同源高考題和競賽題的比較研究

摘 要：一道天津理綜卷高考題和一道全國中學生物理競賽復賽題，同樣以電磁軌道炮為原型改編而來，主要從培養學生核心素養的層面，比較研究它們的異同，提出學科特長生參加競賽與高考不矛盾，欠發達地區更應借助競賽，培養學科特長生。

關鍵詞：物理競賽;核心素養;學科特長生

2009年《變形金剛Ⅱ：卷土重來》上映，相信看過的朋友對于擊毀入侵地球機器人大力神的威力巨大的新型武器——電磁軌道炮印象深刻。以電磁軌道炮為原型的題目，2017年出現在天津高考理綜卷，2019年又出現在第36屆全國中學生物理競賽（簡稱CPHO）復賽試題中。

1原題展示

1.1 2017年高考天津理綜試卷12題

（20分）電磁軌道炮利用電流和磁場的作用使炮彈獲得超高速度，其原理可用來研制新武器和航天運載器。電磁軌道炮示意如圖，圖中直流電源電動勢為E，電容器的電容為C。兩根固定于水平面內的光滑平行金屬導軌間距為L，電阻不計。炮彈可視為一質量為m、電阻為R的金屬棒MN，垂直放在兩導軌間處于靜止狀態，并與導軌良好接觸。首先開關S接1，使電容器完全充電。然后將S接至2，導軌間存在垂直于導軌平面、磁感應強度大小為B的勻強磁場（圖中未畫出），MN開始向右加速運動。當MN上的感應電動勢與電容器兩極板間的電壓相等時，回路中電流為零，MN達到最大速度之后離開導軌。問：

（1）磁場的方向;

（2）MN剛開始運動時加速度a的大小;

（3）MN離開導軌后電容器上剩余的電荷量Q是多少。

1.2 2019年第36屆全國中學生物理競賽復賽第三題

（40分）某電磁軌道炮的簡化模型如圖a所示，兩圓柱形固定導軌相互平行，其對稱軸所在平面與水平面的夾角為θ，兩導軌的長均為L、半徑均為b、每單位長度的電阻均為l，兩導軌之間的最近距離為d（d很小）。一質量為m（m較小）的金屬彈丸（可視為薄片）置于兩導軌之間，彈丸直徑為d、電阻為R，與導軌保持良好接觸。兩導軌下端橫截面共面，下端（通過兩根與相應導軌同軸的、較長的硬導線）與一電流為I的理想恒流源（恒流源內部的能量損耗可不計）相連。不考慮空氣阻力和摩擦阻力，重力加速度大小為g，真空磁導率為μ0，考慮一彈丸自導軌下端從靜止開始被磁場加速直至射出的過程。

（1）求彈丸在加速過程中所受到的磁場作用力;

（2）求彈丸的出射速度;

（3）求在彈丸加速過程中任意時刻、以及彈丸出射時刻理想恒流源兩端的電壓;

（4）求在彈丸的整個加速過程中理想恒流源所做的功;

（5）在θ=0的條件下，若導軌和彈丸的電阻均可忽略，求彈丸出射時的動能與理想恒流源所做的功之比。

2.比較研究

2.1共同點

2.1.1源于前沿科技，構建真實情景

兩道題源于前沿科技，基于經驗事實，來構建真實情境，考察了學生“建構理想模型的抽象概括”的科學思維、“獲取和處理信息、基于證據得出結論”的科學探究精神;檢驗了學生是否能正確理解科學、技術和生產的關系，是否具有實事求是和學以致用的科學態度與責任。

2.1.2注重基礎性，考查必備知識

全國中小學教材審定委員會2004年通過的廣東教育出版社出版的物理教材選修3-1，“實踐與拓展”部分向同學們介紹了電磁炮，要求收集電磁炮的研究進展資料，提出改進意見并寫一篇小論文。兩道題亦出自于課本，注重基礎性，考查必備知識，如安培力、牛頓第二定律、勻變速直線運動速度-位移公式、歐姆定律、法拉第電磁感應定律、動量定理、能量守恒定律等重點知識。

2.1.3注重探究性，考查學生的創新意識

2017年高考天津理綜試卷12題第3問，在經歷了一個電流變化的過程后求解電容器上剩余的電荷量，需要學生尋找到三個新的聯系，建立一個關于“剩余的電荷量Q2”的方程組求解出來。

2019年第36屆全國中學生物理競賽復賽第三題第3問，需要將“彈丸、導軌和恒流源”視為一個閉合回路，對其所圍面積的磁通量求一個定積分，然后應用法拉第電磁感應定律求感應電動勢，是本問的突破口。

