□許冬保

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2015年全國(guó)課標(biāo)理綜卷物理學(xué)史試題評(píng)析與教學(xué)建議

□許冬保

【摘要】2015年全國(guó)課標(biāo)理綜卷Ⅰ及卷Ⅱ中的物理學(xué)史試題，其史料已超出現(xiàn)行教材。其設(shè)計(jì)思想與命題方向，對(duì)加強(qiáng)中學(xué)物理學(xué)史教學(xué)具有較好的導(dǎo)向作用。本文通過(guò)對(duì)試題進(jìn)行評(píng)析，從教學(xué)論的視角，提出加強(qiáng)物理學(xué)史教學(xué)的三條建議。

【關(guān)鍵詞】“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”；指南針；分析；評(píng)價(jià)；教學(xué)建議

一、原題展示

【試題1】（卷Ⅰ，第19題）1824年，法國(guó)科學(xué)家阿拉果完成了著名的“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”。實(shí)驗(yàn)中將一銅圓盤(pán)水平放置，在其中心正上方用柔軟細(xì)線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓盤(pán)在磁針的磁場(chǎng)中繞過(guò)圓盤(pán)中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，但略有滯后。下列說(shuō)法正確的是（）

圖1

A.圓盤(pán)上產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

B.圓盤(pán)內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)

C.在圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，磁針的磁場(chǎng)穿過(guò)整個(gè)圓盤(pán)的磁通量發(fā)生了變化

D.圓盤(pán)中的自由電子隨圓盤(pán)一起運(yùn)動(dòng)形成電流，此電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)

【試題2】（卷Ⅱ，第18題）指南針是我國(guó)古代四大發(fā)明之一。關(guān)于指南針，下列說(shuō)明正確的是（）

A.指南針可以?xún)H具有一個(gè)磁極

B.指南針能夠指向南北，說(shuō)明地球具有磁場(chǎng)

C.指南針的指向會(huì)受到附近鐵塊的干擾

D.在指南針正上方附近沿指針?lè)较蚍胖靡恢睂?dǎo)線，導(dǎo)線通電時(shí)指南針不偏轉(zhuǎn)

二、分析解答

試題1，我們知道塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中，或者讓它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬塊內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流在金屬塊內(nèi)自成閉合回路，很像水的漩渦，稱(chēng)之為渦流。當(dāng)圓盤(pán)在磁針的磁場(chǎng)中繞過(guò)圓盤(pán)中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在盤(pán)中產(chǎn)生渦流，渦流受到磁針磁場(chǎng)的安培力作用，安培力（準(zhǔn)確講是安培力的力矩）將阻礙圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于力的作用是相互的，因此，小磁針也會(huì)同方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，其轉(zhuǎn)速肯定小于圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速，這其實(shí)就是感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)的原理?？梢?jiàn)選項(xiàng)A、B正確。對(duì)于圓盤(pán)整體而言，穿過(guò)其磁通量沒(méi)有發(fā)生變化，因此選項(xiàng)C錯(cuò)誤。圓盤(pán)中的自由電子隨圓盤(pán)一起運(yùn)動(dòng)形成環(huán)形電流，該電流的磁場(chǎng)方向通過(guò)圓盤(pán)中心方向豎直向下，圓盤(pán)中心的其他地方對(duì)稱(chēng)分布，方向均豎直向下。該磁場(chǎng)對(duì)小磁針在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)沒(méi)有影響。實(shí)際上，圓盤(pán)中的正離子也在隨盤(pán)旋轉(zhuǎn)，它與自由電子產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消?？梢?jiàn)選項(xiàng)D也是錯(cuò)誤的。對(duì)選項(xiàng)D的判斷，如果從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的視角來(lái)分析，問(wèn)題更簡(jiǎn)單，假設(shè)以圓盤(pán)為參考系，則電子不會(huì)相對(duì)圓盤(pán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然也就沒(méi)有電流可言，但是圓盤(pán)上的小磁針仍在轉(zhuǎn)動(dòng)，這說(shuō)明兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不可能是選項(xiàng)D描述的情形。因此，該題正確選項(xiàng)為A、B。

