品析真題 培養批判性思維能力①
——高考物理中回旋加速器試題剖析與啟示

薛 甫

(江蘇省睢寧縣教師發展中心，江蘇 徐州 221200)

1 引言

引導教學是高考評價體系的核心目標之一，是基礎教育對高考的現實需求。通過優化試卷結構，創新試題設計，降低大量刷題、機械訓練的收益，切實減輕學生的學業負擔，培養學生的關鍵能力。有的高考試題以課程標準和教材中的典型問題為考查情境，引導教學遵循課程標準，回歸教材的同時不斷創新，培養學生的信息獲取與加工、推理論證、模型構建等批判性思維能力和創新能力。

以回旋加速器為情境，考查帶電粒子在電磁場中的運動問題常以壓軸題出現，且都在基礎模型上有所創新，起到了良好的考查效果和引導作用。筆者以2011年江蘇卷第15題、2016年江蘇卷第15題、2021年江蘇省第一次適應性考試第16題為例進行了統計分析(表1)，與同行交流。

表1

2 回歸教材，追本溯源

在2019年版人教版高中物理選擇性必修第二冊中給出了回旋加速器的理想模型，在物理教學中通常將回旋加速器進行必要的簡化，如忽略帶電粒子的加速時間、高能粒子的相對論效應等，這些簡化突出了回旋加速器的基本原理，有利于學生在具體情境中應用物理原理。但是，這些簡化也會讓學生產生“思維慣性”，缺乏多角度思考問題的思辨意識與能力。近幾年高考試題對長期形成的“固化模式”進行了反撥，試題更加趨近實際情境，考查學生的批判性思維和創新能力。在回旋加速器的復習教學中，有必要讓學生親歷過程，厘清核心問題，學以致用，形成結構化的知識體系和關鍵能力。

2.1 回旋加速器的發明過程

人教版高中物理必修第三冊指出：“在現代科學實驗和技術裝備中，常常利用電場來改變或控制帶電粒子的運動。”然而，獲得高能粒子的加速器會遇到特高電壓的技術難題。若采用多級加速器，則面臨加速器裝置很長的空間局限。為滿足高能粒子的加速需求，科學家創造性地設計了用電場加速、用磁場控制運動軌道的回旋加速器，重溫回旋加速器的發明過程提供了培養學生批判性思維意識的良好時機。

2.2 粒子通過D形盒盒縫間的時間可以忽略的條件

2.3 粒子回旋半徑變化規律

圖1

2.4 在磁場中回旋周期與交變電壓周期的關系

若不考慮粒子在電場中的加速時間，粒子在磁場中回旋半周的時間理論上應等于交變電壓的周期。事實上，粒子每次在加速電場中運動時間逐漸減少，使得加速頻率與回旋頻率不匹配，另外，高能粒子因相對論效應使得質量發生改變，影響粒子回旋頻率，也會導致加速頻率與回旋頻率不匹配。因此，提高加速頻率與回旋頻率匹配度是回旋加速器效率提高的有效策略之一。從多個角度審視結論，促使學生進行深度思考，提出創造性的見解，從而使學生批判性思能力向高階發展。

3 細處切入，守正創新

高考試題在為國家選拔創新人才的同時，引導高中教學走出“機械刷題”“重復訓練”的“題海”怪圈，要求試題命制者從不同的角度在基本模型的細微之處進行創新，引導學生重視信息獲取、推理論證、模型構建，靈活運用物理原理和方法解決實際問題。

3.1 試題創新1

考慮到粒子在電場中的加速時間，試題對粒子運動模型的構建等提出了要求。如在江蘇卷2016年第15題的題干中明確提出：“現考慮粒子在狹縫中運動的時間”，同時“假設能夠出射的粒子每次經過狹縫均做勻加速運動”。為學生構建粒子在電場中做不連續的勻加速直線運動模型提供了抓手。2021年八省市第一次適應性考試江蘇卷第16題在此基礎上再次創新，表述如下：加速電場的長度為L,粒子在電場中的加速時間顯然不能忽略，一束粒子在加速器中的運動軌道猶如跑道，最后飄入的粒子將比最先飄入的多運動一圈，實質上考查了學生對于先后進入的粒子在回旋加速器空間中的追及情境的想象能力和運動模型的構建、數理融合運用能力等，有較高的區分度。

3.2 試題創新2

3.3 試題創新3

采用直流電壓加速，在每個周期加速次數方面也進行了創新。如2021年八省市第一次適應性考試江蘇卷第16題的表述如下：粒子先在勻強電場中加速后，進入偏轉磁場再進入無電磁場區域做勻速直線運動，再經偏轉磁場后進入電場被加速，運動軌跡如跑道。此題的設計在基礎模型上對運動模型、粒子源的位置、加速電壓等處進行了創新，體現了綜合性、應用性和創新性的考查要求。

其他的高考物理題從粒子源的位置、狹縫變為小孔、磁感應強度的變化、高能粒子的引出方法、回旋加速器的結構等方面進行創新，這些都在引導學生重視對物理概念、規律的理解。

4 深入研究，深刻領會

4.1 深入研究高考精品試題，促進學生深度學習

我國恢復高考制度以來，出現了許多精品物理試題，這些都是高考復習備考的優質資源。教師應深入研究這些精品試題，把握命題方向，引導高考復習教學。教師將好的試題思路吸收內化，運用到平時的習題編制中，提高教學效果和自身的專業素養。新高考對批判性思維和創新能力提出了考查要求，引導教師更新教育理念，整合教學內容，重構學科教學體系。帶電粒子在電磁場中的運動是高中物理的主干知識，在“無情境不命題”的背景下，教師應以高考中出現的回旋加速器或質譜儀等試題為例，分析試題考查要求、命制的切入點，將試題進行改編、創新，促進學生深度學習，培養學生的問題解決能力，提高學生的核心素養。

4.2 深刻理解我國高考評價體系，感悟高考評價對高中物理教學的反撥功能

引導教學是基礎教育對高考的現實要求，需發揮高考的正面引導作用，對教學具有反撥功能，反題海戰術、反押題戰術、反題型套路、反機械刷題是反撥功能的具體體現。1977年恢復高考后，高考試題命制經歷了從知識立意到能力立意的轉變，再到“價值引領、素養導向、能力為重，知識為基”的理論體系構建。經過近幾年的實踐檢驗，我國高考評價體系實現了素質教育與考查內容、考查目標的對接，發揮了高考作為基礎教育的指揮棒作用，對教育教學有積極的正面引導作用。近幾年以情境為載體的高考試題讓一線師生深切感受到了“機械刷題、反復訓練”的方式是高耗低效、收益甚微的教學模式，從而引導他們調整教學策略，摒棄題海戰術，引導學生從解題向問題解決的轉變。各地教育主管部門和教研機構也應將高考評價的理念向初中、小學階段滲透，積極探索各學段有效銜接的一體化培養模式，培養學生的核心素養。

以我國高考評價體系為綱領，品析高考真題，回歸教材，挖掘考查的本質，培養學生的批判性思維能力，為培養國家急需的創新型人才，這是高中物理教學中要始終堅守的方向。