談高考物理試題的探究性

丁慶紅

自2004年實施普通高中新課程改革以來，高考物理試題堅持體現新課程改革的精神，適當地滲透新課程的理念和目標。試題內容立足高中物理教學實際，體現重視基礎、突出能力、關注考生素養、注重思維水平、強調聯系實際、學以致用等與新課程一致的做法，引領高中物理新課程改革。

重視科學探究是我國新一輪基礎教育改革的核心。科學探究，是指科學家在研究自然界的科學規律時所進行的科學研究活動。20世紀80年代后，我國和一些發達國家將科學探究作為一種教學方法引入教學過程中，讓學生處于動態、開放、生動、多元的學習環境中，使學生通過類似科學家的探究過程理解科學概念和科學探究的本質，并培養科學探究能力，從而將學習重心從過分強調知識的傳承和積累向知識的探索過程轉化，使學生從被動接受知識向自主學習轉化?？茖W探究的形式是多種多樣的，有提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作等幾個環節?？茖W探究既是物理課程的重要內容，又是重要的教學方式；既是學生學習的學習目標，又是物理學習的重要方法。

近幾年來，高考物理試題在突出探究性，體現新課程理念方面作出了很多有益的嘗試。

1 高考物理試題凸顯探究性

1.1 高考物理試題提供的素材具有探究性

一道好的物理試題，就是一個科學問題。2008年上海高考物理試題，其中有一道以在伽利略羊皮紙手稿中發現的斜面實驗數據為命題素材，讓考生沿著科學家的足跡探究問題。

【2008年高考上海卷第5題】在伽利略羊皮紙手稿中發現的斜面實驗數據如表1所示，人們推測第二、三列數據可能分別表示時間和長度。伽利略的一個長度單位相當于現在的mm，假設一個時間單位相當于現在的0.5 s。由此可以推算實驗時光滑斜面的長度至少為________m；斜面的傾角約為__________度。（g取10 m/s2）

表1 伽利略手稿中的數據

表2 由伽利略手稿中的數據得到的斜面傾角

1t1=0.5 s，求得sinθ=0.0247。怎樣求出θ呢？考生不難發現sinθ數值很小，則聯想到此時sinθ≈θ，于是找到了問題的突破口。值得注意的是本題有8組數據，需要根據每一組數據求出θ值（見表2），然后取其平均值作為斜面的傾角。

這道題看似簡單，實則是一道考查考生能力的好題，在考查探究能力的同時，還考查了考生從表格中提取信息、處理實驗數據及估算的能力。

1.2 高考物理試題提供的物理情境具有探究性

2012年高考江蘇卷第15題就是一個探究性的科學問題，要求考生根據所給出的現象來推測該區域中電場強度和磁感應強度的大小及可能的方向，題目設計的問題具有開放性，考生解決問題的過程具有探究性。

【2012年高考江蘇卷第15題】如圖1所示，待測區域中存在勻強電場和勻強磁場，根據帶電粒子射入時的受力情況可推測其電場和磁場。圖中裝置由加速器和平移器組成，平移器由兩對水平放置、相距為l的相同平行金屬板構成，極板長度為l、間距為d，兩對極板間偏轉電壓大小相等、電場方向相反。質量為m、電荷量為+q的粒子經加速電壓U0加速后，水平射入偏轉電壓為U1的平移器，最終從A點水平射入待測區域。不考慮粒子受到的重力。

圖1

（1）求粒子射出平移器時的速度大小v1；

（2）當加速電壓變為4U0時，欲使粒子仍從A點射入待測區域，求此時的偏轉電壓U；

（3）已知粒子以不同速度水平向右射入待測區域，剛進入時的受力大小均為F。現取水平向右為x軸正方向，建立如圖所示的直角坐標系Oxyz。保持加速電壓為U0不變，移動裝置使粒子沿不同的坐標軸方向射入待測區域，粒子剛射入時的受力大小如表3所示。

表3

請推測該區域中電場強度和磁感應強度的大小及可能的方向。

本題要求考生根據所給出的現象來推測該區域中電場強度和磁感應強度的大小及可能的方向?？忌紫纫鶕囶}提供的物理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?？梢?，考生解決本題的過程，就經歷了一次科學探究的過程。解題過程如下：

（2）在第一個偏轉電場中，設粒子的運動時間為t，加速度的大小為a=，在離開時，豎直分速度vy=at，豎直位移 y1=，水平位移l=v0t。粒子在兩偏轉電場間做勻速直線運動，經歷時間也為t，豎直位移y2=vyt。由題意知，粒子豎直總位移y=2y+y，解得 y=。則當加速電壓為4U時，U=1204U1。