試題2，指南針即是一個(gè)小的磁鐵。1931年，著名的英國(guó)物理學(xué)家狄拉克從理論上預(yù)言了存在著只有一個(gè)磁極的粒子，叫磁單極子。但是有關(guān)磁單極子的實(shí)驗(yàn)和理論仍在研究之中，尚未取得重大突破。因此，就目前科學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀而言，指南針不可以?xún)H具有一個(gè)磁極，選項(xiàng)A錯(cuò)誤。由于地球是一個(gè)磁體，指南針的N極近似指向地球地理位置的北極，指南針的S極近似指向地球地理位置的南極，如果指南針附近有鐵塊，則鐵塊會(huì)磁化，從而對(duì)指南針產(chǎn)生影響，可見(jiàn)選項(xiàng)B、C正確。如果在指南針正上方附近沿指針?lè)较蚍胖靡恢睂?dǎo)線，導(dǎo)線通電時(shí)會(huì)在周?chē)臻g產(chǎn)生磁場(chǎng)，由安培定律可確定該電流的磁場(chǎng)方向，容易判定該磁場(chǎng)會(huì)使指南針偏離南北指向的位置。綜上，該題正確選項(xiàng)為B、C。

三、試題評(píng)價(jià)

2015年物理學(xué)史試題的取材超出現(xiàn)行課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)，試題以相關(guān)史料為載體，考查考生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解、推理、分析以及評(píng)價(jià)的能力。

試題1，阿拉果的“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”所描述的現(xiàn)象是電磁學(xué)發(fā)展中的重大發(fā)現(xiàn)。在電磁學(xué)發(fā)展史上，阿拉果的“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”曾經(jīng)引起眾多物理學(xué)家的關(guān)注，如畢奧認(rèn)為銅盤(pán)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生了磁性，安培認(rèn)為銅盤(pán)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生了電流（試題1中的D選項(xiàng)即以此設(shè)計(jì)），直到1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后，才正確解釋了“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”。毋庸置疑，阿拉果的“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”對(duì)法拉第電磁感應(yīng)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)具有極其重要的影響，“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”使法拉第堅(jiān)定“磁生電”的信念，促進(jìn)了法拉第通過(guò)設(shè)計(jì)其他實(shí)驗(yàn)探究“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”之中所蘊(yùn)含的奧秘，法拉第制作的第一臺(tái)發(fā)電機(jī)模型的靈感也源于“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”。該題通過(guò)再現(xiàn)阿拉果“圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”的史實(shí)，讓考生置身于歷史的長(zhǎng)河中，重復(fù)物理學(xué)家研究和發(fā)現(xiàn)物理問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)分析，從而鑒別學(xué)生對(duì)渦流、電磁驅(qū)動(dòng)等概念的理解和掌握的程度。試題圍繞渦流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)設(shè)問(wèn)，由于渦流概念屬于考試大綱中的較低要求，備考中或許遺漏了對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)。另一方面，圓盤(pán)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，倒底是動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)、感生電動(dòng)勢(shì)，亦或兩者均有？根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，整個(gè)圓盤(pán)并不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，何來(lái)感應(yīng)電流？等等，學(xué)生由于缺乏深度的思考，容易造成錯(cuò)誤的選擇。總之，試題情景和設(shè)問(wèn)（選項(xiàng)）構(gòu)思巧妙、獨(dú)具匠心，抽樣統(tǒng)計(jì)難度僅為0.30，說(shuō)明試題難度稍大，但無(wú)可否認(rèn)這是一道有價(jià)值的難題。

試題2，關(guān)于指南針的原理與應(yīng)用，凸顯我國(guó)古代物理學(xué)發(fā)展的偉大成就。指南針作為我國(guó)古代四大發(fā)明之一，在人類(lèi)文明史上有著重要的地位，是使我國(guó)成為文明古國(guó)的標(biāo)志之一，此試題有利于增強(qiáng)考生的愛(ài)國(guó)熱情和民族自豪感。關(guān)于指南針，考生在初中已經(jīng)接觸，由于指南針自身就是一個(gè)小磁體，該小磁體受地球磁場(chǎng)的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，主要應(yīng)用于判斷地球南北方位及確定某處磁場(chǎng)的方向。因此，具有初中物理水平的考生就能回答，其難度較小。

綜上所述，2015年物理學(xué)史試題的設(shè)計(jì)，彰顯課程標(biāo)準(zhǔn)的理念且符合中學(xué)物理教學(xué)的實(shí)際情況，對(duì)今后中學(xué)進(jìn)行物理學(xué)史教學(xué)具有重要的引領(lǐng)作用。

四、教學(xué)建議

1.教學(xué)中融入物理學(xué)史的內(nèi)容，有利于促進(jìn)三維課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

