同源高考题和竞赛题的比较研究

摘 要：一道天津理综卷高考题和一道全国中学生物理竞赛复赛题，同样以电磁轨道炮为原型改编而来，主要从培养学生核心素养的层面，比较研究它们的异同，提出学科特长生参加竞赛与高考不矛盾，欠发达地区更应借助竞赛，培养学科特长生。

关键词：物理竞赛;核心素养;学科特长生

2009年《变形金刚Ⅱ：卷土重来》上映，相信看过的朋友对于击毁入侵地球机器人大力神的威力巨大的新型武器——电磁轨道炮印象深刻。以电磁轨道炮为原型的题目，2017年出现在天津高考理综卷，2019年又出现在第36届全国中学生物理竞赛（简称CPHO）复赛试题中。

1原题展示

1.1 2017年高考天津理综试卷12题

（20分）电磁轨道炮利用电流和磁场的作用使炮弹获得超高速度，其原理可用来研制新武器和航天运载器。电磁轨道炮示意如图，图中直流电源电动势为E，电容器的电容为C。两根固定于水平面内的光滑平行金属导轨间距为L，电阻不计。炮弹可视为一质量为m、电阻为R的金属棒MN，垂直放在两导轨间处于静止状态，并与导轨良好接触。首先开关S接1，使电容器完全充电。然后将S接至2，导轨间存在垂直于导轨平面、磁感应强度大小为B的匀强磁场（图中未画出），MN开始向右加速运动。当MN上的感应电动势与电容器两极板间的电压相等时，回路中电流为零，MN达到最大速度之后离开导轨。问：

（1）磁场的方向;

（2）MN刚开始运动时加速度a的大小;

（3）MN离开导轨后电容器上剩余的电荷量Q是多少。

1.2 2019年第36届全国中学生物理竞赛复赛第三题

（40分）某电磁轨道炮的简化模型如图a所示，两圆柱形固定导轨相互平行，其对称轴所在平面与水平面的夹角为θ，两导轨的长均为L、半径均为b、每单位长度的电阻均为l，两导轨之间的最近距离为d（d很小）。一质量为m（m较小）的金属弹丸（可视为薄片）置于两导轨之间，弹丸直径为d、电阻为R，与导轨保持良好接触。两导轨下端横截面共面，下端（通过两根与相应导轨同轴的、较长的硬导线）与一电流为I的理想恒流源（恒流源内部的能量损耗可不计）相连。不考虑空气阻力和摩擦阻力，重力加速度大小为g，真空磁导率为μ0，考虑一弹丸自导轨下端从静止开始被磁场加速直至射出的过程。

（1）求弹丸在加速过程中所受到的磁场作用力;

（2）求弹丸的出射速度;

（3）求在弹丸加速过程中任意时刻、以及弹丸出射时刻理想恒流源两端的电压;

（4）求在弹丸的整个加速过程中理想恒流源所做的功;

（5）在θ=0的条件下，若导轨和弹丸的电阻均可忽略，求弹丸出射时的动能与理想恒流源所做的功之比。

2.比较研究

2.1共同点

2.1.1源于前沿科技，构建真实情景

两道题源于前沿科技，基于经验事实，来构建真实情境，考察了学生“建构理想模型的抽象概括”的科学思维、“获取和处理信息、基于证据得出结论”的科学探究精神;检验了学生是否能正确理解科学、技术和生产的关系，是否具有实事求是和学以致用的科学态度与责任。

2.1.2注重基础性，考查必备知识

全国中小学教材审定委员会2004年通过的广东教育出版社出版的物理教材选修3-1，“实践与拓展”部分向同学们介绍了电磁炮，要求收集电磁炮的研究进展资料，提出改进意见并写一篇小论文。两道题亦出自于课本，注重基础性，考查必备知识，如安培力、牛顿第二定律、匀变速直线运动速度-位移公式、欧姆定律、法拉第电磁感应定律、动量定理、能量守恒定律等重点知识。

2.1.3注重探究性，考查学生的创新意识

2017年高考天津理综试卷12题第3问，在经历了一个电流变化的过程后求解电容器上剩余的电荷量，需要学生寻找到三个新的联系，建立一个关于“剩余的电荷量Q2”的方程组求解出来。

2019年第36届全国中学生物理竞赛复赛第三题第3问，需要将“弹丸、导轨和恒流源”视为一个闭合回路，对其所围面积的磁通量求一个定积分，然后应用法拉第电磁感应定律求感应电动势，是本问的突破口。

