近5年高考物理中物理學(xué)史題目的分析*

金鑫宇 寧長春 汪亞平

(西藏大學(xué)理學(xué)院 西藏 拉薩 850000)

物理學(xué)史對于物理教育有許多重要功能：第一,物理學(xué)史本身是物理學(xué)的重要組成部分，讓學(xué)生了解整體的物理學(xué)發(fā)展史，有助于學(xué)生對物理知識體系大邏輯的把握.第二,物理學(xué)史中對于重大科學(xué)問題真實(shí)而曲折的發(fā)現(xiàn)和研究歷程與教科書中呈現(xiàn)出來的“自然而然”的物理學(xué)建立過程不盡相同，將一些重大發(fā)現(xiàn)和研究的物理學(xué)史事件介紹給學(xué)生，可以加深學(xué)生對物理知識的理解和掌握.第三,物理學(xué)史當(dāng)中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)探索的真實(shí)案例，在整體物理學(xué)史的了解、重大發(fā)現(xiàn)和研究物理學(xué)史事件的介紹之外，穿插一些科學(xué)探索的物理學(xué)史故事，對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和質(zhì)疑精神，塑造學(xué)生的人格品質(zhì)也是極其關(guān)鍵的.

我國物理學(xué)史與物理教學(xué)相結(jié)合的研究起步較晚，與國外的研究還存在著一定差距[1].但是自2017年《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布以來，對于物理學(xué)史方面提出了更多建議和要求[2].而在新高考評價體系上，也在多個方面有所創(chuàng)新：一是在教育功能上，著力引導(dǎo)高考由單純的考試評價向立德樹人重要載體和素質(zhì)教育關(guān)鍵環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)變；二是在評價理念上，逐漸傾向于由傳統(tǒng)的“知識立意”“能力立意”評價向“價值引領(lǐng)、素質(zhì)導(dǎo)向、能力為重、知識為基”綜合評價的轉(zhuǎn)變；三是在評價模式上，實(shí)現(xiàn)了高考從主要基于“考查內(nèi)容”的一維評價模式向“考查內(nèi)容、考查要求、考查載體”三位一體評價模式的轉(zhuǎn)變[3].

而正是基于以上背景，即物理學(xué)史對于高中物理教學(xué)的重要功能，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對于物理學(xué)史提出的建議和要求，以及新高考評價體系對于物理學(xué)史考查可能產(chǎn)生的影響，本文對近5年高考物理中物理學(xué)史的題目進(jìn)行整理、分類與分析，目的是：第一，能為大家及時了解新高考，了解物理學(xué)史在高考物理中的題目形式提供參考.第二，相應(yīng)的就高中物理當(dāng)中物理學(xué)史的教學(xué)提出一些針對性的建議.

1 近5年高考物理中物理學(xué)史題目的整理與分析

1.1 物理學(xué)史題目的整理與分類

我們對2016—2020年高考理綜全國卷Ⅰ、卷Ⅱ、卷Ⅲ、浙江卷、江蘇卷、北京卷、天津卷等共38套物理卷進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，共篩選出21道與物理學(xué)史相關(guān)的題目，并將其分為兩類：

Ⅰ類題目，指直接對物理學(xué)史進(jìn)行考查的試題.如例1和例2.

【例1】(2020年高考全國卷Ⅱ理綜第14題)管道高頻焊機(jī)可以對由鋼板卷成的圓管的接縫實(shí)施焊接.焊機(jī)的原理如圖1所示，圓管通過一個接有高頻交流電源的線圈，線圈所產(chǎn)生的交變磁場使圓管中產(chǎn)生交變電流，電流產(chǎn)生的熱量使接縫處的材料融化將其焊接.焊接過程中所利用的電磁學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)者為( )

圖1 例1題圖

A.庫侖 B.霍爾

C.洛倫茲 D.法拉第

【例2】(2019年高考浙江卷理綜第4題)下列陳述與事實(shí)相符的是( )

A.牛頓測定了引力常量

B.法拉第發(fā)現(xiàn)了電流周圍存在磁場

C.安培發(fā)現(xiàn)了靜電荷間的相互作用規(guī)律

D.伽利略提出了力不是維持物體運(yùn)動的原因

Ⅱ類題目，指間接涉及物理學(xué)史的內(nèi)容，并考查相應(yīng)知識點(diǎn)的試題.如例3和例4.

