丁慶紅 郭欣

談高考物理試題的方法性

丁慶紅 郭欣

課程標(biāo)準(zhǔn)把“過程與方法”作為課程目標(biāo)之一，與“知識與技能”、“情感、態(tài)度和價值觀”并列，旨在強(qiáng)調(diào)過程和方法的學(xué)習(xí)。實施新課程以來，高考物理試題在突出新課程“過程與方法”維度，體現(xiàn)新課程理念方面作出了很多有益的嘗試。

高考；物理；試題；過程與方法

科學(xué)方法教育不僅是中學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)容，而且是培養(yǎng)學(xué)生能力的重要途徑。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》在課程總目標(biāo)中明確要求學(xué)生“學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法，發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，能運用物理知識和科學(xué)探究方法解決一些問題”。[1]在課程基本理念中提出：“高中物理課程旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三個方面培養(yǎng)學(xué)生，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對現(xiàn)代社會和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)?！盵2]可見，課程標(biāo)準(zhǔn)把“過程和方法”作為課程目標(biāo)之一，和“知識與技能”、“情感、態(tài)度和價值觀”并列；重視科學(xué)探究的教育作用，強(qiáng)調(diào)過程和方法的學(xué)習(xí)等，這些也是實施新課程以來物理教育理念發(fā)生的深刻變化。

科學(xué)方法作為物理認(rèn)識活動的中介，是連接物理現(xiàn)象與物理知識的紐帶，在物理理論的發(fā)展中起著橋梁作用。物理概念、物理規(guī)律只有通過科學(xué)方法的參與，才有可能上升為知識形態(tài)。不僅如此，物理理論的應(yīng)用同樣需要科學(xué)方法的參與。因此，與科學(xué)知識相比，科學(xué)方法具有更大的穩(wěn)定性和更普遍的適用性。從這個意義上講，學(xué)生掌握科學(xué)方法比掌握科學(xué)知識更重要。

實施新課程以來，高考物理試題堅持體現(xiàn)課改精神，適當(dāng)?shù)貪B透新課程的理念和目標(biāo)。試題內(nèi)容不僅與高中新課程內(nèi)容相銜接，而且進(jìn)一步貼近時代、貼近社會、貼近考生實際，注重對考生運用所學(xué)知識分析問題、解決問題能力的考查。近幾年來，我們發(fā)現(xiàn)高考物理試題在突出新課程“過程與方法”維度、體現(xiàn)新課程理念方面作出了很多有益的嘗試。

1 高考物理試題凸顯方法性

1.1 高考物理試題通過顯化科學(xué)方法的名稱，突出體現(xiàn)試題的方法性

物理學(xué)科的魅力不僅在于物理知識本身，而且在于它的科學(xué)思維方法與科學(xué)研究方法。高考物理試題越來越注重對“物理思想和物理方法”的考查，這也是新課程三維目標(biāo)對“過程與方法”維度的要求。例如，2007年、2010年北京卷和2013年四川卷物理試題均考查了控制變量法，2009年和2012年北京卷物理試題均要求考生運用類比的方法探究問題。這些試題的共同特點是在試題中出現(xiàn)了科學(xué)方法的名稱，考生應(yīng)該了解這些科學(xué)方法。其中2012年北京卷物理試題第23題在題干中指出：“類比是一種常用的研究方法。對于直線運動，教科書中講解了由v-t圖像求位移的方法。請你借鑒此方法，對比加速度和速度的定義，根據(jù)a-t圖像求……”，顯然，試題的用意是要求考生類比v-t圖像，解決a-t圖像中的相關(guān)問題。

【2010年北京卷第18題】用控制變量法，可以研究影響平行板電容器電容的因素（如圖1）.設(shè)兩極板正對面積為S，極板間的距離為d，靜電計指針偏角為θ.實驗中，極板所帶電荷量不變，若

圖1

A.保持S不變，增大d，則θ變大

B.保持S不變，增大d，則θ變小

C.保持d不變，減小S，則θ變小

D.保持d不變，減小S，則θ不變 [答案為A]

【2012年北京卷第23題】摩天大樓中一部直通高層的客運電梯，行程超過百米.電梯的簡化模型如圖2所示.考慮安全、舒適、省時等因素，電梯的加速度a是隨時間t變化的.已知電梯在t=0時由靜止開始上升，a-t圖像如圖3所示.電梯總質(zhì)量m=2.0×103kg.忽略一切阻力，重力加速度g取10 m/s2.

