品析真题 培养批判性思维能力①——高考物理中回旋加速器试题剖析与启示

薛 甫

(江苏省睢宁县教师发展中心，江苏 徐州 221200)

1 引言

引导教学是高考评价体系的核心目标之一，是基础教育对高考的现实需求。通过优化试卷结构，创新试题设计，降低大量刷题、机械训练的收益，切实减轻学生的学业负担，培养学生的关键能力。有的高考试题以课程标准和教材中的典型问题为考查情境，引导教学遵循课程标准，回归教材的同时不断创新，培养学生的信息获取与加工、推理论证、模型构建等批判性思维能力和创新能力。

以回旋加速器为情境，考查带电粒子在电磁场中的运动问题常以压轴题出现，且都在基础模型上有所创新，起到了良好的考查效果和引导作用。笔者以2011年江苏卷第15题、2016年江苏卷第15题、2021年江苏省第一次适应性考试第16题为例进行了统计分析(表1)，与同行交流。

表1

2 回归教材，追本溯源

在2019年版人教版高中物理选择性必修第二册中给出了回旋加速器的理想模型，在物理教学中通常将回旋加速器进行必要的简化，如忽略带电粒子的加速时间、高能粒子的相对论效应等，这些简化突出了回旋加速器的基本原理，有利于学生在具体情境中应用物理原理。但是，这些简化也会让学生产生“思维惯性”，缺乏多角度思考问题的思辨意识与能力。近几年高考试题对长期形成的“固化模式”进行了反拨，试题更加趋近实际情境，考查学生的批判性思维和创新能力。在回旋加速器的复习教学中，有必要让学生亲历过程，厘清核心问题，学以致用，形成结构化的知识体系和关键能力。

2.1 回旋加速器的发明过程

人教版高中物理必修第三册指出：“在现代科学实验和技术装备中，常常利用电场来改变或控制带电粒子的运动。”然而，获得高能粒子的加速器会遇到特高电压的技术难题。若采用多级加速器，则面临加速器装置很长的空间局限。为满足高能粒子的加速需求，科学家创造性地设计了用电场加速、用磁场控制运动轨道的回旋加速器，重温回旋加速器的发明过程提供了培养学生批判性思维意识的良好时机。

2.2 粒子通过D形盒盒缝间的时间可以忽略的条件

2.3 粒子回旋半径变化规律

图1

2.4 在磁场中回旋周期与交变电压周期的关系

若不考虑粒子在电场中的加速时间，粒子在磁场中回旋半周的时间理论上应等于交变电压的周期。事实上，粒子每次在加速电场中运动时间逐渐减少，使得加速频率与回旋频率不匹配，另外，高能粒子因相对论效应使得质量发生改变，影响粒子回旋频率，也会导致加速频率与回旋频率不匹配。因此，提高加速频率与回旋频率匹配度是回旋加速器效率提高的有效策略之一。从多个角度审视结论，促使学生进行深度思考，提出创造性的见解，从而使学生批判性思能力向高阶发展。

3 细处切入，守正创新

高考试题在为国家选拔创新人才的同时，引导高中教学走出“机械刷题”“重复训练”的“题海”怪圈，要求试题命制者从不同的角度在基本模型的细微之处进行创新，引导学生重视信息获取、推理论证、模型构建，灵活运用物理原理和方法解决实际问题。

3.1 试题创新1

考虑到粒子在电场中的加速时间，试题对粒子运动模型的构建等提出了要求。如在江苏卷2016年第15题的题干中明确提出：“现考虑粒子在狭缝中运动的时间”，同时“假设能够出射的粒子每次经过狭缝均做匀加速运动”。为学生构建粒子在电场中做不连续的匀加速直线运动模型提供了抓手。2021年八省市第一次适应性考试江苏卷第16题在此基础上再次创新，表述如下：加速电场的长度为L,粒子在电场中的加速时间显然不能忽略，一束粒子在加速器中的运动轨道犹如跑道，最后飘入的粒子将比最先飘入的多运动一圈，实质上考查了学生对于先后进入的粒子在回旋加速器空间中的追及情境的想象能力和运动模型的构建、数理融合运用能力等，有较高的区分度。

3.2 试题创新2

3.3 试题创新3

采用直流电压加速，在每个周期加速次数方面也进行了创新。如2021年八省市第一次适应性考试江苏卷第16题的表述如下：粒子先在匀强电场中加速后，进入偏转磁场再进入无电磁场区域做匀速直线运动，再经偏转磁场后进入电场被加速，运动轨迹如跑道。此题的设计在基础模型上对运动模型、粒子源的位置、加速电压等处进行了创新，体现了综合性、应用性和创新性的考查要求。

其他的高考物理题从粒子源的位置、狭缝变为小孔、磁感应强度的变化、高能粒子的引出方法、回旋加速器的结构等方面进行创新，这些都在引导学生重视对物理概念、规律的理解。

4 深入研究，深刻领会

4.1 深入研究高考精品试题，促进学生深度学习

我国恢复高考制度以来，出现了许多精品物理试题，这些都是高考复习备考的优质资源。教师应深入研究这些精品试题，把握命题方向，引导高考复习教学。教师将好的试题思路吸收内化，运用到平时的习题编制中，提高教学效果和自身的专业素养。新高考对批判性思维和创新能力提出了考查要求，引导教师更新教育理念，整合教学内容，重构学科教学体系。带电粒子在电磁场中的运动是高中物理的主干知识，在“无情境不命题”的背景下，教师应以高考中出现的回旋加速器或质谱仪等试题为例，分析试题考查要求、命制的切入点，将试题进行改编、创新，促进学生深度学习，培养学生的问题解决能力，提高学生的核心素养。

4.2 深刻理解我国高考评价体系，感悟高考评价对高中物理教学的反拨功能

引导教学是基础教育对高考的现实要求，需发挥高考的正面引导作用，对教学具有反拨功能，反题海战术、反押题战术、反题型套路、反机械刷题是反拨功能的具体体现。1977年恢复高考后，高考试题命制经历了从知识立意到能力立意的转变，再到“价值引领、素养导向、能力为重，知识为基”的理论体系构建。经过近几年的实践检验，我国高考评价体系实现了素质教育与考查内容、考查目标的对接，发挥了高考作为基础教育的指挥棒作用，对教育教学有积极的正面引导作用。近几年以情境为载体的高考试题让一线师生深切感受到了“机械刷题、反复训练”的方式是高耗低效、收益甚微的教学模式，从而引导他们调整教学策略，摒弃题海战术，引导学生从解题向问题解决的转变。各地教育主管部门和教研机构也应将高考评价的理念向初中、小学阶段渗透，积极探索各学段有效衔接的一体化培养模式，培养学生的核心素养。

以我国高考评价体系为纲领，品析高考真题，回归教材，挖掘考查的本质，培养学生的批判性思维能力，为培养国家急需的创新型人才，这是高中物理教学中要始终坚守的方向。