A.X的質(zhì)量數(shù)與Y的質(zhì)量數(shù)相等

B.X的電荷數(shù)比Y的電荷數(shù)少1

【例4】(2018年高考全國卷Ⅰ理綜第20題)2017年，人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，根據(jù)科學(xué)家們復(fù)原的過程，在兩顆中子星合并前約100 s時，它們相距約400 km，繞二者連線上的某點(diǎn)每秒轉(zhuǎn)動12圈，將兩顆中子星都看作是質(zhì)量均勻分布的球體，由這些數(shù)據(jù)、萬有引力常量并利用牛頓力學(xué)知識，可以估算出這一時刻兩顆中子星( )

A.質(zhì)量之積 B.質(zhì)量之和

C.速度之和 D.各自的自轉(zhuǎn)角速度

根據(jù)我們的整理統(tǒng)計(jì)來看，在21道題目中，Ⅰ類試題9道，Ⅱ類試題12道.具體題目如表1所示(表中各卷均為理綜卷).

表1 近5年高考物理中物理學(xué)史題目

1.2 物理學(xué)史題目的分析

根據(jù)我們的統(tǒng)計(jì)，對于高考理綜卷，全國卷Ⅰ、全國卷Ⅱ、江蘇卷對于物理學(xué)史的直接考查較少，北京卷和全國卷Ⅲ對于物理學(xué)史的部分涉及較多；天津卷與改革后的浙江卷基本都有對物理學(xué)史進(jìn)行直接考查的題目.

從Ⅰ類物理學(xué)史題目的特點(diǎn)來看，Ⅰ類試題是對新課標(biāo)內(nèi)容要求的具體體現(xiàn).如：

(1)2020年全國卷Ⅱ第14題(例1)，符合新課標(biāo)中

1)必修3.3.2 體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用.

2)必修3.3.3 了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象，知道電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用.

3)活動建議：了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程.

(2)2019年4月浙江卷第4題(例2),符合新課標(biāo)中

1)必修1.1.2 了解近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)產(chǎn)生的背景，認(rèn)識實(shí)驗(yàn)對物理學(xué)發(fā)展的推動作用.

2)必修2.2.4 通過史實(shí)，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程.

3)必修3.1.2 知道兩個點(diǎn)電荷之間相互作用的規(guī)律，體會探究庫侖定律過程中的科學(xué)思想方法.

4)活動建議：了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程.

從Ⅱ類物理學(xué)史的題目來看，Ⅱ類試題是對物理學(xué)史相關(guān)知識點(diǎn)本身的考查，在題干上利用物理學(xué)史穿針引線，以現(xiàn)代科技文明成果、國內(nèi)外物理學(xué)發(fā)展史為背景，給以相關(guān)考查點(diǎn)的提示，在科普的同時豐富考題的閱讀性.如：

(1)2020年高考全國卷Ⅲ理綜第19題(例3)，通過介紹人工放射性同位素的發(fā)現(xiàn)歷史，引出核反應(yīng)方程的考點(diǎn)，豐富了題目的內(nèi)容.

(2)2018年高考全國卷Ⅰ理綜第20題(例4)，在題干中闡述了引中子星合并的引力波探測的重大發(fā)現(xiàn)，緊跟時事，在進(jìn)行考查的同時拓寬了考生的眼界.

2 Ⅰ類試題與Ⅱ類試題的具體分析及對應(yīng)的新課標(biāo)考查要求

限于篇幅問題，下面將以部分考題為例，總結(jié)和探究物理學(xué)史在高考題目所對應(yīng)的新課標(biāo)的考查要求.

2.1 試題分析

【例5】(2016年高考全國卷Ⅲ理綜第14題)關(guān)于行星運(yùn)動的規(guī)律，下列說法符合史實(shí)的是( )

A.開普勒在牛頓定律的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了行星運(yùn)動的規(guī)律

B.開普勒在天文觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了行星運(yùn)動的規(guī)律

C.開普勒總結(jié)出了行星運(yùn)動的規(guī)律，找出了行星按照這些規(guī)律運(yùn)動的原因

D.開普勒總結(jié)出了行星運(yùn)動的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律

解析：本題屬于Ⅰ類題目，主要考查萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程，符合內(nèi)容要求如表2所示.