（1）求電梯在上升過程中受到的最大拉力F1和最小拉力F2；

（2）類比是一種常用的研究方法.對于直線運動，教科書中講解了由v-t圖像求位移的方法.請你借鑒此方法，對比加速度和速度的定義，根據(jù)圖3所示a-t圖像，求電梯在第1 s內(nèi)的速度改變量Δv1和第2 s末的速率v2；

（3）求電梯以最大速率上升時，拉力做功的功率P；再求在0～11 s時間內(nèi)，拉力和重力對電梯所做的總功W.

圖2

圖3

【解析】（1）電梯向上的最大加速度a1=1.0 m/s，由牛頓第二定律得：F1-mg=ma1，代入數(shù)據(jù)求得：F1=2.2×104N.電梯向下的最大加速度a2=1.0 m/s，由牛頓第二定律得：mg-F2=ma2，代入數(shù)據(jù)求得：F2=1.8×104N.

1.2 高考物理試題以科學(xué)方法的典型實例為載體，強(qiáng)化對新課程“過程與方法”維度的考查

物理學(xué)不僅以其概念、原理和規(guī)律揭示了自然界中物質(zhì)運動的諸多真理，而且還在建立這種知識體系的過程中，發(fā)展了科學(xué)思想方法，推動著科學(xué)的繼續(xù)進(jìn)步。物理學(xué)的知識和思想對人類活動的廣闊領(lǐng)域都產(chǎn)生重要影響，成為人類文化的重要組成部分，也就是說，它的每一次重大發(fā)現(xiàn)，都改變著人們的自然觀、科學(xué)觀和思維方式，成為人類思想和觀念進(jìn)步的偉大階梯。

通過科學(xué)方法的典型實例可以窺視出科學(xué)家的思維過程，而這種成熟的思維過程——科學(xué)思維方法，正是學(xué)生思維活動的楷模；通過科學(xué)方法的典型實例可以引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家那樣去思考問題，增長一點科學(xué)創(chuàng)造的靈性與聰慧；通過科學(xué)方法的典型實例可以引領(lǐng)學(xué)生從中接受科學(xué)思維和科學(xué)方法的熏陶，從科學(xué)嬗變的歷史軌跡中，領(lǐng)悟科學(xué)探究的精髓，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)、探索未知的勇氣與信心。如伽利略的理想實驗法，法國物理學(xué)家?guī)靵鲈谘芯慨惙N電荷的吸引問題時，將扭秤的振動周期與電荷間距離的關(guān)系類比單擺的振動周期與擺球到地心距離的關(guān)系。學(xué)生從這些實例中不僅可以學(xué)到物理課程中的概念、公式、定理等知識，還可以從中學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟科學(xué)思維方法。因而這些實例對學(xué)生來講具有巨大的認(rèn)知價值，成為高考命題專家挖掘的熱點素材。2014年北京卷第19題考查了伽利略的理想斜面實驗，安徽卷第14題考查了法國物理學(xué)家?guī)靵隼妙惐确ㄌ骄慨惙N電荷吸引問題的典型實例。

【2014年北京卷第19題】伽利略創(chuàng)造的把實驗、假設(shè)和邏輯推理相結(jié)合的科學(xué)方法，有力地促進(jìn)了人類科學(xué)認(rèn)識的發(fā)展.利用如圖4所示的裝置做如下實驗：小球從左側(cè)斜面上的O點由靜止釋放后沿斜面向下運動，并沿右側(cè)斜面上升.斜面上先后鋪墊三種粗糙程度逐漸降低的材料時，小球沿右側(cè)斜面上升到的最高位置依次為1、2、3.根據(jù)三次實驗結(jié)果的對比，可以得到的最直接的結(jié)論是