兩道題目在真實情境的基礎上，都設計了全新的問題供考生去探究，考察了學生的創新意識。學生需要具有批判性思維，能基于證據大膽質疑，從不同角度思考問題，追求科技創新，從而創造性的解決新問題。

2.1.4注重核心素養，指引教學方向

2019年第36屆全國中學生物理競賽復賽第三題第5問解答如下：

“當外電阻等于內電阻時，輸出最大功率且輸出效率為50%”的知識可以遷移到此處，“50%”是該電源的輸出效率。現代物理的能量觀念，在此得到體現。研究解題過程發現，兩道題目要求學生準確把握物理觀念，要有清晰流暢的科學思維、過硬的科學探究能力。高考和競賽都指引髙中教師和學生重視核心素養的培養與提升。

2.2不同點

2.2.1物理競賽需要更多更深的數學知識支撐。

例如三角函數、函數求極值、不等式、簡單的微積分和向量計算有關知識等。

2.2.2物理競賽需要更廣更深些的物理知識支撐。

這些物理知識都源自高中知識，比如本文中提到的這道40分的競賽題，其實只有一個知識點超出高中范圍，它是由畢奧-薩伐爾定律導出的無限長直載流導線周圍的磁場公式：

2.2.3物理競賽對學生的學科核心素養提出了更高的要求。

競賽學生除了要有準確的物理觀念、深厚的科學思維、過硬的科學探究能力之外，還必須具有“學習和研究物理的好奇心與求知欲，能主動與他人合作，尊重他人，能基于證據和邏輯發表自己的見解，實事求是，不迷信權威”的科學態度和“舍去浮華、堅韌不拔、追求卓越”的科學精神。

3.研究結論

3.1學科特長生參加競賽與高考不矛盾

3.1.1競賽和高考學習時間不沖突。

學科特長生應該有更強的學習力和更高效的學習方法，擠出時間來，自主學習競賽內容。學科特長生也應該有一顆追求卓越之心，耐得住寂寞，充分利用節假日的時間來投入競賽。

3.1.2競賽和高考內容不沖突。

競賽知識源于高中教材高于教材，學科特長生需要超前學習必備競賽知識。這些高于教材的競賽知識會反過來助力更好的理解掌握高考知識。例如初步的微積分能幫助學生很好的理解速度的變化率是加速度、單匝線圈磁通量的變化率是感應電動勢、電場強度E和一維位移X組成的E-X圖像中面積的物理意義是電勢差等。

3.1.3競賽和高考兩方面的學習相輔相成

2020年1月，《教育部關于在部分高校開展基礎學科招生改革試點工作的意見》印發，決定自2020年起，在部分高校開展基礎學科招生改革試點（也稱強基計劃）。強基計劃的考核錄取方案要求，學科特長生必須兼顧高考和競賽。在高考備考中，掌握好眾多基礎學科的知識;在競賽學習中，發揮自己的學科特長。高考學習為競賽打下堅實的基礎，競賽中習得的更高品質的核心素養助力學好每一門其它學科。

3.2欠發達地區更應借助競賽，培養學科特長生

全國中學生物理競賽的目的是激發學生學習物理的興趣和主動性，促使他們改進學習方法，增強學習能力，提高物理思維品質;幫助學校開展多樣化的物理課外活動;發現具有突出才能潛質的青少年，以便更好地對他們進行培養。[1]中學生物理競賽的指導思想與培養創新人才的理念驚人一致。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中指出：“中國未來發展、中華民族偉大復興，關鍵靠人才，基礎在教育”，明確提出要探索高中階段拔尖人才的培養模式。[2]

華南師大附中汕尾學校，處在廣東省經濟和教育欠發達地區。學校秉承“以人為本，持續發展”辦學理念和“培養為民族復興而努力學習的時代新人”的育人目標，整合學校、教師、家庭和社會資源，制定行之有效的“選拔——培養——獎勵”學科特長生的學校制度。在各年級選拔隊員，組建競賽集訓隊，集中學習輔導。學科組抽調骨干教師，組成教練團隊。廣泛開展校內學科競賽，鼓勵并創造條件參加全國各類學科競賽，為拔尖人才打造更高平臺，助力學科特長生的培養，在學科競賽和高考自主招生方面取得了初步的成果。

參考文獻：

[1]葉沿林.全國中學生物理競賽與國際奧林匹克物理競賽[J].物理，2012，41（08）：519-523.

[2]中共中央，國務院.國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）[Z].2010-07-29.

作者簡介：吳正文，男，1978年12月，湖北黃岡，漢族，大學本科，高級中學一級教師，研究方向：高考和學科競賽。