表2 例5考查符合內(nèi)容要求

對于天體運(yùn)動的探究，早在古希臘時期的托勒密就提出了地心模型并在一千多年間被人們所接受，直到中世紀(jì)的文藝復(fù)興，哥白尼開創(chuàng)性地提出日心說，從此打開了近代科學(xué)的大門；隨后第谷和開普勒對于軌道的觀察與總結(jié)，提出開普勒三大定律，打破了人們對于天體運(yùn)動的固有思想，為牛頓的萬有引力定律奠定了基礎(chǔ).萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)的本質(zhì)的教育因素，對發(fā)展學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)具有重要價值.

【例6】(2020年高考天津卷理綜第1題)在物理學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中，人們通過對某些重要物理實(shí)驗(yàn)的深入觀察和研究，獲得正確的理論認(rèn)識.圖2所示的實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)原子具有核式結(jié)構(gòu)的是( )

圖2 例2題圖

解析：本題屬于Ⅰ類題目，是對物理學(xué)發(fā)展中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的考查[4].符合內(nèi)容要求如表3.

表3 例6考查符合內(nèi)容要求

選項(xiàng)A是托馬斯·楊所做的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象圖，目的是為了證明光的波動說的正確性.在此之前，牛頓的微粒說始終占據(jù)統(tǒng)治地位，直到托馬斯·楊和菲涅耳對光學(xué)的進(jìn)一步研究，最終開創(chuàng)了光學(xué)研究的新階段.其中更是有關(guān)于菲涅耳的趣事——泊松亮斑.選項(xiàng)B是光電效應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，1887年，赫茲在研究電磁波的實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)現(xiàn)象，光電效應(yīng)中的一些重要現(xiàn)象無法用經(jīng)典電磁理論解釋，而愛因斯坦則在普朗克量子假說的基礎(chǔ)上，對光電效應(yīng)作出了解釋.經(jīng)由密立根的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，愛因斯坦于1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎.選項(xiàng)C是電磁波的發(fā)射與接收，在麥克斯韋提出麥克斯韋方程組，并預(yù)言電磁波的存在時，人們并不相信電磁波是否真的存在.赫姆霍茲的學(xué)生赫茲，在老師的影響和要求下，深入研究了電磁理論，進(jìn)行了測量電磁波速度的實(shí)驗(yàn)，并于1888年發(fā)表了自己的結(jié)論，有力地證明了電磁波的存在[5],從此，電磁波開始走進(jìn)了千家萬戶的日常生活中.選項(xiàng)D是α粒子散射的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，1907年，盧瑟福通過用α粒子撞擊金箔，統(tǒng)計(jì)散射到各個方向α粒子所占的比例，推知原子中電荷的分布情況，從而提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，為核物理學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).通過對物理學(xué)發(fā)展歷史的了解，體會科學(xué)重視研究中理論指導(dǎo)和實(shí)踐檢驗(yàn)的作用，對于發(fā)展學(xué)生的唯物主義辯證觀起著重要的作用.

A.15和28 B.15和30

C.16和30 D.17和31

解析：本題屬于Ⅱ類題目，是以人工放射性衰變的發(fā)現(xiàn)為背景，對核反應(yīng)方程進(jìn)行考查.符合內(nèi)容要求如表4.

表4 例7考查符合內(nèi)容要求

1933年，居里夫婦在第七屆索爾維會議上報告，某些物質(zhì)在α粒子轟擊下發(fā)射出正電子連續(xù)譜.他們一直堅(jiān)持這個現(xiàn)象，并于1934年作出了關(guān)于人工放射性現(xiàn)象的結(jié)論.人工放射性發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家不再僅僅依靠自然界的天然放射性來研究問題，大大加快了核物理學(xué)的發(fā)展速度.人工放射性引發(fā)的直接后果是重核裂變的發(fā)現(xiàn)，但是對于重核裂變的認(rèn)識卻有一個曲折的過程.通過對物理學(xué)史的細(xì)節(jié)闡述，讓學(xué)生明白，科學(xué)的發(fā)現(xiàn)是一個曲折的過程，從而培養(yǎng)學(xué)生持之以恒的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

2.2 分析物理學(xué)史在高考試題中所滲透的原則

根據(jù)普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面.因此，在目前出現(xiàn)的高考試題中的物理學(xué)史相關(guān)題目，其中滲透的考查要求，有以下幾點(diǎn)值得注意.