研讀《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》可以發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)史的要求滲透于相關(guān)模塊的教學(xué)目標(biāo)之中，總體上可以分為3類(lèi)：（1）了解物理學(xué)家在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中的貢獻(xiàn)，理解與物理學(xué)家相關(guān)的重要物理概念、規(guī)律與理論；（2）了解物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)或探究物理規(guī)律的過(guò)程，領(lǐng)悟物理學(xué)家探究過(guò)程中的物理思想或方法，體會(huì)科學(xué)探索中的成功或挫折對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義；（3）了解我國(guó)古代在物理學(xué)方面的成就?？梢?jiàn)，課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于物理學(xué)史的要求是非常明確的，物理學(xué)史本身就是物理教學(xué)的目標(biāo)和學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

物理學(xué)史由于其所具有的豐富內(nèi)容和獨(dú)特視角，為增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)三維課程目標(biāo)的達(dá)成提供了重要的素材。物理學(xué)史融入課堂教學(xué)之中，有助于學(xué)生了解物理概念、規(guī)律形成和發(fā)展的過(guò)程，掌握物理學(xué)家探索物質(zhì)世界的科學(xué)方法，有助于激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生正確的人生觀和價(jià)值觀，是貫徹落實(shí)三維課程培養(yǎng)目標(biāo)的有效途徑。有鑒于此，在物理教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)展示前輩科學(xué)家在概念、規(guī)律和理論建立過(guò)程中的思想與方法，介紹科學(xué)家在探究過(guò)程中的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)發(fā)生、發(fā)展的過(guò)程。正如法國(guó)著名的物理學(xué)家郎之萬(wàn)所言，那種認(rèn)為只需掌握已獲得的、確定的定理的想法是絕對(duì)錯(cuò)誤的，因?yàn)樗皶?huì)使科學(xué)喪失掉它的全部教育價(jià)值”，而在科學(xué)教育中加入歷史的觀點(diǎn)是有百利而無(wú)一弊的。

2.教學(xué)中重演科學(xué)發(fā)生的過(guò)程，有利于提高學(xué)生的遷移能力

邏輯與歷史的一致性或同一性是黑格爾首先發(fā)現(xiàn)的。邏輯與歷史的一致性表明，個(gè)體認(rèn)識(shí)活動(dòng)的邏輯過(guò)程與人類(lèi)認(rèn)識(shí)發(fā)展的歷史過(guò)程，在總體上和主要環(huán)節(jié)上具有一致性。恩格斯認(rèn)為，邏輯與歷史的關(guān)系類(lèi)似于胚胎生長(zhǎng)和古生物進(jìn)化的關(guān)系。的確，當(dāng)我們參觀從受精卵到嬰兒的各個(gè)時(shí)期的人體胚胎標(biāo)本時(shí)，當(dāng)我們參觀從低等動(dòng)物進(jìn)化到高等動(dòng)物的古生物學(xué)展覽時(shí)，其間的各種相似性令人驚訝、發(fā)人深思。

皮亞杰通過(guò)大量的史實(shí)考察，認(rèn)為科學(xué)發(fā)展史的確為科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)生和發(fā)展提供了有力的證據(jù)，他將科學(xué)史稱(chēng)為“認(rèn)識(shí)發(fā)生的實(shí)驗(yàn)室”。該結(jié)果進(jìn)一步表明：科學(xué)發(fā)展的歷史對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程具有重要的借鑒作用。邏輯與歷史的一致性對(duì)物理教學(xué)有重要的啟示，它為理解物理教學(xué)體系的形成、發(fā)展，為理解學(xué)生認(rèn)知活動(dòng)的規(guī)律性，為把握教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，提供了理論依據(jù)。它使我們懂得，為什么物理教學(xué)的邏輯體系在總體和主要環(huán)節(jié)上必定是物理學(xué)歷史發(fā)展的反映；為什么歷史上關(guān)鍵性的突破和前輩物理學(xué)家偉大貢獻(xiàn)的精髓，應(yīng)該成為物理教學(xué)的難點(diǎn)；為什么物理教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)往往與物理學(xué)史中長(zhǎng)期未能克服的困難不謀而合，總是帶有歷史的烙印，等等。

認(rèn)知心理學(xué)家指出，清晰、完善的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，能有效促進(jìn)知識(shí)與能力的遷移。有鑒于此，在中學(xué)物理教學(xué)中引入物理學(xué)史，有利于厘清物理學(xué)發(fā)展的歷程，有利于學(xué)生構(gòu)建清晰的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高學(xué)生的遷移能力。