A.如果斜面光滑，小球?qū)⑸仙脚cO點等高的位置

B.如果小球不受力，它將一直保持勻速運動或靜止?fàn)顟B(tài)

C.如果小球受到力的作用，它的運動狀態(tài)將發(fā)生改變

圖4

D.小球受到的力一定時，質(zhì)量越大，它的加速度越小 [答案為A]

【2014年安徽卷第14題】在科學(xué)研究中，科學(xué)家常將未知現(xiàn)象同已知現(xiàn)象進(jìn)行比較，找出其共同點，進(jìn)一步推測未知現(xiàn)象的特性和規(guī)律.法國物理學(xué)家?guī)靵鲈谘芯慨惙N電荷的吸引問題時，曾將扭秤的振動周期與電荷間距離的關(guān)系類比單擺的振動周期與擺球到地心距離的關(guān)系.已知單擺擺長為l，引力常量為G，地球的質(zhì)量為M，擺球到地心的距離為r，則單擺振動周期T與距離r的關(guān)系式為

[答案為B]

1.3 高考物理試題注重考查利用科學(xué)方法解決物理問題的過程，突出體現(xiàn)新課程“過程與方法”維度

發(fā)展學(xué)生分析和解決實際問題的能力是科學(xué)方法教育的目的所在。只有通過解決實際問題才能使學(xué)生把運用科學(xué)方法學(xué)習(xí)科學(xué)知識變?yōu)樽杂X行為和本能思維。高考物理試題就是利用一些實際問題，考查考生在解決實際問題的過程中選擇具體的科學(xué)方法，創(chuàng)造性地解決問題，使學(xué)生在變化了的條件下也能獨立地解決面臨的新問題，達(dá)到科學(xué)方法教育的最終目的。

如2014年江蘇卷第4題主要考查學(xué)生運用對稱性的方法解決實際問題。2008年北京卷第20題考查學(xué)生利用量綱檢驗法、特殊值法、極限法等解決實際問題。像這樣的問題在高考物理試題中比比皆是，旨在突出體現(xiàn)新課程“過程與方法”維度，引領(lǐng)新課程改革。

【2014年江蘇卷第4題】如圖5所示，一圓環(huán)上均勻分布著正電荷，x軸垂直于環(huán)面且過圓心O.下列關(guān)于x軸上的電場強(qiáng)度和電勢的說法中正確的是

圖5

A.O點的電場強(qiáng)度為零，電勢最低

B.O點的電場強(qiáng)度為零，電勢最高

C.從O點沿x軸正方向，電場強(qiáng)度減小，電勢升高

D.從O點沿x軸正方向，電場強(qiáng)度增大，電勢降低

[答案為B]

【2008年北京卷第20題】有一些問題你可能不會求解，但是你仍有可能對這些問題的解是否合理進(jìn)行分析和判斷.例如從解的物理量單位，解隨某些已知量變化的趨勢，解在一些特殊條件下的結(jié)果等方面進(jìn)行分析，并與預(yù)期結(jié)果、實驗結(jié)論等進(jìn)行比較，從而判斷解的合理性或正確性.

圖6

對于上述解，某同學(xué)首先分析了等號右側(cè)量的單位，沒發(fā)現(xiàn)問題.他進(jìn)一步利用特殊條件對該解做了如下四項分析和判斷，所得結(jié)論都是“解可能是對的”.但是，其中有一項是錯誤的.請你指出該項

A.當(dāng)θ=0°時，該解給出a＝0，這符合常識，說明該解可能是對的

B.當(dāng)θ＝90°時，該解給出a＝g，這符合實驗結(jié)論，說明該解可能是對的

C.當(dāng)M≥m時，該解給出a＝gsinθ，這符合預(yù)期的結(jié)果，說明該解可能是對的

[答案為B]

