谈高考物理试题的探究性

丁庆红

自2004年实施普通高中新课程改革以来，高考物理试题坚持体现新课程改革的精神，适当地渗透新课程的理念和目标。试题内容立足高中物理教学实际，体现重视基础、突出能力、关注考生素养、注重思维水平、强调联系实际、学以致用等与新课程一致的做法，引领高中物理新课程改革。

重视科学探究是我国新一轮基础教育改革的核心。科学探究，是指科学家在研究自然界的科学规律时所进行的科学研究活动。20世纪80年代后，我国和一些发达国家将科学探究作为一种教学方法引入教学过程中，让学生处于动态、开放、生动、多元的学习环境中，使学生通过类似科学家的探究过程理解科学概念和科学探究的本质，并培养科学探究能力，从而将学习重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探索过程转化，使学生从被动接受知识向自主学习转化。科学探究的形式是多种多样的，有提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作等几个环节。科学探究既是物理课程的重要内容，又是重要的教学方式；既是学生学习的学习目标，又是物理学习的重要方法。

近几年来，高考物理试题在突出探究性，体现新课程理念方面作出了很多有益的尝试。

1 高考物理试题凸显探究性

1.1 高考物理试题提供的素材具有探究性

一道好的物理试题，就是一个科学问题。2008年上海高考物理试题，其中有一道以在伽利略羊皮纸手稿中发现的斜面实验数据为命题素材，让考生沿着科学家的足迹探究问题。

【2008年高考上海卷第5题】在伽利略羊皮纸手稿中发现的斜面实验数据如表1所示，人们推测第二、三列数据可能分别表示时间和长度。伽利略的一个长度单位相当于现在的mm，假设一个时间单位相当于现在的0.5 s。由此可以推算实验时光滑斜面的长度至少为________m；斜面的倾角约为__________度。（g取10 m/s2）

表1 伽利略手稿中的数据

表2 由伽利略手稿中的数据得到的斜面倾角

1t1=0.5 s，求得sinθ=0.0247。怎样求出θ呢？考生不难发现sinθ数值很小，则联想到此时sinθ≈θ，于是找到了问题的突破口。值得注意的是本题有8组数据，需要根据每一组数据求出θ值（见表2），然后取其平均值作为斜面的倾角。

这道题看似简单，实则是一道考查考生能力的好题，在考查探究能力的同时，还考查了考生从表格中提取信息、处理实验数据及估算的能力。

1.2 高考物理试题提供的物理情境具有探究性

2012年高考江苏卷第15题就是一个探究性的科学问题，要求考生根据所给出的现象来推测该区域中电场强度和磁感应强度的大小及可能的方向，题目设计的问题具有开放性，考生解决问题的过程具有探究性。

【2012年高考江苏卷第15题】如图1所示，待测区域中存在匀强电场和匀强磁场，根据带电粒子射入时的受力情况可推测其电场和磁场。图中装置由加速器和平移器组成，平移器由两对水平放置、相距为l的相同平行金属板构成，极板长度为l、间距为d，两对极板间偏转电压大小相等、电场方向相反。质量为m、电荷量为+q的粒子经加速电压U0加速后，水平射入偏转电压为U1的平移器，最终从A点水平射入待测区域。不考虑粒子受到的重力。

图1

（1）求粒子射出平移器时的速度大小v1；

（2）当加速电压变为4U0时，欲使粒子仍从A点射入待测区域，求此时的偏转电压U；

（3）已知粒子以不同速度水平向右射入待测区域，刚进入时的受力大小均为F。现取水平向右为x轴正方向，建立如图所示的直角坐标系Oxyz。保持加速电压为U0不变，移动装置使粒子沿不同的坐标轴方向射入待测区域，粒子刚射入时的受力大小如表3所示。

表3

请推测该区域中电场强度和磁感应强度的大小及可能的方向。

本题要求考生根据所给出的现象来推测该区域中电场强度和磁感应强度的大小及可能的方向。考生首先要根据试题提供的物理情境提出自己的猜想或假说，然后通过分析与论证，评估其合理性。可见，考生解决本题的过程，就经历了一次科学探究的过程。解题过程如下：

（2）在第一个偏转电场中，设粒子的运动时间为t，加速度的大小为a=，在离开时，竖直分速度vy=at，竖直位移 y1=，水平位移l=v0t。粒子在两偏转电场间做匀速直线运动，经历时间也为t，竖直位移y2=vyt。由题意知，粒子竖直总位移y=2y+y，解得 y=。则当加速电压为4U时，U=1204U1。

