高考物理探究性試題的主要類型及解決策略①

朱行建

(天津經濟技術開發區教育促進中心 天津 300457)

羅 成

(烏拉特前旗第一中學 內蒙古 巴彥淖爾 014400)

高考物理探究性試題的主要類型及解決策略①

朱行建

(天津經濟技術開發區教育促進中心 天津 300457)

羅 成

(烏拉特前旗第一中學 內蒙古 巴彥淖爾 014400)

重視科學探究是我國新一輪基礎教育改革的核心，考試評價是考查落實科學探究的最有效方式之一．高中階段的終結性測試——高考亦重視對科學探究能力的考查，因此，孕育并產生了一類新題型——探究性試題．所謂物理探究性試題就是以實驗或生活中常見的物理現象為探究對象，要求考生圍繞問題展開探究活動，進而解決問題的一類試題[1]．探究性試題改變了常規的思維模式，其思維流程由定向性思維轉向發散性思維與創造性思維，要求被試者根據已知情景進行觀察、猜想、分析、歸納、遷移、推理或綜合應用相關知識．探究題能考查被試者對知識與技能的掌握程度，還能考查對過程與方法的理解深度，更能有效甄別情感態度價值觀的滲透厚度．解決這類試題，考生須具備扎實的物理知識和較強的閱讀理解、分析推理、實驗設計、歸納總結等能力，因而成為教學備考中的難點．欲軟化這一難點，對探究性試題的特點進行科學分類并探索解決策略是有效的方式之一．

探究性試題進行科學分類首先要考慮分類的標準，若分類的標準不同，則分類的結果就不同．如根據考生親歷探究過程的完整性，探究可分為完整的探究和部分的探究；根據試題在探究環節中對考生行為的引導程度，探究可分為指導型探究和開放型探究；根據考查目標及呈現形式，探究可分為思維探究和實驗探究；根據試題結構特性，可分為條件探究題、結論探究題、方法探究題．這樣的幾種分類均未結合物理學科的特點，本文基于物理學科特點，將探究性試題具體分類為5種主要類型，結合案例分析其命題特點并給出相應的解決策略，以供讀者參考．

1 對物理現象的探究

1.1 “物理現象探究題”案例分析

1.2 “物理現象探究題”命題特點與解決策略

對物理現象展開探究是高考命題的常用思路，與此相關的試題亦是常考常新．基于試題的三要素(情境材料、問題設計和測驗目標)，對物理現象探究題的特點進行總結，如圖1所示．

圖1 物理現象探究題特點

在設計“物理現象探究題”時，首先遇到的問題是如何選取探究的素材，只有符合考生實際的好素材能夠激發考生探究的欲望．在高考測試中，素材選取的途徑主要有：

(1)從物理學史中選取有重大歷史意義的裝置與儀器；如科學家奧斯特之所以能提出“電流磁效應”，是始于他對南北方向放置的通電導線旁邊的小磁針發生了“轉動”這一物理現象的探究，諸如此類的事例在物理學發展史中比比皆是．

(2)對教材上探究過的問題加以改變，增添新意；

(3)從科技、科普資料或新聞報道中挖掘素材．在日常教學中摭選部分具有代表性的發現、發明為素材進行再加工，或者對教材中涉及的一些探究、探索類問題改組之后運用于練習中，可讓考生用不同的知識方法解決，或從不同的角度思考探究．在平常多關注新聞或前沿科學信息，例如，航天事件、體育賽事等STS問題編入模擬試題，可使考生靈活應用所學的物理知識和物理方法解決“物理現象探究類”問題．

2 對物理過程的探究

2.1 “物理過程探究題”案例分析

物理過程是物理現象變化的過程，能否準確、清晰地分析物理過程，學會對物理過程的處理方法是解決物理問題的關鍵，反映出考生分析、解決問題能力的高低．例如2014北京卷第20題，選取“負折射率材料”展開探究，提出問題：若該材料對于電磁波的折射率n=-1，請考生選擇正確反映電磁波穿過該材料的傳播路徑的示意圖．試題提出一個折射率可以為負值的物理問題，這一問題對于考生而言是陌生的．光的折射的物理過程是怎樣的呢？要求考生進行物理過程的探究，考生可以利用所學的知識進行遷移解決問題，因為折射率為負，所以入射光線、折射光線應該在同一側，同時，折射角應該與入射角相同．又如2016年北京卷第24題，試題取材源于教材又高于教材，平實、親切、可感悟實驗，設問則以小球斜射板進階到光斜射介質小球，側重物理過程的探究，將理解、推理、實驗、應用、探究能力融于一體．做到了取材、考查知識與能力、學科素養、考查目標與意義的和諧統一．

