谈高考物理试题的方法性

丁庆红 郭欣

谈高考物理试题的方法性

丁庆红 郭欣

课程标准把“过程与方法”作为课程目标之一，与“知识与技能”、“情感、态度和价值观”并列，旨在强调过程和方法的学习。实施新课程以来，高考物理试题在突出新课程“过程与方法”维度，体现新课程理念方面作出了很多有益的尝试。

高考；物理；试题；过程与方法

科学方法教育不仅是中学物理教学的重要内容，而且是培养学生能力的重要途径。《普通高中物理课程标准（实验）》在课程总目标中明确要求学生“学习科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题”。[1]在课程基本理念中提出：“高中物理课程旨在进一步提高学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生，为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。”[2]可见，课程标准把“过程和方法”作为课程目标之一，和“知识与技能”、“情感、态度和价值观”并列；重视科学探究的教育作用，强调过程和方法的学习等，这些也是实施新课程以来物理教育理念发生的深刻变化。

科学方法作为物理认识活动的中介，是连接物理现象与物理知识的纽带，在物理理论的发展中起着桥梁作用。物理概念、物理规律只有通过科学方法的参与，才有可能上升为知识形态。不仅如此，物理理论的应用同样需要科学方法的参与。因此，与科学知识相比，科学方法具有更大的稳定性和更普遍的适用性。从这个意义上讲，学生掌握科学方法比掌握科学知识更重要。

实施新课程以来，高考物理试题坚持体现课改精神，适当地渗透新课程的理念和目标。试题内容不仅与高中新课程内容相衔接，而且进一步贴近时代、贴近社会、贴近考生实际，注重对考生运用所学知识分析问题、解决问题能力的考查。近几年来，我们发现高考物理试题在突出新课程“过程与方法”维度、体现新课程理念方面作出了很多有益的尝试。

1 高考物理试题凸显方法性

1.1 高考物理试题通过显化科学方法的名称，突出体现试题的方法性

物理学科的魅力不仅在于物理知识本身，而且在于它的科学思维方法与科学研究方法。高考物理试题越来越注重对“物理思想和物理方法”的考查，这也是新课程三维目标对“过程与方法”维度的要求。例如，2007年、2010年北京卷和2013年四川卷物理试题均考查了控制变量法，2009年和2012年北京卷物理试题均要求考生运用类比的方法探究问题。这些试题的共同特点是在试题中出现了科学方法的名称，考生应该了解这些科学方法。其中2012年北京卷物理试题第23题在题干中指出：“类比是一种常用的研究方法。对于直线运动，教科书中讲解了由v-t图像求位移的方法。请你借鉴此方法，对比加速度和速度的定义，根据a-t图像求……”，显然，试题的用意是要求考生类比v-t图像，解决a-t图像中的相关问题。

【2010年北京卷第18题】用控制变量法，可以研究影响平行板电容器电容的因素（如图1）.设两极板正对面积为S，极板间的距离为d，静电计指针偏角为θ.实验中，极板所带电荷量不变，若

图1

A.保持S不变，增大d，则θ变大

B.保持S不变，增大d，则θ变小

C.保持d不变，减小S，则θ变小

D.保持d不变，减小S，则θ不变 [答案为A]

【2012年北京卷第23题】摩天大楼中一部直通高层的客运电梯，行程超过百米.电梯的简化模型如图2所示.考虑安全、舒适、省时等因素，电梯的加速度a是随时间t变化的.已知电梯在t=0时由静止开始上升，a-t图像如图3所示.电梯总质量m=2.0×103kg.忽略一切阻力，重力加速度g取10 m/s2.

（1）求电梯在上升过程中受到的最大拉力F1和最小拉力F2；

（2）类比是一种常用的研究方法.对于直线运动，教科书中讲解了由v-t图像求位移的方法.请你借鉴此方法，对比加速度和速度的定义，根据图3所示a-t图像，求电梯在第1 s内的速度改变量Δv1和第2 s末的速率v2；

（3）求电梯以最大速率上升时，拉力做功的功率P；再求在0～11 s时间内，拉力和重力对电梯所做的总功W.

图2

图3

【解析】（1）电梯向上的最大加速度a1=1.0 m/s，由牛顿第二定律得：F1-mg=ma1，代入数据求得：F1=2.2×104N.电梯向下的最大加速度a2=1.0 m/s，由牛顿第二定律得：mg-F2=ma2，代入数据求得：F2=1.8×104N.

