科學(xué)思維在近3年高考北京物理題中的體現(xiàn)*

黃琭琰 吳廣國(guó)

(中央民族大學(xué)理學(xué)院 北京 100081;北京景山學(xué)校 北京 100006)

鄒斌

(中央民族大學(xué)理學(xué)院 北京 100081)

“核心素養(yǎng)”是學(xué)生應(yīng)具備的符合其自身發(fā)展和社會(huì)需要的品格和能力.物理學(xué)科核心素養(yǎng)在高中物理中主要分為物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4部分內(nèi)容.其中，科學(xué)思維是在學(xué)生身上最直觀體現(xiàn)的學(xué)習(xí)結(jié)果，最易于研究者們觀察、測(cè)評(píng)的[1].科學(xué)思維在提升學(xué)生科學(xué)探究與問(wèn)題分析能力上起著關(guān)鍵性作用，并對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)有深刻影響[2].

本文主要分析了近3年高考北京物理考試題，著重討論物理學(xué)科核心素養(yǎng)的科學(xué)思維在其中的體現(xiàn).

1 近3年高考北京物理題中對(duì)科學(xué)思維的考查

在碰到一個(gè)物理問(wèn)題時(shí)，首先要根據(jù)已知的條件進(jìn)行抽象概括從而構(gòu)建模型.模型的構(gòu)建有多種方法，考題中最常考查的是學(xué)生是否能利用已學(xué)的模型，對(duì)新接觸的問(wèn)題進(jìn)行類似模型的構(gòu)建(如：由電勢(shì)類比得出重力勢(shì)).然后對(duì)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)合理的推理和論證，可以通過(guò)定性或定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推理論證，也可以通過(guò)尋找實(shí)驗(yàn)規(guī)律得出結(jié)論(如：牛頓第一定律的論證).最后用批判的眼光對(duì)所得的結(jié)果進(jìn)行質(zhì)疑，反復(fù)論證、討論去驗(yàn)證結(jié)果，從不同的角度看待問(wèn)題進(jìn)而對(duì)結(jié)果及探究過(guò)程進(jìn)行討論并升華.

近3年，開(kāi)放型題目已經(jīng)成為北京高考物理的熱點(diǎn)題型.開(kāi)放型題目常常需要學(xué)生從題目中獲取相關(guān)信息并加工處理[3]，抓住解題的關(guān)鍵語(yǔ)句，根據(jù)題目建立有效的模型使題目清晰化.

如2016年高考北京理綜非選擇題第23(3)小題，題目先是要求寫出電勢(shì)的定義式，為后面的問(wèn)題打下鋪墊，再給出一定提示：“類比電勢(shì)的定義方法，在重力場(chǎng)中建立‘重力勢(shì)’的概念”，讓學(xué)生通過(guò)類比法，探究“重力勢(shì)”這個(gè)未曾學(xué)習(xí)過(guò)的概念模型，達(dá)到考查學(xué)生模型構(gòu)建能力的目標(biāo).

又如2015年高考北京理綜第23題第(2)問(wèn)，題目重點(diǎn)考查的是求解彈力與滑動(dòng)摩擦力做的功，但在最后又向考生提出疑問(wèn)：“與彈力做功比較，說(shuō)明為什么不存在與摩擦力對(duì)應(yīng)的‘摩擦力勢(shì)能’的概念”.這與其他幫助學(xué)生進(jìn)行模型建立的題目不同，出題人利用反問(wèn)的形式，使學(xué)生明白某些模型是不能類比建立的.在本題中，由于彈力是保守力，而摩擦力是非保守力，所以二者在勢(shì)能這方面不能通過(guò)類比進(jìn)行“摩擦力勢(shì)能”的模型構(gòu)建.因此，學(xué)生在使用類比法進(jìn)行模型構(gòu)建的過(guò)程中，一定要注意分析兩者在當(dāng)前條件下是否能進(jìn)行類比構(gòu)建.

在建立了簡(jiǎn)單清晰的模型之后，就需要通過(guò)推理論證得出答案.歸納和演繹推理是學(xué)生常用的推理方法，結(jié)合邏輯與科學(xué)進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，最終得到問(wèn)題解決[4].高考物理中最能體現(xiàn)科學(xué)推理論證的題目是選擇題，即通過(guò)題目給出的某些語(yǔ)句，結(jié)合已學(xué)知識(shí)，對(duì)選項(xiàng)進(jìn)行推理判斷.

如2017年高考北京理綜選擇題第20題，這道題目表面上內(nèi)容是非常新穎的，但學(xué)生可以根據(jù)題目中“類似于楊氏干涉實(shí)驗(yàn)中的雙縫”這樣的句子，聯(lián)系所學(xué)雙縫干涉知識(shí)：兩列相干波頻率必須相等，就能對(duì)選項(xiàng)“B.導(dǎo)航利用了λ1與λ2兩種無(wú)線電波之間的干涉”進(jìn)行排除；又可以根據(jù)題目中的語(yǔ)句“當(dāng)接收到λ1與λ2的信號(hào)都保持最強(qiáng)時(shí)”，并聯(lián)系生活常識(shí)：飛機(jī)著落軌道必須唯一且準(zhǔn)確，就能推斷出選項(xiàng)“C.兩種無(wú)線電波在空間中的強(qiáng)弱分布穩(wěn)定”為正確選項(xiàng).