1.4 高考物理試題重視利用類比法解決新情境問題，突出解決問題的創(chuàng)造性

類比是根據(jù)兩個對象的已知相似性，把一個對象已知的屬性或規(guī)律遷移到另一對象上，從而獲得對另一對象的新認(rèn)識?？档抡f：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時，類比……往往能指引我們前進(jìn)。”[3]就此而言，類比可以說是科學(xué)通向創(chuàng)新的橋梁。在解釋新現(xiàn)象、說明新問題、提出新假說、建立新理論等創(chuàng)新性研究中，用類比推理幾乎成為人們必然的選擇。

高考承擔(dān)著選拔人才的功能，所以高考物理試題需要以能力立意。新情境問題能夠很好地甄別學(xué)生靈活運用所學(xué)的物理知識解決實際問題的能力高低。而解決新情境問題往往需要運用類比法，往往需要學(xué)生具有一定的創(chuàng)造性解決問題的能力。如2008年海南卷第5題考查的內(nèi)容是“夸克禁閉”，不是高中物理所學(xué)的內(nèi)容，屬于新情境問題。又如2011年上海卷第33題，考查同名磁極間的相互作用，對學(xué)生來說也是不常見的新情境問題。學(xué)生解決這類問題需要讀懂題意，在新情境問題與所學(xué)的自己熟悉的物理情境之間建立聯(lián)系，運用類比方法，創(chuàng)造性地解決實際問題。

【2008年海南卷第5題】質(zhì)子和中子是由更基本的粒子即所謂“夸克”組成的.兩個強(qiáng)作用電荷相反（類似于正負(fù)電荷）的夸克在距離很近時幾乎沒有相互作用（稱為“漸近自由”）；在距離較遠(yuǎn)時，它們之間就會出現(xiàn)很強(qiáng)的引力（導(dǎo)致所謂“夸克禁閉”）.作為一個簡單的模型，設(shè)這樣的兩夸克之間的相互作用力F與它們之間的距離r的關(guān)系為：

式中F0為大于零的常量，負(fù)號表示引力.用U表示夸克間的勢能，令U0＝F0(r2-r1)，取無窮遠(yuǎn)為勢能零點.下列U－r圖像中正確的是

[答案為B]

【2011年上海卷第33題】如圖7，磁鐵A、B的同名磁極相對放置，置于水平氣墊導(dǎo)軌上.A固定于導(dǎo)軌左端，B的質(zhì)量m=0.5 kg，可在導(dǎo)軌上無摩擦滑動.將B在A附近某一位置由靜止釋放，由于能量守恒，可通過測量B在不同位置處的速度，得到B的勢能隨位置x的變化規(guī)律，見圖9中曲線I.若將導(dǎo)軌右端抬高，使其與水平面成一定角度（如圖8所示），則B的總勢能曲線如圖9中II所示，將B在x=20.0 cm處由靜止釋放，求：（解答時必須寫出必要的推斷說明.取g=9.8 m/s2）

（1）B在運動過程中動能最大的位置；

（2）運動過程中B的最大速度和最大位移;

（3）圖9中直線III為曲線II的漸近線，求導(dǎo)軌的傾角；

（4）若A、B異名磁極相對放置，導(dǎo)軌的傾角不變，在圖9上畫出B的總勢能隨x的變化曲線.

圖8

圖9

【解析】（1）勢能最小處動能最大，由曲線II得x=6.1 cm.

（2）由圖讀得釋放處勢能Ep=0.90 J，此即B的總能量.由能量守恒，在勢能最小處動能最大，由圖像得最小勢能為0.47 J，則最大動能為Ekm=0.9 J-0.47 J=0.43 J.

x=20.0 cm處的總能量為0.90 J，最大位移由E=0.90 J的水平直線與曲線II的左側(cè)交點確定，由圖中讀出交點位置為x=2.0 cm.因此，最大位移Δx=20.0 cm-2.0 cm=18.0 cm.

（3）漸近線III表示B的重力勢能隨位置變化關(guān)系，即 Epg=mgxsinθ=kx

（4）若異名磁極相對放置，AB間相互作用勢能為負(fù)值，總勢能曲線如圖10所示.