1.2 高考物理试题以科学方法的典型实例为载体，强化对新课程“过程与方法”维度的考查

物理学不仅以其概念、原理和规律揭示了自然界中物质运动的诸多真理，而且还在建立这种知识体系的过程中，发展了科学思想方法，推动着科学的继续进步。物理学的知识和思想对人类活动的广阔领域都产生重要影响，成为人类文化的重要组成部分，也就是说，它的每一次重大发现，都改变着人们的自然观、科学观和思维方式，成为人类思想和观念进步的伟大阶梯。

通过科学方法的典型实例可以窥视出科学家的思维过程，而这种成熟的思维过程——科学思维方法，正是学生思维活动的楷模；通过科学方法的典型实例可以引导学生像科学家那样去思考问题，增长一点科学创造的灵性与聪慧；通过科学方法的典型实例可以引领学生从中接受科学思维和科学方法的熏陶，从科学嬗变的历史轨迹中，领悟科学探究的精髓，激发学习科学、探索未知的勇气与信心。如伽利略的理想实验法，法国物理学家库仑在研究异种电荷的吸引问题时，将扭秤的振动周期与电荷间距离的关系类比单摆的振动周期与摆球到地心距离的关系。学生从这些实例中不仅可以学到物理课程中的概念、公式、定理等知识，还可以从中学习和领悟科学思维方法。因而这些实例对学生来讲具有巨大的认知价值，成为高考命题专家挖掘的热点素材。2014年北京卷第19题考查了伽利略的理想斜面实验，安徽卷第14题考查了法国物理学家库仑利用类比法探究异种电荷吸引问题的典型实例。

【2014年北京卷第19题】伽利略创造的把实验、假设和逻辑推理相结合的科学方法，有力地促进了人类科学认识的发展.利用如图4所示的装置做如下实验：小球从左侧斜面上的O点由静止释放后沿斜面向下运动，并沿右侧斜面上升.斜面上先后铺垫三种粗糙程度逐渐降低的材料时，小球沿右侧斜面上升到的最高位置依次为1、2、3.根据三次实验结果的对比，可以得到的最直接的结论是

A.如果斜面光滑，小球将上升到与O点等高的位置

B.如果小球不受力，它将一直保持匀速运动或静止状态

C.如果小球受到力的作用，它的运动状态将发生改变

图4

D.小球受到的力一定时，质量越大，它的加速度越小 [答案为A]

【2014年安徽卷第14题】在科学研究中，科学家常将未知现象同已知现象进行比较，找出其共同点，进一步推测未知现象的特性和规律.法国物理学家库仑在研究异种电荷的吸引问题时，曾将扭秤的振动周期与电荷间距离的关系类比单摆的振动周期与摆球到地心距离的关系.已知单摆摆长为l，引力常量为G，地球的质量为M，摆球到地心的距离为r，则单摆振动周期T与距离r的关系式为

[答案为B]

1.3 高考物理试题注重考查利用科学方法解决物理问题的过程，突出体现新课程“过程与方法”维度

发展学生分析和解决实际问题的能力是科学方法教育的目的所在。只有通过解决实际问题才能使学生把运用科学方法学习科学知识变为自觉行为和本能思维。高考物理试题就是利用一些实际问题，考查考生在解决实际问题的过程中选择具体的科学方法，创造性地解决问题，使学生在变化了的条件下也能独立地解决面临的新问题，达到科学方法教育的最终目的。

如2014年江苏卷第4题主要考查学生运用对称性的方法解决实际问题。2008年北京卷第20题考查学生利用量纲检验法、特殊值法、极限法等解决实际问题。像这样的问题在高考物理试题中比比皆是，旨在突出体现新课程“过程与方法”维度，引领新课程改革。

【2014年江苏卷第4题】如图5所示，一圆环上均匀分布着正电荷，x轴垂直于环面且过圆心O.下列关于x轴上的电场强度和电势的说法中正确的是

图5

A.O点的电场强度为零，电势最低

B.O点的电场强度为零，电势最高

C.从O点沿x轴正方向，电场强度减小，电势升高

D.从O点沿x轴正方向，电场强度增大，电势降低

[答案为B]

【2008年北京卷第20题】有一些问题你可能不会求解，但是你仍有可能对这些问题的解是否合理进行分析和判断.例如从解的物理量单位，解随某些已知量变化的趋势，解在一些特殊条件下的结果等方面进行分析，并与预期结果、实验结论等进行比较，从而判断解的合理性或正确性.