2.2 “物理過程探究題”命題特點與解決策略

“物理過程探究題”類問題首先要根據試題提供的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，試圖讓考生在解決問題的過程中經歷一次科學探究的過程．當前高考物理試題中對“物理過程探究題”多數是綜合題、創新題，其目的就在于現場考查考生的思維過程，觀察考生綜合運用所學知識分析問題和解決問題的思維過程，從而評判學習能力的高低．“物理過程探究題”的結構包括兩大部分：題頭是試題開頭的敘述部分，包括提供的信息或探究所必需的部分材料和所要探索的問題；題干是試題核心部分，主要包含探索過程，內容包括假設(或猜想)、探索方案和一系列的探索問題等[3]．基于試題結構可以得出解決策略：提取題頭已知的核心信息與比較熟悉的物理知識或物理模型做類比；選取與題頭提供信息類似的物理知識或物理過程進行對問題的分析解答．

3 對物理實驗的探究

3.1 “物理實驗探究題”案例分析

“物理實驗”是人們根據物理學研究的目的，盡可能地排除外界的影響，突出主要因素并利用科學儀器設備，而人為地變革、控制或模擬研究對象，使物理現象(或過程)發生或再現，從而認識自然現象、自然性質、自然規律的一種科學活動．高考測試中對“物理實驗”的探究主要是以實驗題的題型呈現，因為大多數情況下科學探究離不開實驗．例如2016江蘇卷第10題通過實驗探究某一金屬電阻的阻值R隨溫度t的變化關系．此題與人教版選修3-1模塊“導體的電阻”一節中的探究性實驗“探究導體電阻與其影響因素的定量關系”有所不同，本實驗中采用了替代法測電阻，教材中采用伏安法測電阻．考生對伏安法測電阻的原理比較熟悉，但對替代法測電阻比較陌生，這就需要考生靈活運用所學知識(歐姆定律)解決問題．教材中通過實驗探究導體的電阻與它的長度、橫截面積及它的材料等因素的定量關系，而試題則換思路探究金屬電阻隨溫度的變化關系．類似的如2016新課標Ⅲ卷第23題探究物體加速度與其所受合外力之間的關系．2016北京卷第19題探究用不同的方法測定干電池的電動勢和內阻，選項提供4種器材組合，讓考生對實驗方案進行評估，哪種器材組合最不可取．

3.2 “物理實驗探究題”命題特點與解決策略

“物理實驗探究題”特征明顯，通常根據設計方案恰當選擇器材，擬定合理的實驗步驟，正確處理實驗數據，得出實驗結論．實驗方案的設計是創設探究性實驗試題的一種重要思路之一，“方案設計型”探究試題通常是以熟悉的物理實驗為背景，給出要研究的問題，要求考生首先要能理解題意，然后根據已學過的基礎知識和基本技能設計方案，最后給予解答．這與科學探究中的方案設計、分析論證、表達交流等能力有較高的契合度，是典型的物理實驗探究的考查．實驗題中設計“物理實驗”的探究主要以半自主探究為主，具體來說，試題的原理和裝置源自教材，只是在基本原理與基本裝置上進行局部的探究，在復習備考中教師應有意識地讓考生在實驗中發現問題，進行探究，考生每完成一次實驗，讓他們弄清實驗的設計原理和設計方案，完成該實驗還有哪些新方案，該實驗還有哪些其他用途，以提高考生的創新設計能力；考生應掌握基本實驗方法，并能將這些方法靈活遷移到新的實驗中去解決問題，不但平時要重視考生探究性實驗，而且在高考復習中也要帶著問題進實驗室；教師要注意將考生實驗中的驗證性實驗、測量性實驗改編為具有特定情境、特定要求的探究性試題，或者從物理專業刊物上引入一些探究性試題，讓考生在訓練中理解科學探究過程，并能將探究方法進行遷移，以提高其實驗探究能力[4]．強調理解知識、掌握方法和培養能力相統一．

4 對物理理論的探究

4.1 “物理理論探究題”案例分析

對“物理理論”的探究就是為現實世界建立數學模型來試圖理解所有物理現象的運行機制，通過物理理論條理化、解釋、預言物理現象．例如2014北京卷第24題對導體切割磁感線的運動可以從宏觀和微觀兩個角度的認識．試題以導線切割磁感線這一簡單情境入手，要求探究出一個合理的自由電子的運動模型，這需要考生深入挖掘其蘊含的物理內涵，從能量轉化、宏觀導體棒運動及微觀電子運動等各方面考查宏觀與微觀的聯系．特別是第3問，把安培力及其微觀含義，即洛倫茲力的理論推導聯系起來，根據所學的知識探究建立出運動的模型，對于考生可能建立如下兩種模型：