（3）磁感应强度B的方向一定平行于x轴。且电场强度E=F/q。

由沿±y轴方向射入时的受力情况可知：E与Oxy平面平行。

设电场方向与x轴方向夹角为α，若B沿x轴正方向，由沿z轴方向射入时的受力情况得(f+Fsinα)2+(Fcosα)2=(F)2。

解得 α=30°，或α=150°，即E与Oxy平面平行且与x轴方向的夹角为30°或150°。

同理，若B沿-x轴方向，E与Oxy平面平行且与x轴方向的夹角为-30°或-150°。

1.3 高考物理试题关注解决问题的思想和方法，体现试题的探究性

高考物理考试大纲中，物理学科的知识内容和能力考查目标都是按照新课标的要求确定的，但是试题情境完全可以“源于教材”又“高于教材”，需要考生具有较强的提取信息的能力，具备分析问题和解决问题的能力。2012年高考安徽卷第20题给出的物理情境虽然超出了中学物理的范畴，但考生通过正确的解题思想和方法一样可以正确解题。

【2012年高考安徽卷第20题】如图2所示，半径为R的均匀带电圆形平板，单位面积带电量为σ，其轴线上任意一点P（坐标为x）的电场强度可以由库仑定律和电场强度的叠加原理求出：方向沿x轴。现考虑单位面积带电量为σ0的无限大均匀带电平板，从其中间挖去一半径为r的圆板，如图3所示。则圆孔轴线上任意一点Q（坐标为x）的电场强度为

图2

图3

由题意知：半径为R的均匀带电圆形平板，单位面积带电量为σ，其轴线上任意一点P（坐标为x）的电场强度为：方向沿x轴。若考生立即意识到对于x→0，半径为R的均匀带电圆形平板相当于无限大，由此进一步推知：无限大均匀带电平板其周围的电场等效为匀强电场，且场强为E=2πkσ，这是解决问题的关键。则对于图3所示的单位面积带电量为σ0的无限大均匀带电平板在其周围产生的电场亦为匀强电场，场强为E1=2πkσ0，挖去的半径为r的圆板在Q点产生场强为所以图3所示的圆板在Q点产生的场强为：要解决本题，考生必须根据已有的知识、物理事实和条件，运用恰当的方法，进行逻辑推理和论证，对新颖的物理情境作出正确的判断。又如2012年北京卷第20题。

【2012年高考北京卷第20题】“约瑟夫森结”由超导体和绝缘体制成。若在结两端加恒定电压U，则它会辐射频率为ν的电磁波，且ν与U成正比，即ν=kU。已知比例系数k仅与元电荷e的2倍和普朗克常量h有关。你可能不了解此现象的机理，但仍可运用物理学中常用的方法，在下列选项中，推理判断比例系数k的值可能为

由于ν=kU，则比例系数k的物理单位是s-1V-1。分析四个选项可知，只有选项B的物理单位才与此相同。

本题以“约瑟夫森结”辐射电磁波为情境，依托单位制为突破口，考查物理学的研究方法，主要考查考生的理论探究能力。

1.4 高考物理试题通过考查探究性实验，体现试题的探究性

物理是一门实验科学，物理学中有很多探究性实验，高考物理试题注重考查探究性实验，体现试题的探究性。2012年北京卷第19题就考查了奇妙的“跳环实验”。

【2012年高考北京卷第19题】物理课上，老师做了一个奇妙的“跳环实验”。如图4，她把一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线连接起来后，将一金属套环置于线圈L上，且使铁芯穿过套环。闭合开关S的瞬间，套环立刻跳起。

某同学另找来器材再探究此实验。他连接好电路，经重复试验，线圈上的套环均未动。对比老师演示的实验，下列四个选项中，导致套环未动的原因可能是

A.线圈接在了直流电源上

B.电源电压过高

C.所选线圈的匝数过多

D.所用套环的材料与老师的不同

本题要求考生根据题目提供的恰当的物理情境、科学的知识背景，探究重复“跳环实验”未成功的原因。闭合开关S的瞬间，电流通过线圈产生磁场，穿过套环的磁通量增加，在套环中引起感应电流，其感应电流受到线圈的磁场力作用而使套环立刻跳起。该同学重复试验时，若所用套环的材料为绝缘体，在套环中不能引起感应电流，则套环不会跳起。正确答案是D。