(1)對物理學(xué)整體發(fā)展邏輯的考查

物理學(xué)史是對物理學(xué)發(fā)展的客觀闡述，讓學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)、了解科學(xué)發(fā)展的曲折過程.在例5題目中考查的是開普勒的主要貢獻(xiàn)，這表面上很簡單.但是其下卻潛藏著整個力學(xué)發(fā)展的大邏輯，是對事物內(nèi)在規(guī)律及事物之間的相互關(guān)系的高度凝練的反映，這即是一種真真切切的對核心素養(yǎng)當(dāng)中“科學(xué)思維”的培養(yǎng)方式.21世紀(jì)以來的科學(xué)教育研究，特別重視科學(xué)論證、模型思維和科學(xué)推理，科學(xué)論證可以幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究能力，構(gòu)建科學(xué)知識并促進(jìn)科學(xué)概念轉(zhuǎn)變與理解，提升科學(xué)認(rèn)識論水平，提升推理能力、批判性思維能力和交流能力，對于理解物理學(xué)非常關(guān)鍵.

(2)緊密聯(lián)系高中物理知識體系

在高中物理的學(xué)習(xí)中，涉及的物理學(xué)家有幾百位，相關(guān)的物理學(xué)史內(nèi)容非常廣泛.但在高考物理題目中，一定是與新課標(biāo)的要求內(nèi)容緊密聯(lián)系，如例6題目中，只考查一個答案，但是涉及4個不同的知識點(diǎn)，且分布在光學(xué)、電磁學(xué)、量子力學(xué)基礎(chǔ)、原子物理4個部分，既是物理學(xué)上極其關(guān)鍵的事件，也符合新課標(biāo)中各章節(jié)的內(nèi)容要求.在核心素養(yǎng)“物理觀念”的內(nèi)涵當(dāng)中，強(qiáng)調(diào)知識和原理的深度理解與靈活運(yùn)用，理解這些物理現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生更加深入理解所學(xué)的科學(xué)知識、技巧和科學(xué)觀念，符合“物理觀念”的要求.

(3)關(guān)注物理學(xué)與社會和人文的互動

科學(xué)的內(nèi)在動機(jī)或者興趣是重要的科學(xué)素養(yǎng)，以真實(shí)的物理學(xué)史事件為背景，或聯(lián)系科學(xué)發(fā)展前沿，自然引出具體知識點(diǎn)，增強(qiáng)題目的人文氣息，可以讓學(xué)生通過物理學(xué)科的學(xué)習(xí)，了解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系，保持對自然現(xiàn)象的好奇心和探究熱情，也可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、熱愛自然的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”.例2和例6兩道題目即反應(yīng)出了這種趨勢.

3 高中物理教學(xué)中物理學(xué)史的教學(xué)建議

3.1 高中物理中物理學(xué)史的知識體系

新課標(biāo)中，對于高中物理知識體系共提出了兩類要求：A內(nèi)容要求，B活動建議. 其中A類要求共87條，B類要求48條，與物理學(xué)史相關(guān)的A類要求24條，B類要求17條.內(nèi)容要求如表5和表6.

表5 高中物理課程內(nèi)容要求

表6 新課標(biāo)中與物理學(xué)史相關(guān)的要求

續(xù)表6

由表5和表6可以看出，新課標(biāo)對于有關(guān)物理學(xué)史的內(nèi)容要求一共24條，占到總的內(nèi)容要求的28%，對于物理學(xué)史的活動建議一共16條，占到總活動要求的33%，且均勻分布在整個高中物理知識體系當(dāng)中，對于物理學(xué)史的潛在考查要求，已經(jīng)達(dá)到了非常高的程度. 就我們對過去5年高考物理試卷的整理和分析而言，已經(jīng)出現(xiàn)的高考題目中，對其中一些要求已經(jīng)進(jìn)行了考查，而在表6中列出的要求，未來很可能會出現(xiàn)一些新的高考題目.

