摘 要：一道天津理綜卷高考題和一道全國中學(xué)生物理競賽復(fù)賽題，同樣以電磁軌道炮為原型改編而來，主要從培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的層面，比較研究它們的異同，提出學(xué)科特長生參加競賽與高考不矛盾，欠發(fā)達(dá)地區(qū)更應(yīng)借助競賽，培養(yǎng)學(xué)科特長生。

關(guān)鍵詞：物理競賽;核心素養(yǎng);學(xué)科特長生

2009年《變形金剛Ⅱ：卷土重來》上映，相信看過的朋友對于擊毀入侵地球機器人大力神的威力巨大的新型武器——電磁軌道炮印象深刻。以電磁軌道炮為原型的題目，2017年出現(xiàn)在天津高考理綜卷，2019年又出現(xiàn)在第36屆全國中學(xué)生物理競賽（簡稱CPHO）復(fù)賽試題中。

1原題展示

1.1 2017年高考天津理綜試卷12題

（20分）電磁軌道炮利用電流和磁場的作用使炮彈獲得超高速度，其原理可用來研制新武器和航天運載器。電磁軌道炮示意如圖，圖中直流電源電動勢為E，電容器的電容為C。兩根固定于水平面內(nèi)的光滑平行金屬導(dǎo)軌間距為L，電阻不計。炮彈可視為一質(zhì)量為m、電阻為R的金屬棒MN，垂直放在兩導(dǎo)軌間處于靜止?fàn)顟B(tài)，并與導(dǎo)軌良好接觸。首先開關(guān)S接1，使電容器完全充電。然后將S接至2，導(dǎo)軌間存在垂直于導(dǎo)軌平面、磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場（圖中未畫出），MN開始向右加速運動。當(dāng)MN上的感應(yīng)電動勢與電容器兩極板間的電壓相等時，回路中電流為零，MN達(dá)到最大速度之后離開導(dǎo)軌。問：

（1）磁場的方向;

（2）MN剛開始運動時加速度a的大小;

（3）MN離開導(dǎo)軌后電容器上剩余的電荷量Q是多少。

1.2 2019年第36屆全國中學(xué)生物理競賽復(fù)賽第三題

（40分）某電磁軌道炮的簡化模型如圖a所示，兩圓柱形固定導(dǎo)軌相互平行，其對稱軸所在平面與水平面的夾角為θ，兩導(dǎo)軌的長均為L、半徑均為b、每單位長度的電阻均為l，兩導(dǎo)軌之間的最近距離為d（d很?。?。一質(zhì)量為m（m較?。┑慕饘購椡瑁梢暈楸∑┲糜趦蓪?dǎo)軌之間，彈丸直徑為d、電阻為R，與導(dǎo)軌保持良好接觸。兩導(dǎo)軌下端橫截面共面，下端（通過兩根與相應(yīng)導(dǎo)軌同軸的、較長的硬導(dǎo)線）與一電流為I的理想恒流源（恒流源內(nèi)部的能量損耗可不計）相連。不考慮空氣阻力和摩擦阻力，重力加速度大小為g，真空磁導(dǎo)率為μ0，考慮一彈丸自導(dǎo)軌下端從靜止開始被磁場加速直至射出的過程。

（1）求彈丸在加速過程中所受到的磁場作用力;

（2）求彈丸的出射速度;

（3）求在彈丸加速過程中任意時刻、以及彈丸出射時刻理想恒流源兩端的電壓;

（4）求在彈丸的整個加速過程中理想恒流源所做的功;

（5）在θ=0的條件下，若導(dǎo)軌和彈丸的電阻均可忽略，求彈丸出射時的動能與理想恒流源所做的功之比。

2.比較研究

2.1共同點

2.1.1源于前沿科技，構(gòu)建真實情景

兩道題源于前沿科技，基于經(jīng)驗事實，來構(gòu)建真實情境，考察了學(xué)生“建構(gòu)理想模型的抽象概括”的科學(xué)思維、“獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論”的科學(xué)探究精神;檢驗了學(xué)生是否能正確理解科學(xué)、技術(shù)和生產(chǎn)的關(guān)系，是否具有實事求是和學(xué)以致用的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

2.1.2注重基礎(chǔ)性，考查必備知識

全國中小學(xué)教材審定委員會2004年通過的廣東教育出版社出版的物理教材選修3-1，“實踐與拓展”部分向同學(xué)們介紹了電磁炮，要求收集電磁炮的研究進(jìn)展資料，提出改進(jìn)意見并寫一篇小論文。兩道題亦出自于課本，注重基礎(chǔ)性，考查必備知識，如安培力、牛頓第二定律、勻變速直線運動速度-位移公式、歐姆定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、動量定理、能量守恒定律等重點知識。

2.1.3注重探究性，考查學(xué)生的創(chuàng)新意識

2017年高考天津理綜試卷12題第3問，在經(jīng)歷了一個電流變化的過程后求解電容器上剩余的電荷量，需要學(xué)生尋找到三個新的聯(lián)系，建立一個關(guān)于“剩余的電荷量Q2”的方程組求解出來。

2019年第36屆全國中學(xué)生物理競賽復(fù)賽第三題第3問，需要將“彈丸、導(dǎo)軌和恒流源”視為一個閉合回路，對其所圍面積的磁通量求一個定積分，然后應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律求感應(yīng)電動勢，是本問的突破口。

兩道題目在真實情境的基礎(chǔ)上，都設(shè)計了全新的問題供考生去探究，考察了學(xué)生的創(chuàng)新意識。學(xué)生需要具有批判性思維，能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問題，追求科技創(chuàng)新，從而創(chuàng)造性的解決新問題。