第1種是勻加速及碰撞運動模型，即設想電子受洛倫茲力做勻加速運動后，與金屬離子碰撞并將其在加速中獲得的運動量(動量，或者能量)全部轉移給離子；

第2種是勻速運動模型，即從宏觀的動態平衡出發，設想電子以勻速運動，從而其受力平衡，得到離子的平均作用力等于洛倫茲力的結論．

上述兩種方法均建立在考生熟知的運動學基礎之上．本題開放程度高，為理論探究問題的設計開辟了探究性試題命題設計的一條道路．

4.2 “物理理論探究題”命題特點與解決策略

在高考測試中對“物理理論”的探究一般是給出某一物理規律或結論，通過合理的試題情境，讓考生重走“研究現場”，也有讓考生根據條件探索相應的物理理論或物理概念，要求考生利用條件進行合理的猜想，“發現”物理規律、判斷某一新概念的引入是否合理，并給予證明，這類試題主要考查考生的發散思維能力和抽象思維能力．解決該問題主要對物理理論進行“分析與論證”，比如考生能否對收集的信息進行比較；尋找數據之間的相互關系和特征，能否根據有效的數據進行邏輯判斷和批判性思維，從而得出正確結論等；解決該問題還會涉及“評估”環節，評價結論是否符合基本物理原理，并且對物理理論進行修正．

5 對物理方法的探究

5.1 “物理方法探究題”案例分析

所謂對“物理方法”的探究就是運用現有的物理知識對物理做深入的學習和研究，找到解決物理問題的基本思路與方法．

例如2016年新課標Ⅰ卷第25題，試題通過生活中常見的噴泉為情境，貼近考生生活實際，體現了“從生活走進物理，從物理走向社會”的理念．考生對質點、勻變速直線運動等理想化模型比較熟悉，教材中對理想流體的模型雖在“思考與討論”欄目中有過簡單應用，但考生對理想流體模型還是比較陌生的．能否將現有的物理知識遷移到陌生問題中來，這體現出考生的問題解決能力的強弱．面對流體為研究對象的時候，可把它當“固體”看待，這本質上是建模的方法．試題在設問中還用到微元法，如第1問，設極短時間Δt，則在極短時間Δt噴出水的體積為Sv0Δt，其質量為Δm=ρSv0Δt，進而求得噴泉單位時間內噴出的水的質量ρSv0；第2問，則要以極短時間Δt內噴出的水為研究對象，運用動量定理、平衡條件和動能定理進行求解．顯然，本題探究問題解決的物理建模與微元法是關鍵之所在．

又如2015年北京卷第23題第2問中題干提出分析物理量的數量級，是解決物理問題的常用方法，在第3問中又指明用類比法建立“重力勢”的概念．

再如2012年北京卷第20題以“約瑟夫森結”輻射電磁波為情境，依托單位制為突破口，考查物理方法，主要考查考生的理論探究能力[5]．

5.2 “物理方法探究題”命題特點與解決策略

“物理方法”的探究題通常指題目的條件和結論是已知的或部分已知，有些題目中會直接指明探索某一問題的物理方法，有些題目則需要探索解決問題的方法或設計解題方案．這類試題的解決方法不唯一，解題路徑不明確，解決問題時考生必須根據已有的知識、物理事實和條件，運用恰當的方法(如觀察、類比等)，進行邏輯推理和論證，綜合與遷移運用所學知識，建立合理的物理模型，對新穎的物理情境做出正確的判斷，從而使問題得以解決，這類試題具有綜合性強、包容度大，思維要求高的特點，因此在高考測試中以計算題的形式呈現．

6 結束語

科學探究是新課程的一個亮點，同時亦是大家所討論的熱點．在《普通高中物理課程標準》中雖然指出了科學探究的幾個要素，但是科學探究并不僅僅是實驗探究，還可以是物理現象探究、物理過程探究、物理理論探究和物理方法探究，科學探究不僅僅是一種科學活動，更是一種科學精神．高考物理探究性試題的綜合應用性強，具有明顯的學科特點，它能有效地檢驗考生對相關物理基礎知識的掌握情況，又能反映出考生靈活運用所學知識的能力，對考查考生的科學素養特別有效，因而備受高考命題者青睞．我國高考的地位和重要性決定了它對中學教學強有力的反撥作用，只有全面、辯證地認識科學探究的內涵和外延方可利于中學物理教學與高考備考，進而促進探究精神落地生根．

1 孫寶英，陳超君.探究性物理試題的特征與編制策略研究.中學物理教學參考，2010(1-2)：2～6

2 惠永，邢紅軍.從“物理現象”入手提高考生解決實際問題的能力一例.物理通報，2006(2):33～34

3 劉全明.試談化學探究性試題的組成、結構、分類和解法.化學教育，2008(4)：42～49

4 謝伯仁.近年高考探究性考題的類型及特點.物理通報，2012(11):94～96

5 丁慶紅.談高考物理試題的探究性.中國考試，2012(11):28～33

2016-11-09)

①《物理通報》天津工作室供稿