圖10

2 學(xué)生的應(yīng)對策略

2.1 認(rèn)識科學(xué)方法的重要價值，樹立學(xué)習(xí)科學(xué)方法的意識

在實施新課程以前，人們對科學(xué)方法價值的認(rèn)識不夠，在物理教育中科學(xué)方法并未像知識一樣被作為物理教育的內(nèi)容要求學(xué)生掌握，科學(xué)方法更多地是用來作為現(xiàn)代物理教育思想的點綴和裝飾。

科學(xué)方法有著科學(xué)知識所不具備的、獨特的認(rèn)識功能。第一，掌握科學(xué)方法是獲取物理知識的重要途徑。學(xué)生只有掌握科學(xué)方法，才能更快捷地獲取物理知識。第二，學(xué)生要理解物理知識，同樣離不開科學(xué)方法。第三，科學(xué)方法是物理知識的脈絡(luò)，是物理知識的神經(jīng)。它具有把物理知識聯(lián)系起來并形成結(jié)構(gòu)的功能?？茖W(xué)方法作為基本的研究途徑、方式和方法，與概念、規(guī)律等知識相平行，包含在自然科學(xué)的范疇之中；而且它比概念、定理、定律、公式這類知識更穩(wěn)定和更廣泛。它縱橫交錯、貫穿于整個知識領(lǐng)域，把不同的知識相互聯(lián)系起來。如果把科學(xué)喻為珍珠項鏈，科學(xué)知識是珍珠，那么科學(xué)方法就是連接珍珠的細(xì)線?；诖?，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念、規(guī)律的過程中，應(yīng)該自覺地樹立學(xué)習(xí)科學(xué)方法的意識。

2.2 形成利用科學(xué)方法解決新情境問題的典型實例，深刻領(lǐng)悟科學(xué)方法的內(nèi)涵

通過對科學(xué)方法的不斷了解、積累和熟練，使學(xué)生形成一種借助于科學(xué)方法獲取物理知識的心理定勢，這樣，學(xué)生就能夠快捷地獲取知識，深刻地領(lǐng)會和掌握知識。還可以使學(xué)生產(chǎn)生對問題的敏感性，能夠用科學(xué)方法迅速地抓住問題的要害，找出解決問題的途徑。具有這樣一種心理定勢，也是學(xué)生能力的一種表現(xiàn)。所以掌握科學(xué)方法，不僅與學(xué)生獲取知識的效率有關(guān)，而且與學(xué)生能力的發(fā)展直接有關(guān)。

科學(xué)方法還是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力的橋梁。因為，物理概念和規(guī)律只有與科學(xué)方法相結(jié)合才有生命力，才能顯示其內(nèi)在的理由、作用和功能；學(xué)生只有把學(xué)習(xí)過的物理概念和規(guī)律與科學(xué)方法結(jié)合起來，才能真正地掌握知識，并加以運用。通過一定量的科學(xué)方法訓(xùn)練，使學(xué)生在解決實際問題時，能夠迅速檢索各種各樣的方法而無需對照過去，在處理前一個步驟時就能在大腦中預(yù)感下一個步驟。即使學(xué)生在進(jìn)行創(chuàng)造性活動時，也能憑直覺而非經(jīng)驗探索到正確的解決途徑。所以，科學(xué)方法教育不僅能使學(xué)生更好地掌握物理知識，而且能很好地培養(yǎng)學(xué)生的能力。