2.1.4注重核心素養(yǎng)，指引教學(xué)方向

2019年第36屆全國中學(xué)生物理競賽復(fù)賽第三題第5問解答如下：

“當(dāng)外電阻等于內(nèi)電阻時，輸出最大功率且輸出效率為50%”的知識可以遷移到此處，“50%”是該電源的輸出效率。現(xiàn)代物理的能量觀念，在此得到體現(xiàn)。研究解題過程發(fā)現(xiàn)，兩道題目要求學(xué)生準(zhǔn)確把握物理觀念，要有清晰流暢的科學(xué)思維、過硬的科學(xué)探究能力。高考和競賽都指引髙中教師和學(xué)生重視核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與提升。

2.2不同點

2.2.1物理競賽需要更多更深的數(shù)學(xué)知識支撐。

例如三角函數(shù)、函數(shù)求極值、不等式、簡單的微積分和向量計算有關(guān)知識等。

2.2.2物理競賽需要更廣更深些的物理知識支撐。

這些物理知識都源自高中知識，比如本文中提到的這道40分的競賽題，其實只有一個知識點超出高中范圍，它是由畢奧-薩伐爾定律導(dǎo)出的無限長直載流導(dǎo)線周圍的磁場公式：

2.2.3物理競賽對學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)提出了更高的要求。

競賽學(xué)生除了要有準(zhǔn)確的物理觀念、深厚的科學(xué)思維、過硬的科學(xué)探究能力之外，還必須具有“學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲，能主動與他人合作，尊重他人，能基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解，實事求是，不迷信權(quán)威”的科學(xué)態(tài)度和“舍去浮華、堅韌不拔、追求卓越”的科學(xué)精神。

3.研究結(jié)論

3.1學(xué)科特長生參加競賽與高考不矛盾

3.1.1競賽和高考學(xué)習(xí)時間不沖突。

學(xué)科特長生應(yīng)該有更強的學(xué)習(xí)力和更高效的學(xué)習(xí)方法，擠出時間來，自主學(xué)習(xí)競賽內(nèi)容。學(xué)科特長生也應(yīng)該有一顆追求卓越之心，耐得住寂寞，充分利用節(jié)假日的時間來投入競賽。

3.1.2競賽和高考內(nèi)容不沖突。

競賽知識源于高中教材高于教材，學(xué)科特長生需要超前學(xué)習(xí)必備競賽知識。這些高于教材的競賽知識會反過來助力更好的理解掌握高考知識。例如初步的微積分能幫助學(xué)生很好的理解速度的變化率是加速度、單匝線圈磁通量的變化率是感應(yīng)電動勢、電場強度E和一維位移X組成的E-X圖像中面積的物理意義是電勢差等。

3.1.3競賽和高考兩方面的學(xué)習(xí)相輔相成

2020年1月，《教育部關(guān)于在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點工作的意見》印發(fā)，決定自2020年起，在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點（也稱強基計劃）。強基計劃的考核錄取方案要求，學(xué)科特長生必須兼顧高考和競賽。在高考備考中，掌握好眾多基礎(chǔ)學(xué)科的知識;在競賽學(xué)習(xí)中，發(fā)揮自己的學(xué)科特長。高考學(xué)習(xí)為競賽打下堅實的基礎(chǔ)，競賽中習(xí)得的更高品質(zhì)的核心素養(yǎng)助力學(xué)好每一門其它學(xué)科。

3.2欠發(fā)達(dá)地區(qū)更應(yīng)借助競賽，培養(yǎng)學(xué)科特長生

全國中學(xué)生物理競賽的目的是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和主動性，促使他們改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，增強學(xué)習(xí)能力，提高物理思維品質(zhì);幫助學(xué)校開展多樣化的物理課外活動;發(fā)現(xiàn)具有突出才能潛質(zhì)的青少年，以便更好地對他們進(jìn)行培養(yǎng)。[1]中學(xué)生物理競賽的指導(dǎo)思想與培養(yǎng)創(chuàng)新人才的理念驚人一致。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中指出：“中國未來發(fā)展、中華民族偉大復(fù)興，關(guān)鍵靠人才，基礎(chǔ)在教育”，明確提出要探索高中階段拔尖人才的培養(yǎng)模式。[2]

華南師大附中汕尾學(xué)校，處在廣東省經(jīng)濟和教育欠發(fā)達(dá)地區(qū)。學(xué)校秉承“以人為本，持續(xù)發(fā)展”辦學(xué)理念和“培養(yǎng)為民族復(fù)興而努力學(xué)習(xí)的時代新人”的育人目標(biāo)，整合學(xué)校、教師、家庭和社會資源，制定行之有效的“選拔——培養(yǎng)——獎勵”學(xué)科特長生的學(xué)校制度。在各年級選拔隊員，組建競賽集訓(xùn)隊，集中學(xué)習(xí)輔導(dǎo)。學(xué)科組抽調(diào)骨干教師，組成教練團隊。廣泛開展校內(nèi)學(xué)科競賽，鼓勵并創(chuàng)造條件參加全國各類學(xué)科競賽，為拔尖人才打造更高平臺，助力學(xué)科特長生的培養(yǎng)，在學(xué)科競賽和高考自主招生方面取得了初步的成果。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉沿林.全國中學(xué)生物理競賽與國際奧林匹克物理競賽[J].物理，2012，41（08）：519-523.

[2]中共中央，國務(wù)院.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）[Z].2010-07-29.

作者簡介：吳正文，男，1978年12月，湖北黃岡，漢族，大學(xué)本科，高級中學(xué)一級教師，研究方向：高考和學(xué)科競賽。