方法解決實際問題。

3.1 試題創(chuàng)新1

考慮到粒子在電場中的加速時間，試題對粒子運動模型的構(gòu)建等提出了要求。如在江蘇卷2016年第15題的題干中明確提出：“現(xiàn)考慮粒子在狹縫中運動的時間”，同時“假設(shè)能夠出射的粒子每次經(jīng)過狹縫均做勻加速運動”。為學(xué)生構(gòu)建粒子在電場中做不連續(xù)的勻加速直線運動模型提供了抓手。2021年八省市第一次適應(yīng)性考試江蘇卷第16題在此基礎(chǔ)上再次創(chuàng)新，表述如下：加速電場的長度為L,粒子在電場中的加速時間顯然不能忽略，一束粒子在加速器中的運動軌道猶如跑道，最后飄入的粒子將比最先飄入的多運動一圈，實質(zhì)上考查了學(xué)生對于先后進(jìn)入的粒子在回旋加速器空間中的追及情境的想象能力和運動模型的構(gòu)建、數(shù)理融合運用能力等，有較高的區(qū)分度。

3.2 試題創(chuàng)新2

3.3 試題創(chuàng)新3

采用直流電壓加速，在每個周期加速次數(shù)方面也進(jìn)行了創(chuàng)新。如2021年八省市第一次適應(yīng)性考試江蘇卷第16題的表述如下：粒子先在勻強電場中加速后，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場再進(jìn)入無電磁場區(qū)域做勻速直線運動，再經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁場后進(jìn)入電場被加速，運動軌跡如跑道。此題的設(shè)計在基礎(chǔ)模型上對運動模型、粒子源的位置、加速電壓等處進(jìn)行了創(chuàng)新，體現(xiàn)了綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性的考查要求。

其他的高考物理題從粒子源的位置、狹縫變?yōu)樾】?、磁感?yīng)強度的變化、高能粒子的引出方法、回旋加速器的結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行創(chuàng)新，這些都在引導(dǎo)學(xué)生重視對物理概念、規(guī)律的理解。

4 深入研究，深刻領(lǐng)會

4.1 深入研究高考精品試題，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

我國恢復(fù)高考制度以來，出現(xiàn)了許多精品物理試題，這些都是高考復(fù)習(xí)備考的優(yōu)質(zhì)資源。教師應(yīng)深入研究這些精品試題，把握命題方向，引導(dǎo)高考復(fù)習(xí)教學(xué)。教師將好的試題思路吸收內(nèi)化，運用到平時的習(xí)題編制中，提高教學(xué)效果和自身的專業(yè)素養(yǎng)。新高考對批判性思維和創(chuàng)新能力提出了考查要求，引導(dǎo)教師更新教育理念，整合教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)學(xué)科教學(xué)體系。帶電粒子在電磁場中的運動是高中物理的主干知識，在“無情境不命題”的背景下，教師應(yīng)以高考中出現(xiàn)的回旋加速器或質(zhì)譜儀等試題為例，分析試題考查要求、命制的切入點，將試題進(jìn)行改編、創(chuàng)新，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

4.2 深刻理解我國高考評價體系，感悟高考評價對高中物理教學(xué)的反撥功能

引導(dǎo)教學(xué)是基礎(chǔ)教育對高考的現(xiàn)實要求，需發(fā)揮高考的正面引導(dǎo)作用，對教學(xué)具有反撥功能，反題海戰(zhàn)術(shù)、反押題戰(zhàn)術(shù)、反題型套路、反機械刷題是反撥功能的具體體現(xiàn)。1977年恢復(fù)高考后，高考試題命制經(jīng)歷了從知識立意到能力立意的轉(zhuǎn)變，再到“價值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重，知識為基”的理論體系構(gòu)建。經(jīng)過近幾年的實踐檢驗，我國高考評價體系實現(xiàn)了素質(zhì)教育與考查內(nèi)容、考查目標(biāo)的對接，發(fā)揮了高考作為基礎(chǔ)教育的指揮棒作用，對教育教學(xué)有積極的正面引導(dǎo)作用。近幾年以情境為載體的高考試題讓一線師生深切感受到了“機械刷題、反復(fù)訓(xùn)練”的方式是高耗低效、收益甚微的教學(xué)模式，從而引導(dǎo)他們調(diào)整教學(xué)策略，摒棄題海戰(zhàn)術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生從解題向問題解決的轉(zhuǎn)變。各地教育主管部門和教研機構(gòu)也應(yīng)將高考評價的理念向初中、小學(xué)階段滲透，積極探索各學(xué)段有效銜接的一體化培養(yǎng)模式，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

以我國高考評價體系為綱領(lǐng)，品析高考真題，回歸教材，挖掘考查的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力，為培養(yǎng)國家急需的創(chuàng)新型人才，這是高中物理教學(xué)中要始終堅守的方向。