2 如何在教学中提升学生的探究能力

2.1 转变教学观念，落实新课程三维目标，培养学生的探究意识

如果把科学家从事科学研究的过程视作科学知识的原生产过程，那么学生接受科学教育的过程就是科学知识的再生产过程。这两者在本质上有着极大的相似性：学生的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演，他们学习科学的心理顺序差不多就是前人探索科学的历史顺序。在物理教学中以浓缩的时空和必然的形式重演人类丰富多彩的科学活动，让学生去亲历探究的过程，感受科学的启迪。这样使学生更好地理解并掌握所学的知识，从中汲取前人的智慧，领悟思想方法，陶冶科学精神，从而全方位地落实“新课标”所提出的三维目标，培养学生的探究意识。

2.2 让探究式教学成为中学物理课堂教学的主旋律

科学探究在本质上是科学家用来解决自然科学规律问题的一种思维方式，为了掌握科学知识，领悟科学的本质特征，发展科学探究的能力，以便更好地促进科学和社会的发展，物理学科教学应该更多地采用科学探究的教学形式来进行，构建科学探究教学模式。探究式教学就是把科学探究引入课堂，在教师的引导和启发下，通过学生自主、独立的探索活动，有效感知和理解知识，构建知识，获得情感体验，掌握解决问题的方法，发展探索精神和创新能力的教学方式。探究式教学能让学生在自主学习中探究，在矛盾冲突中探究，在问题解决中探究，在实践活动中探究，注重以人为本，强调学生主动参与学习的全过程，使学生的思维始终处于积极地探究过程之中，激发学习的灵感，开拓思维能力，塑造创新的潜质，它不仅重视知识的掌握，更重视过程的体验和情感态度的养成。探究式教学能给学生足够自主的空间、足够活动的机会，也能够带给学生理智的挑战和成功，使学生对物理学习产生浓厚的兴趣感和强烈的责任感，从而把学习物理跟自己的生活有机地联系起来，主动地去学习物理知识，探索物理问题。

2.3 在高三复习备考中提升学生的科学素养

高三复习备考同样是落实新课程理念、培养学生科学素养的主阵地。在复习备考中应该通过创造各种机会、创设各种情境鼓励学生独立学习，让学生充分发挥自己的独立性，把知识的发现过程交给学生自己去完成，使学生对知识有一个发现、认识和升华的过程。强调理解知识、掌握方法和培养能力的统一。使学生在复习备考的过程中，掌握知识，获得能力，提升学生的科学素养。只有这样，学生才能在高考中从容应对探究性试题，才能真正赢得高考的胜利。

3 学生如何培养自身的探究能力

3.1 培养对物理学的兴趣，形成科学探究的意识

对宇宙的好奇心是科学家探索宇宙奥秘的原动力。爱因斯坦说：“宇宙间最不可理解的，就是宇宙是可以理解的。”物理学是对宇宙的理解的集大成；是理解宇宙的高度浓缩与高度概括；是解说宇宙奥秘的诗歌。物理学是发展最成熟、高度定量化的精密科学，又是具有方法论性质、被公认为最重要的基础科学。物理学取得的成果极大地丰富了人们对物质世界的认识，有力地促进了人类文明的进步。作为一名中学生，只有学好物理，才能更好地理解自然；在学习物理的过程中，可以更好地形成科学探究的意识；形成了科学探究的意识，就可以更好地学习、工作和生活。因为形成科学探究的意识不仅仅是高考的需要，也不仅仅是新课程的需要，更是学习、工作和生活的需要。

3.2 学好物理知识，掌握物理方法，感悟物理思想，奠定科学探究的坚实基础

物理学不仅对客观世界的规律作出了深刻的揭示，而且在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。正因为如此，物理学当之无愧地成了人类智慧的结晶、文明的瑰宝。物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有重要的贡献。学生只有学好物理知识，掌握物理方法，感悟物理思想，体会科学精神，才能打下科学探究的坚实基础。

3.3 掌握科学探究的方法，形成较强的科学探究能力

学生在完成探究性学习的过程中，要经历发现和提出问题、对问题进行猜想与假设、制订计划，设计实验、进行实验，收集证据、分析证据，得出结论、反思结果，吸取教训、讨论争辩，尝试表达等一系列的活动，从中获得失败与痛苦、成功与喜悦的独特感悟和体验，感受科学方法的魅力，习得具有综合特点的科学知识。在新课程背景下，学生应该培养自己的参与意识，关心社会、关心生活的意识及理论联系实际的习惯；培养自己综合运用所学知识的能力、动手能力、收集和处理信息的能力、分析问题和解决问题的能力、语言文字表达能力以及与他人团结协作、友好交往的能力等,使自己由学习研究到学会研究，最终达到自主能动地学习、善于研究、善于创造的佳境；培养自己的创新意识，发展自己的个性特长，为终身学习和工作奠定基础。

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社.2003.