3.2 物理學(xué)史融入教學(xué)時應(yīng)注意的原則

根據(jù)物理學(xué)史自身可以承載的教育功能、高中物理當(dāng)中的物理學(xué)史內(nèi)容、《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中對于物理學(xué)史的內(nèi)容要求和活動建議，以及新高考對于物理學(xué)史的考查要求，我們認(rèn)為將物理學(xué)史融入物理教學(xué)時，可能要注意以下原則：

(1)真實(shí)性

物理學(xué)史是對物理學(xué)發(fā)展的客觀闡述，讓學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)、了解科學(xué)發(fā)展的曲折過程. 在教學(xué)中涉及物理學(xué)史的內(nèi)容，首先要保證其真實(shí)性. 如刊登在2002年美國的《物理世界》中的最出色的十大物理實(shí)驗(yàn)，其中包括伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn). 在這個實(shí)驗(yàn)中，伽利略通過在比薩斜塔同時拋下兩個重量不同的小球，來證明亞里士多德的錯誤. 然而根據(jù)查考，斜塔實(shí)驗(yàn)并未在比薩大學(xué)中有所記錄；并且，在伽利略確切記載這類實(shí)驗(yàn)的小冊子中，他當(dāng)時甚至還是亞里士多德的支持者，為實(shí)際觀測與結(jié)論的不符進(jìn)行辯護(hù)[6].因此,在教學(xué)中保證物理學(xué)史的真實(shí)性是第一原則.

(2)相關(guān)性

將物理學(xué)史融入高中物理教學(xué)，不是生拉硬套，與高中物理知識體系的相關(guān)性是不可或缺的一環(huán).物理學(xué)史的內(nèi)容眾多，在有限的教學(xué)時間內(nèi)，如何篩選出對高中物理教學(xué)最有益的部分，將物理學(xué)史自然的放入高中教學(xué)中而不突兀，在助力于知識教學(xué)的同時，潤物細(xì)無聲地推進(jìn)學(xué)生“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面的養(yǎng)成，可能是一線教師要在實(shí)踐中著重探索的問題.

(3)細(xì)節(jié)性

在教學(xué)中物理學(xué)史內(nèi)容的選取，要注重細(xì)節(jié)性. 如在電磁學(xué)的發(fā)展歷史上，多數(shù)學(xué)生都很熟悉安培、法拉第等重要物理學(xué)家.而在電磁學(xué)曲折的發(fā)展過程中，也有許多值得被大家了解的科學(xué)家，如發(fā)明了伏打電堆的伏打，因?yàn)橛辛朔€(wěn)定電源，使人們有可能研究電流的規(guī)律和電流的各種效應(yīng).還比如在核裂變的研究過程中，參與到“曼哈頓計(jì)劃”中的唯一一名華人女物理學(xué)家吳健雄，她對于原子核分裂反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成功解決了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無法延續(xù)的重大難題，直接啟發(fā)了核心人物費(fèi)米，大大縮短了原子彈研制進(jìn)程[7].有很多物理學(xué)史上的細(xì)節(jié)性問題，雖然與直接的物理原理看似相去甚遠(yuǎn)，但是對于物理學(xué)的建立和發(fā)展卻起到了至關(guān)重要的作用，這些物理學(xué)史內(nèi)容的引入，可以幫助學(xué)生深入理解科學(xué)發(fā)展與社會發(fā)展之間的互動關(guān)系，建立一種良好的人文情懷.

(4)前沿性

從某種角度講，物理學(xué)的發(fā)展前沿，就是物理學(xué)史中最嶄新的篇章.隨著科技的進(jìn)步，物理學(xué)的發(fā)展越來越快，所以一方面，在高中物理教學(xué)中，要注重已經(jīng)發(fā)生了的物理學(xué)史，另一方面，還要及時關(guān)注正在發(fā)生的物理學(xué)史.尤其是通過及時了解相關(guān)物理發(fā)展前沿，將最前沿的物理成果介紹給學(xué)生，這既有利于我們緊跟時代，又能結(jié)合實(shí)事，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

4 總結(jié)

基于對近5年高考物理中物理學(xué)史題目的整理與分析，可以看出物理學(xué)史正在逐步融入新高考的大趨勢.而高考物理中物理學(xué)史題目的出現(xiàn)，主要是對學(xué)生“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”的考查及“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的培養(yǎng).教師在日常教學(xué)及考試中融入物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容時，應(yīng)符合新課標(biāo)要求的物理知識體系，注意物理學(xué)史的真實(shí)性、相關(guān)性、細(xì)節(jié)性以及前沿性，這將更有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，正確認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)、培養(yǎng)科學(xué)探究精神，切實(shí)落實(shí)物理課程的育人功能.