图6

对于上述解，某同学首先分析了等号右侧量的单位，没发现问题.他进一步利用特殊条件对该解做了如下四项分析和判断，所得结论都是“解可能是对的”.但是，其中有一项是错误的.请你指出该项

A.当θ=0°时，该解给出a＝0，这符合常识，说明该解可能是对的

B.当θ＝90°时，该解给出a＝g，这符合实验结论，说明该解可能是对的

C.当M≥m时，该解给出a＝gsinθ，这符合预期的结果，说明该解可能是对的

[答案为B]

1.4 高考物理试题重视利用类比法解决新情境问题，突出解决问题的创造性

类比是根据两个对象的已知相似性，把一个对象已知的属性或规律迁移到另一对象上，从而获得对另一对象的新认识。康德说：“每当理智缺乏可靠论证的思路时，类比……往往能指引我们前进。”[3]就此而言，类比可以说是科学通向创新的桥梁。在解释新现象、说明新问题、提出新假说、建立新理论等创新性研究中，用类比推理几乎成为人们必然的选择。

高考承担着选拔人才的功能，所以高考物理试题需要以能力立意。新情境问题能够很好地甄别学生灵活运用所学的物理知识解决实际问题的能力高低。而解决新情境问题往往需要运用类比法，往往需要学生具有一定的创造性解决问题的能力。如2008年海南卷第5题考查的内容是“夸克禁闭”，不是高中物理所学的内容，属于新情境问题。又如2011年上海卷第33题，考查同名磁极间的相互作用，对学生来说也是不常见的新情境问题。学生解决这类问题需要读懂题意，在新情境问题与所学的自己熟悉的物理情境之间建立联系，运用类比方法，创造性地解决实际问题。

【2008年海南卷第5题】质子和中子是由更基本的粒子即所谓“夸克”组成的.两个强作用电荷相反（类似于正负电荷）的夸克在距离很近时几乎没有相互作用（称为“渐近自由”）；在距离较远时，它们之间就会出现很强的引力（导致所谓“夸克禁闭”）.作为一个简单的模型，设这样的两夸克之间的相互作用力F与它们之间的距离r的关系为：

式中F0为大于零的常量，负号表示引力.用U表示夸克间的势能，令U0＝F0(r2-r1)，取无穷远为势能零点.下列U－r图像中正确的是

[答案为B]

【2011年上海卷第33题】如图7，磁铁A、B的同名磁极相对放置，置于水平气垫导轨上.A固定于导轨左端，B的质量m=0.5 kg，可在导轨上无摩擦滑动.将B在A附近某一位置由静止释放，由于能量守恒，可通过测量B在不同位置处的速度，得到B的势能随位置x的变化规律，见图9中曲线I.若将导轨右端抬高，使其与水平面成一定角度（如图8所示），则B的总势能曲线如图9中II所示，将B在x=20.0 cm处由静止释放，求：（解答时必须写出必要的推断说明.取g=9.8 m/s2）

（1）B在运动过程中动能最大的位置；

（2）运动过程中B的最大速度和最大位移;

（3）图9中直线III为曲线II的渐近线，求导轨的倾角；

（4）若A、B异名磁极相对放置，导轨的倾角不变，在图9上画出B的总势能随x的变化曲线.

图8

图9

【解析】（1）势能最小处动能最大，由曲线II得x=6.1 cm.

（2）由图读得释放处势能Ep=0.90 J，此即B的总能量.由能量守恒，在势能最小处动能最大，由图像得最小势能为0.47 J，则最大动能为Ekm=0.9 J-0.47 J=0.43 J.

x=20.0 cm处的总能量为0.90 J，最大位移由E=0.90 J的水平直线与曲线II的左侧交点确定，由图中读出交点位置为x=2.0 cm.因此，最大位移Δx=20.0 cm-2.0 cm=18.0 cm.

（3）渐近线III表示B的重力势能随位置变化关系，即 Epg=mgxsinθ=kx

（4）若异名磁极相对放置，AB间相互作用势能为负值，总势能曲线如图10所示.

图10

2 学生的应对策略

2.1 认识科学方法的重要价值，树立学习科学方法的意识

在实施新课程以前，人们对科学方法价值的认识不够，在物理教育中科学方法并未像知识一样被作为物理教育的内容要求学生掌握，科学方法更多地是用来作为现代物理教育思想的点缀和装饰。

科学方法有着科学知识所不具备的、独特的认识功能。第一，掌握科学方法是获取物理知识的重要途径。学生只有掌握科学方法，才能更快捷地获取物理知识。第二，学生要理解物理知识，同样离不开科学方法。第三，科学方法是物理知识的脉络，是物理知识的神经。它具有把物理知识联系起来并形成结构的功能。科学方法作为基本的研究途径、方式和方法，与概念、规律等知识相平行，包含在自然科学的范畴之中；而且它比概念、定理、定律、公式这类知识更稳定和更广泛。它纵横交错、贯穿于整个知识领域，把不同的知识相互联系起来。如果把科学喻为珍珠项链，科学知识是珍珠，那么科学方法就是连接珍珠的细线。基于此，学生在学习物理概念、规律的过程中，应该自觉地树立学习科学方法的意识。

2.2 形成利用科学方法解决新情境问题的典型实例，深刻领悟科学方法的内涵

通过对科学方法的不断了解、积累和熟练，使学生形成一种借助于科学方法获取物理知识的心理定势，这样，学生就能够快捷地获取知识，深刻地领会和掌握知识。还可以使学生产生对问题的敏感性，能够用科学方法迅速地抓住问题的要害，找出解决问题的途径。具有这样一种心理定势，也是学生能力的一种表现。所以掌握科学方法，不仅与学生获取知识的效率有关，而且与学生能力的发展直接有关。