（3）磁感應強度B的方向一定平行于x軸。且電場強度E=F/q。

由沿±y軸方向射入時的受力情況可知：E與Oxy平面平行。

設電場方向與x軸方向夾角為α，若B沿x軸正方向，由沿z軸方向射入時的受力情況得(f+Fsinα)2+(Fcosα)2=(F)2。

解得 α=30°，或α=150°，即E與Oxy平面平行且與x軸方向的夾角為30°或150°。

同理，若B沿-x軸方向，E與Oxy平面平行且與x軸方向的夾角為-30°或-150°。

1.3 高考物理試題關注解決問題的思想和方法，體現試題的探究性

高考物理考試大綱中，物理學科的知識內容和能力考查目標都是按照新課標的要求確定的，但是試題情境完全可以“源于教材”又“高于教材”，需要考生具有較強的提取信息的能力，具備分析問題和解決問題的能力。2012年高考安徽卷第20題給出的物理情境雖然超出了中學物理的范疇，但考生通過正確的解題思想和方法一樣可以正確解題。

【2012年高考安徽卷第20題】如圖2所示，半徑為R的均勻帶電圓形平板，單位面積帶電量為σ，其軸線上任意一點P（坐標為x）的電場強度可以由庫侖定律和電場強度的疊加原理求出：方向沿x軸?，F考慮單位面積帶電量為σ0的無限大均勻帶電平板，從其中間挖去一半徑為r的圓板，如圖3所示。則圓孔軸線上任意一點Q（坐標為x）的電場強度為

圖2

圖3

由題意知：半徑為R的均勻帶電圓形平板，單位面積帶電量為σ，其軸線上任意一點P（坐標為x）的電場強度為：方向沿x軸。若考生立即意識到對于x→0，半徑為R的均勻帶電圓形平板相當于無限大，由此進一步推知：無限大均勻帶電平板其周圍的電場等效為勻強電場，且場強為E=2πkσ，這是解決問題的關鍵。則對于圖3所示的單位面積帶電量為σ0的無限大均勻帶電平板在其周圍產生的電場亦為勻強電場，場強為E1=2πkσ0，挖去的半徑為r的圓板在Q點產生場強為所以圖3所示的圓板在Q點產生的場強為：要解決本題，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，進行邏輯推理和論證，對新穎的物理情境作出正確的判斷。又如2012年北京卷第20題。

【2012年高考北京卷第20題】“約瑟夫森結”由超導體和絕緣體制成。若在結兩端加恒定電壓U，則它會輻射頻率為ν的電磁波，且ν與U成正比，即ν=kU。已知比例系數k僅與元電荷e的2倍和普朗克常量h有關。你可能不了解此現象的機理，但仍可運用物理學中常用的方法，在下列選項中，推理判斷比例系數k的值可能為

由于ν=kU，則比例系數k的物理單位是s-1V-1。分析四個選項可知，只有選項B的物理單位才與此相同。

本題以“約瑟夫森結”輻射電磁波為情境，依托單位制為突破口，考查物理學的研究方法，主要考查考生的理論探究能力。

1.4 高考物理試題通過考查探究性實驗，體現試題的探究性

物理是一門實驗科學，物理學中有很多探究性實驗，高考物理試題注重考查探究性實驗，體現試題的探究性。2012年北京卷第19題就考查了奇妙的“跳環實驗”。

【2012年高考北京卷第19題】物理課上，老師做了一個奇妙的“跳環實驗”。如圖4，她把一個帶鐵芯的線圈L、開關S和電源用導線連接起來后，將一金屬套環置于線圈L上，且使鐵芯穿過套環。閉合開關S的瞬間，套環立刻跳起。

某同學另找來器材再探究此實驗。他連接好電路，經重復試驗，線圈上的套環均未動。對比老師演示的實驗，下列四個選項中，導致套環未動的原因可能是

A.線圈接在了直流電源上

B.電源電壓過高

C.所選線圈的匝數過多

D.所用套環的材料與老師的不同

本題要求考生根據題目提供的恰當的物理情境、科學的知識背景，探究重復“跳環實驗”未成功的原因。閉合開關S的瞬間，電流通過線圈產生磁場，穿過套環的磁通量增加，在套環中引起感應電流，其感應電流受到線圈的磁場力作用而使套環立刻跳起。該同學重復試驗時，若所用套環的材料為絕緣體，在套環中不能引起感應電流，則套環不會跳起。正確答案是D。

2 如何在教學中提升學生的探究能力

2.1 轉變教學觀念，落實新課程三維目標，培養學生的探究意識

如果把科學家從事科學研究的過程視作科學知識的原生產過程，那么學生接受科學教育的過程就是科學知識的再生產過程。這兩者在本質上有著極大的相似性：學生的學習過程是對人類文化發展過程的一種認知意義上的重演，他們學習科學的心理順序差不多就是前人探索科學的歷史順序。在物理教學中以濃縮的時空和必然的形式重演人類豐富多彩的科學活動，讓學生去親歷探究的過程，感受科學的啟迪。這樣使學生更好地理解并掌握所學的知識，從中汲取前人的智慧，領悟思想方法，陶冶科學精神，從而全方位地落實“新課標”所提出的三維目標，培養學生的探究意識。