两道题目在真实情境的基础上，都设计了全新的问题供考生去探究，考察了学生的创新意识。学生需要具有批判性思维，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题，追求科技创新，从而创造性的解决新问题。

2.1.4注重核心素养，指引教学方向

2019年第36届全国中学生物理竞赛复赛第三题第5问解答如下：

“当外电阻等于内电阻时，输出最大功率且输出效率为50%”的知识可以迁移到此处，“50%”是该电源的输出效率。现代物理的能量观念，在此得到体现。研究解题过程发现，两道题目要求学生准确把握物理观念，要有清晰流畅的科学思维、过硬的科学探究能力。高考和竞赛都指引髙中教师和学生重视核心素养的培养与提升。

2.2不同点

2.2.1物理竞赛需要更多更深的数学知识支撑。

例如三角函数、函数求极值、不等式、简单的微积分和向量计算有关知识等。

2.2.2物理竞赛需要更广更深些的物理知识支撑。

这些物理知识都源自高中知识，比如本文中提到的这道40分的竞赛题，其实只有一个知识点超出高中范围，它是由毕奥-萨伐尔定律导出的无限长直载流导线周围的磁场公式：

2.2.3物理竞赛对学生的学科核心素养提出了更高的要求。

竞赛学生除了要有准确的物理观念、深厚的科学思维、过硬的科学探究能力之外，还必须具有“学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是，不迷信權威”的科学态度和“舍去浮华、坚韧不拔、追求卓越”的科学精神。

3.研究结论

3.1学科特长生参加竞赛与高考不矛盾

3.1.1竞赛和高考学习时间不冲突。

学科特长生应该有更强的学习力和更高效的学习方法，挤出时间来，自主学习竞赛内容。学科特长生也应该有一颗追求卓越之心，耐得住寂寞，充分利用节假日的时间来投入竞赛。

3.1.2竞赛和高考内容不冲突。

竞赛知识源于高中教材高于教材，学科特长生需要超前学习必备竞赛知识。这些高于教材的竞赛知识会反过来助力更好的理解掌握高考知识。例如初步的微积分能帮助学生很好的理解速度的变化率是加速度、单匝线圈磁通量的变化率是感应电动势、电场强度E和一维位移X组成的E-X图像中面积的物理意义是电势差等。

3.1.3竞赛和高考两方面的学习相辅相成

2020年1月，《教育部关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见》印发，决定自2020年起，在部分高校开展基础学科招生改革试点（也称强基计划）。强基计划的考核录取方案要求，学科特长生必须兼顾高考和竞赛。在高考备考中，掌握好众多基础学科的知识;在竞赛学习中，发挥自己的学科特长。高考学习为竞赛打下坚实的基础，竞赛中习得的更高品质的核心素养助力学好每一门其它学科。

3.2欠发达地区更应借助竞赛，培养学科特长生

全国中学生物理竞赛的目的是激发学生学习物理的兴趣和主动性，促使他们改进学习方法，增强学习能力，提高物理思维品质;帮助学校开展多样化的物理课外活动;发现具有突出才能潜质的青少年，以便更好地对他们进行培养。[1]中学生物理竞赛的指导思想与培养创新人才的理念惊人一致。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中指出：“中国未来发展、中华民族伟大复兴，关键靠人才，基础在教育”，明确提出要探索高中階段拔尖人才的培养模式。[2]

华南师大附中汕尾学校，处在广东省经济和教育欠发达地区。学校秉承“以人为本，持续发展”办学理念和“培养为民族复兴而努力学习的时代新人”的育人目标，整合学校、教师、家庭和社会资源，制定行之有效的“选拔——培养——奖励”学科特长生的学校制度。在各年级选拔队员，组建竞赛集训队，集中学习辅导。学科组抽调骨干教师，组成教练团队。广泛开展校内学科竞赛，鼓励并创造条件参加全国各类学科竞赛，为拔尖人才打造更高平台，助力学科特长生的培养，在学科竞赛和高考自主招生方面取得了初步的成果。

参考文献：

[1]叶沿林.全国中学生物理竞赛与国际奥林匹克物理竞赛[J].物理，2012，41（08）：519-523.

[2]中共中央，国务院.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[Z].2010-07-29.

作者简介：吴正文，男，1978年12月，湖北黄冈，汉族，大学本科，高级中学一级教师，研究方向：高考和学科竞赛。