3.教學(xué)中展示物理學(xué)史上的重要實(shí)驗(yàn)，有利于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)

今天的教學(xué)不再是教教材，而是用教材教。因此，關(guān)注教材以外的重要的物理學(xué)史料，特別是物理學(xué)家所設(shè)計(jì)的對(duì)理論發(fā)展有重大影響的重要實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生用學(xué)過(guò)的知識(shí)去分析實(shí)驗(yàn)、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，作為教學(xué)的拓展或延伸，無(wú)疑是必要的。經(jīng)歷這種認(rèn)識(shí)、推理與論證的過(guò)程，能使學(xué)生了解物理學(xué)家探索理論知識(shí)的過(guò)程、思想與方法，理解概念和規(guī)律形成與發(fā)展的矛盾、原因和結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生立足于當(dāng)時(shí)歷史條件認(rèn)識(shí)事物的科學(xué)的價(jià)值觀，并從中受到人文精神的感染、熏陶，對(duì)于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和人文素養(yǎng)的提高是大有益處的。

【例1】費(fèi)恩曼圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)

美國(guó)著名物理學(xué)家費(fèi)恩曼曾設(shè)計(jì)過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：一塊絕緣圓盤(pán)可繞其中心豎直轉(zhuǎn)軸無(wú)摩擦地自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在圓盤(pán)的中部有一個(gè)線圈，圓盤(pán)的邊緣固定著一圈帶電的金屬小球，如圖2所示。在線圈接通電源或斷開(kāi)電源的瞬間發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。若改變小球帶電的性質(zhì)或?qū)⒕€圈中電流的方向改變，則在線圈接通電源或斷開(kāi)電源的瞬間發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也會(huì)隨之改變。

圖2　費(fèi)恩曼實(shí)驗(yàn)

【例2】法拉第電磁旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，安培提出了分子電流假說(shuō)……，一系列激動(dòng)人心的研究成果傳到英國(guó)，立即引起了廣泛關(guān)注，1821年英國(guó)《哲學(xué)學(xué)報(bào)》雜志編輯約法拉第寫(xiě)了一篇關(guān)于電磁問(wèn)題的述評(píng)，這件事導(dǎo)致法拉第開(kāi)始了電磁學(xué)的研究。法拉第在整理電磁學(xué)文獻(xiàn)時(shí)，為了判斷各種說(shuō)法的真?zhèn)危隽嗽S多實(shí)驗(yàn)，其中包括奧斯特和安培的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新現(xiàn)象：如果在載流導(dǎo)線附近只有磁鐵的一個(gè)極，磁鐵就會(huì)圍繞導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)；反之，如果在磁極周?chē)休d流導(dǎo)線，這導(dǎo)線也會(huì)繞磁極旋轉(zhuǎn)，如圖3所示，這就是電磁旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上，它也是最早的電動(dòng)機(jī)雛形。圖中a是可動(dòng)磁鐵，b是固定導(dǎo)線，c是可動(dòng)導(dǎo)線，d是固定磁鐵，黑色部分表示汞，下部接在電源上，則從上向下看a逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，c順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖3　法拉第電磁旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

眾所周知，物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是物理學(xué)家不斷探索、發(fā)現(xiàn)重要概念和規(guī)律的過(guò)程，正是由于這些投身于物理研究的科學(xué)家的貢獻(xiàn)，經(jīng)過(guò)四個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，物理學(xué)才成為一門(mén)有著眾多分支、令人尊敬和熱愛(ài)的基礎(chǔ)科學(xué)。物理學(xué)史試題的設(shè)計(jì)是新課程實(shí)施后，高考命題的亮點(diǎn)之一。2015年物理學(xué)史試題的設(shè)計(jì)思想和命題方向值得肯定，對(duì)引導(dǎo)中學(xué)重視物理學(xué)史教學(xué)，發(fā)揮物理學(xué)史的教育功能將會(huì)起到重要的導(dǎo)向作用。

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（編輯：趙悅）

【基金項(xiàng)目】本文系中國(guó)教育學(xué)會(huì)物理教學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2013～2016年全國(guó)物理教育科研重點(diǎn)課題“習(xí)題教學(xué)與物理科學(xué)方法教育的研究”的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0568（2016）07-0028-03

作者簡(jiǎn)介：許冬保，江西省九江市第一中學(xué)首席教師，江西省物理特級(jí)教師。主要從事高中物理教學(xué)及考試命題與評(píng)價(jià)的研究。