2.2 讓探究式教學成為中學物理課堂教學的主旋律

科學探究在本質上是科學家用來解決自然科學規律問題的一種思維方式，為了掌握科學知識，領悟科學的本質特征，發展科學探究的能力，以便更好地促進科學和社會的發展，物理學科教學應該更多地采用科學探究的教學形式來進行，構建科學探究教學模式。探究式教學就是把科學探究引入課堂，在教師的引導和啟發下，通過學生自主、獨立的探索活動，有效感知和理解知識，構建知識，獲得情感體驗，掌握解決問題的方法，發展探索精神和創新能力的教學方式。探究式教學能讓學生在自主學習中探究，在矛盾沖突中探究，在問題解決中探究，在實踐活動中探究，注重以人為本，強調學生主動參與學習的全過程，使學生的思維始終處于積極地探究過程之中，激發學習的靈感，開拓思維能力，塑造創新的潛質，它不僅重視知識的掌握，更重視過程的體驗和情感態度的養成。探究式教學能給學生足夠自主的空間、足夠活動的機會，也能夠帶給學生理智的挑戰和成功，使學生對物理學習產生濃厚的興趣感和強烈的責任感，從而把學習物理跟自己的生活有機地聯系起來，主動地去學習物理知識，探索物理問題。

2.3 在高三復習備考中提升學生的科學素養

高三復習備考同樣是落實新課程理念、培養學生科學素養的主陣地。在復習備考中應該通過創造各種機會、創設各種情境鼓勵學生獨立學習，讓學生充分發揮自己的獨立性，把知識的發現過程交給學生自己去完成，使學生對知識有一個發現、認識和升華的過程。強調理解知識、掌握方法和培養能力的統一。使學生在復習備考的過程中，掌握知識，獲得能力，提升學生的科學素養。只有這樣，學生才能在高考中從容應對探究性試題，才能真正贏得高考的勝利。

3 學生如何培養自身的探究能力

3.1 培養對物理學的興趣，形成科學探究的意識

對宇宙的好奇心是科學家探索宇宙奧秘的原動力。愛因斯坦說：“宇宙間最不可理解的，就是宇宙是可以理解的?！蔽锢韺W是對宇宙的理解的集大成；是理解宇宙的高度濃縮與高度概括；是解說宇宙奧秘的詩歌。物理學是發展最成熟、高度定量化的精密科學，又是具有方法論性質、被公認為最重要的基礎科學。物理學取得的成果極大地豐富了人們對物質世界的認識，有力地促進了人類文明的進步。作為一名中學生，只有學好物理，才能更好地理解自然；在學習物理的過程中，可以更好地形成科學探究的意識；形成了科學探究的意識，就可以更好地學習、工作和生活。因為形成科學探究的意識不僅僅是高考的需要，也不僅僅是新課程的需要，更是學習、工作和生活的需要。

3.2 學好物理知識，掌握物理方法，感悟物理思想，奠定科學探究的堅實基礎

物理學不僅對客觀世界的規律作出了深刻的揭示，而且在發展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。正因為如此，物理學當之無愧地成了人類智慧的結晶、文明的瑰寶。物理思想與方法不僅對物理學本身有價值，而且對整個自然科學，乃至社會科學的發展都有重要的貢獻。學生只有學好物理知識，掌握物理方法，感悟物理思想，體會科學精神，才能打下科學探究的堅實基礎。

3.3 掌握科學探究的方法，形成較強的科學探究能力

學生在完成探究性學習的過程中，要經歷發現和提出問題、對問題進行猜想與假設、制訂計劃，設計實驗、進行實驗，收集證據、分析證據，得出結論、反思結果，吸取教訓、討論爭辯，嘗試表達等一系列的活動，從中獲得失敗與痛苦、成功與喜悅的獨特感悟和體驗，感受科學方法的魅力，習得具有綜合特點的科學知識。在新課程背景下，學生應該培養自己的參與意識，關心社會、關心生活的意識及理論聯系實際的習慣；培養自己綜合運用所學知識的能力、動手能力、收集和處理信息的能力、分析問題和解決問題的能力、語言文字表達能力以及與他人團結協作、友好交往的能力等,使自己由學習研究到學會研究，最終達到自主能動地學習、善于研究、善于創造的佳境；培養自己的創新意識，發展自己的個性特長，為終身學習和工作奠定基礎。

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社.2003.