在此題的作答過(guò)程中，筆者利用作圖工具作出了飛機(jī)降落無(wú)線電波干涉信號(hào)導(dǎo)航圖(圖1)，圖中粗實(shí)線表示λ1信號(hào)的波峰，細(xì)實(shí)線表示λ2信號(hào)的波峰，為使圖像看起來(lái)更簡(jiǎn)潔，作圖過(guò)程中省略了二者的波谷信號(hào).圖中已用粗細(xì)線段分別表示出兩種干涉波的各級(jí)干涉加強(qiáng)點(diǎn)的連線.圖1(a)中λ1與λ2之比為1∶1.3，兩者的信號(hào)加強(qiáng)波不存在重合的情況，可以從圖中明確看到，二者的干涉加強(qiáng)只在兩信號(hào)源連線的中垂線上(零級(jí)干涉)是重合的，因此飛機(jī)的降落路徑只能是唯一且正確的.

但是在畫圖過(guò)程中還可以發(fā)現(xiàn)，如果圖1(b)中λ1與λ2之比為1∶1.5，此時(shí)λ1信號(hào)的三級(jí)波峰與λ2信號(hào)的二級(jí)波峰重合，這就導(dǎo)致λ1的三級(jí)加強(qiáng)與λ2的二級(jí)加強(qiáng)重合.因此，當(dāng)λ1與λ2之比為整數(shù)倍時(shí)，飛機(jī)降落軌道可能不唯一.因此，該考題題目可以將λ1與λ2之比限定一下，以提高題目的創(chuàng)新性和對(duì)考生的區(qū)分度.

圖1 飛機(jī)降落無(wú)線電波干涉信號(hào)導(dǎo)航圖

物理課程對(duì)學(xué)生的培育不能僅限于知識(shí)的傳授，還要注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性，為其日后的發(fā)展打下基礎(chǔ)[5].“創(chuàng)造性”學(xué)力的育成不僅僅是靠知識(shí)的習(xí)得與再現(xiàn)的“記憶型”學(xué)力，更要靠能動(dòng)的“思考型”學(xué)力[6].學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)不能做完全的肯定、吸收，對(duì)已有的定論也應(yīng)抱有質(zhì)疑的態(tài)度.學(xué)生在解題的某一環(huán)節(jié)產(chǎn)生了質(zhì)疑，才會(huì)去進(jìn)行探究，在探究的過(guò)程中就會(huì)對(duì)知識(shí)有更深刻的理解，為日后創(chuàng)新打下鋪墊，因此，質(zhì)疑是創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ).

圖2 自由電荷在ab棒中的受力分析

本題看似是對(duì)“洛倫茲力對(duì)自由電荷不做功”這一理論的質(zhì)疑，卻在題目中一步步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考與探究，使得學(xué)生對(duì)微觀洛倫茲力和宏觀安培力有了更深刻的理解.本題不僅展現(xiàn)了出題人題目的創(chuàng)新思維，也體現(xiàn)了北京高考物理試題對(duì)考生綜合能力和創(chuàng)新能力的考查.

近3年高考北京物理試題還有不少非常值得研究的開(kāi)放型題目，在此不再進(jìn)行詳解，通過(guò)列表形式簡(jiǎn)要介紹,如表1所示.

表1 近3年高考北京物理題中涉及的開(kāi)放型題目

2 結(jié)論

近3年高考北京物理試題對(duì)學(xué)生并不僅僅是知識(shí)點(diǎn)的考查，還包含了對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的考查.考查學(xué)生是否在多年的物理學(xué)習(xí)中建立起了科學(xué)思維，實(shí)質(zhì)就是考查學(xué)生是否具備了模型構(gòu)建、推理論證和質(zhì)疑創(chuàng)新的能力.學(xué)生在答案中展現(xiàn)的不僅是他們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握，還有他們的思考過(guò)程.本文列舉的幾道題目對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的考查都十分到位，若學(xué)生只單純地習(xí)得各個(gè)知識(shí)點(diǎn)而不具備科學(xué)思維，就很難抓住題目所給的條件進(jìn)行模型構(gòu)建和科學(xué)地推理論證，就無(wú)法解出題目所求的答案[7].可以看出，近3年的高考北京物理題正逐漸打破封閉式考題的模式，將物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的考查融入考題之中，向更貼近科學(xué)發(fā)展前沿的方向出題，不但要求學(xué)生擁有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，而且要求學(xué)生具備清晰的邏輯思維以及合理聯(lián)想與創(chuàng)新的能力.