3 對中學(xué)物理教學(xué)的啟示

3.1 在教學(xué)中利用專題介紹科學(xué)方法

隨著物理課程標(biāo)準(zhǔn)的制訂，物理教育理念有了新的發(fā)展。課程標(biāo)準(zhǔn)把“過程與方法”作為課程目標(biāo)之一，與“知識與技能”、“情感、態(tài)度和價值觀”并列，顯然強(qiáng)調(diào)過程與方法的學(xué)習(xí)。在物理教學(xué)實踐中可以采取開設(shè)專題介紹科學(xué)方法。如專題介紹歸納法、演繹法與物理概念和規(guī)律的關(guān)系，假設(shè)、模型在物理學(xué)發(fā)展過程中和研究物理問題中的作用等。物理學(xué)的科學(xué)方法離不開物理知識的積淀，沒有廣博的知識作為基礎(chǔ)的科學(xué)方法毫無疑問是無源之水、無本之木。因此，在學(xué)完一冊課本的知識之后，可以設(shè)置“專題：科學(xué)方法”，對本冊重點講述的科學(xué)方法作簡單的小結(jié)，使蘊(yùn)含于知識中的方法論因素明朗化、系統(tǒng)化。譬如，在必修一的最后一章介紹模型法、控制變量法、比值定義法、歸納法等方法與物理概念和規(guī)律的關(guān)系及這些方法在物理學(xué)發(fā)展過程中和研究物理問題中的作用等。

3.2 以科學(xué)方法為主線組織教學(xué)

一般教材都是以知識為主線展開，忽略科學(xué)方法這一線索。我們可以嘗試，以科學(xué)知識和科學(xué)方法兩條線索去組織教材，在以知識體系作為課程內(nèi)容展開主線的同時設(shè)計一個科學(xué)方法體系。例如，以知識的發(fā)生發(fā)展過程和伴隨知識發(fā)展過程中所蘊(yùn)含的科學(xué)方法為基礎(chǔ)，按知識的發(fā)展過程及其所運用的科學(xué)方法整理出線索組織教材。譬如，高中“牛頓第二定律”的教材可以這樣組織：提出問題：物體所獲得的加速度，由它的質(zhì)量和它所受的合外力共同決定（假設(shè)法）；→研究問題：實驗驗證加速度與質(zhì)量和合外力的數(shù)量關(guān)系（實驗法）→實驗（控制變量法）→選擇實驗數(shù)據(jù)（誤差分析法）→分析實驗數(shù)據(jù)（圖像法）→得出定律的表達(dá)式（經(jīng)驗公式法）。教師在教學(xué)中不僅要向?qū)W生講授作為認(rèn)知活動的結(jié)果的知識，還要厘清知識的來源脈絡(luò)，其中使用的方法，并且要善于用學(xué)生能接受的方式和語言把它展示給學(xué)生，讓學(xué)生自己學(xué)習(xí)和領(lǐng)略科學(xué)方法。

3.3 介紹運用科學(xué)方法解決實際問題的案例

發(fā)展學(xué)生分析和解決實際問題的能力是科學(xué)方法教育的目的所在。只有通過解決實際問題才能使學(xué)生把運用科學(xué)方法學(xué)習(xí)科學(xué)知識變?yōu)樽杂X行為和本能思維。為了使學(xué)生掌握科學(xué)方法，在物理教育中必須創(chuàng)設(shè)良好的認(rèn)知情境，讓學(xué)生主動地觀察、討論、思考、實驗，并對學(xué)生的探索進(jìn)行指導(dǎo)，使學(xué)生沿著科學(xué)的思路與方法去探求，從而在不知不覺之中掌握其中所運用的科學(xué)方法。

因此，在教學(xué)中介紹一些科學(xué)研究案例，分析科學(xué)家采取的具體方法和步驟，作為教師帶領(lǐng)學(xué)生效仿的范例。這樣，在教學(xué)中，學(xué)生可從教材中學(xué)到在解決實際問題中如何選擇具體的科學(xué)方法，教師也可從方法論的角度對學(xué)生的研究過程進(jìn)行指導(dǎo)，鼓勵學(xué)生采用不同方法，提出不同見解，創(chuàng)造性地解決問題，在變化的條件下也能獨立地解決面臨的新問題，達(dá)到科學(xué)方法教育的最終目的。

[1][2]中華人民共和國教育部制訂.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[3]張憲魁，李曉林，陰瑞華.物理學(xué)方法論[M].杭州：浙江教育出版社，2007.

（責(zé)任編輯 陳睿）

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

丁慶紅，男，北京教育學(xué)院石景山分院，中學(xué)高級教師（北京 100043）

郭 欣，女，北京市蘋果園中學(xué)，中學(xué)一級教師（北京 100144）