科学方法还是培养学生物理学习能力的桥梁。因为，物理概念和规律只有与科学方法相结合才有生命力，才能显示其内在的理由、作用和功能；学生只有把学习过的物理概念和规律与科学方法结合起来，才能真正地掌握知识，并加以运用。通过一定量的科学方法训练，使学生在解决实际问题时，能够迅速检索各种各样的方法而无需对照过去，在处理前一个步骤时就能在大脑中预感下一个步骤。即使学生在进行创造性活动时，也能凭直觉而非经验探索到正确的解决途径。所以，科学方法教育不仅能使学生更好地掌握物理知识，而且能很好地培养学生的能力。

3 对中学物理教学的启示

3.1 在教学中利用专题介绍科学方法

随着物理课程标准的制订，物理教育理念有了新的发展。课程标准把“过程与方法”作为课程目标之一，与“知识与技能”、“情感、态度和价值观”并列，显然强调过程与方法的学习。在物理教学实践中可以采取开设专题介绍科学方法。如专题介绍归纳法、演绎法与物理概念和规律的关系，假设、模型在物理学发展过程中和研究物理问题中的作用等。物理学的科学方法离不开物理知识的积淀，没有广博的知识作为基础的科学方法毫无疑问是无源之水、无本之木。因此，在学完一册课本的知识之后，可以设置“专题：科学方法”，对本册重点讲述的科学方法作简单的小结，使蕴含于知识中的方法论因素明朗化、系统化。譬如，在必修一的最后一章介绍模型法、控制变量法、比值定义法、归纳法等方法与物理概念和规律的关系及这些方法在物理学发展过程中和研究物理问题中的作用等。

3.2 以科学方法为主线组织教学

一般教材都是以知识为主线展开，忽略科学方法这一线索。我们可以尝试，以科学知识和科学方法两条线索去组织教材，在以知识体系作为课程内容展开主线的同时设计一个科学方法体系。例如，以知识的发生发展过程和伴随知识发展过程中所蕴含的科学方法为基础，按知识的发展过程及其所运用的科学方法整理出线索组织教材。譬如，高中“牛顿第二定律”的教材可以这样组织：提出问题：物体所获得的加速度，由它的质量和它所受的合外力共同决定（假设法）；→研究问题：实验验证加速度与质量和合外力的数量关系（实验法）→实验（控制变量法）→选择实验数据（误差分析法）→分析实验数据（图像法）→得出定律的表达式（经验公式法）。教师在教学中不仅要向学生讲授作为认知活动的结果的知识，还要厘清知识的来源脉络，其中使用的方法，并且要善于用学生能接受的方式和语言把它展示给学生，让学生自己学习和领略科学方法。

3.3 介绍运用科学方法解决实际问题的案例

发展学生分析和解决实际问题的能力是科学方法教育的目的所在。只有通过解决实际问题才能使学生把运用科学方法学习科学知识变为自觉行为和本能思维。为了使学生掌握科学方法，在物理教育中必须创设良好的认知情境，让学生主动地观察、讨论、思考、实验，并对学生的探索进行指导，使学生沿着科学的思路与方法去探求，从而在不知不觉之中掌握其中所运用的科学方法。

因此，在教学中介绍一些科学研究案例，分析科学家采取的具体方法和步骤，作为教师带领学生效仿的范例。这样，在教学中，学生可从教材中学到在解决实际问题中如何选择具体的科学方法，教师也可从方法论的角度对学生的研究过程进行指导，鼓励学生采用不同方法，提出不同见解，创造性地解决问题，在变化的条件下也能独立地解决面临的新问题，达到科学方法教育的最终目的。

[1][2]中华人民共和国教育部制订.普通高中物理课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[3]张宪魁，李晓林，阴瑞华.物理学方法论[M].杭州：浙江教育出版社，2007.

（责任编辑 陈睿）

How to Reflect“Process and Methods”in Physics of College Entrance Examination

DING Qinghong and GUO Xin

The curriculum standards taking“process and methods”as one of the course objectives,standing side by side with“knowledge and skills”,“emotions,attitudes and values”,is designed to emphasize the process and methods of learning.Since the implementation of the new curriculum,the physics items of College Entrance Examination stress the dimension of“process and method”in order to reflect the new curriculum idea.

College Entrance Examination；Physics；Items；Process and Methods

G405

A

1005-8427(2014)11-0028-7

丁庆红，男，北京教育学院石景山分院，中学高级教师（北京 100043）

郭 欣，女，北京市苹果园中学，中学一级教师（北京 100144）