王書香

摘? ?要：通過分析河北省2021年高考壓軸選擇題的解題思路，展現(xiàn)定性定量相結(jié)合的科學(xué)思維在解決物理問題中的重要性，然后根據(jù)《中國高考評價體系》和《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》的要求，提出高中物理教學(xué)應(yīng)重視科學(xué)思維的建議，以此為今后的高中物理教學(xué)指明方向。

關(guān)鍵詞：高中物理；高考；科學(xué)思維；物理教學(xué)

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2023）03-0052-04

《中國高考評價體系》明確了高考考查的內(nèi)容：“必備知識為基礎(chǔ)，關(guān)鍵能力為重點，學(xué)科素養(yǎng)為導(dǎo)向，核心價值為引領(lǐng)?！逼渲袑W(xué)科素養(yǎng)是指“合理運用科學(xué)的思維方法，有效整合學(xué)科相關(guān)知識，運用學(xué)科相關(guān)能力，高質(zhì)量地認識問題、分析問題、解決問題的綜合品質(zhì)?！?/p>

科學(xué)思維是透過現(xiàn)象認識本質(zhì)的必經(jīng)途徑，也是對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及事物間相互關(guān)系和建構(gòu)間接、概括的反映?？茖W(xué)思維要求在充分發(fā)展生成、測試和修正理論等技能的情況下，用科學(xué)探究的方法或原則推理并解決問題，這既是形成關(guān)鍵能力的重要前提和基礎(chǔ)，又是學(xué)科核心素養(yǎng)中最核心的要素。近幾年的高考試題，對科學(xué)思維的考查居高不下，現(xiàn)本文以2021年河北省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試（即高考）物理試卷第10題為例，分析在物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維對解決復(fù)雜問題的重要性。

【原題展示】如圖1所示，四個電荷量均為q（q＞0）的點電荷分別放置于菱形的四個頂點，其坐標分別為（4l，0）、（-4l，0）、（0，y0）和（-y0，0），其中x軸上的兩個點電荷位置固定，y軸上的兩個點電荷可沿y軸對稱移動（y0≠0），下列說法正確的是（ ）

A.除無窮遠處之外，菱形外部電場強度處處不為零

B.當y0取某值時，可使得菱形內(nèi)部只存在兩個電場強度為零的點

C.當y0＝8l時，將一帶負電的試探電荷由點（4l，5l）移至點（0，-3l），靜電力做正功

D.當y0＝4l時，將一帶負電的試探電荷放置在點（l，l）處，其所受到的靜電力方向與x軸正方向成45°傾斜向上

【答案】ACD

【解析】A．根據(jù)電場強度的矢量疊加原理可知，除無窮遠處之外，菱形外部電場強度處處不為零，所以選項A正確。

B．根據(jù)等量同種電荷電場分布規(guī)律可知，在x軸上的兩個點電荷在O點的合場強為零，在y軸上的兩個點電荷，無論y0取什么值，在O點的合場強也為零。根據(jù)對稱性可知，在x軸和y軸上除原點外，出現(xiàn)合場強為零的點，一定是成對出現(xiàn)在關(guān)于原點對稱的位置上（比如圖2中y軸上的R點、S點），所以再算上原點，合場強為零的點的個數(shù)一定是奇數(shù)，不可能是2個，所以選項B錯誤。

C．如圖3所示，做出P（4l，5l）點、N（0，-3l）點關(guān)于x軸的對稱點P′（4l，-5l）、N′（0，3l）。

根據(jù)等量同種電荷電場分布的對稱性（如圖4所示）可得出以下結(jié)論：

1.如果僅考慮B和C兩個電荷的電場，則P（4l，5l）和N′（0，3l）是等勢點；

2.如果僅考慮B和D兩個電荷的電場，則P′（4l，-5l）和N（0，-3l）是等勢點；

3.在A、B、C、D四個電荷形成的合電場中，P（4l，5l）和P′（4l，-5l）是等勢點，N（0，-3l）和N′（0，3l）是等勢點。

因為在電場中某點移動到其等勢點，靜電力不做功，所以可進一步得出：

1.因為將負試探電荷從P（4l，5l）移到N′（0，3l），B、C兩個電荷的靜電力對試探電荷不做功，A、D兩個電荷的靜電力做正功；又因為從N′移到等勢點N，四個電荷的靜電合力做功為零。所以P→N′→N全程靜電力做正功，故C選項正確。

2.因為將負試探電荷從P移到等勢點P′，四個電荷的靜電合力做功為零，又因為從P′（4l，-5l）移到N（0，-3l），B、D兩個電荷的靜電力對試探電荷不做功，A、C兩個電荷的靜電力做正功，所以P→P′→N全程靜電力做正功，故C選項正確。

D.如果y0=4l，則A、B、C、D四個點電荷構(gòu)成正方形（如圖5所示），然后將這四個點電荷分成B和C、A和D兩組，根據(jù)等量同種電荷電場分布的對稱性（圖6）可知：所求點M（l，l）處的場強方向一定沿著該點與坐標原點的連線，即與x軸成45°角，然后根據(jù)電場疊加規(guī)律可知：

點電荷B與C在點M（l，l）處的合場強（與x軸成45°角斜向下）為：

本題四個選項的梯度設(shè)置明顯，頗具匠心：從A選項基于物理常識的簡單分析，到B選項熟悉模型和基本規(guī)律的應(yīng)用，再到C選項靈活而嚴謹?shù)目茖W(xué)推理論證，最后到D選項電場強度的矢量合成，其思維的深度逐漸增大，對考生利用科學(xué)思維解決問題的水平有很好的區(qū)分度。

我們還可以對比一下2022年高考全國乙卷第19題：

如圖7，兩對等量異號點電荷+q、-q（q＞0）固定于正方形的4個項點上。L、N是該正方形兩條對角線與其內(nèi)切圓的交點，O為內(nèi)切圓的圓心，M為切點。則（? ?）

A.L和N兩點處的電場方向相互垂直

B.M點的電場方向平行于該點處的切線，方向向左

C.將一帶正電的點電荷從M點移動到O點，電場力做正功

D.將一帶正電的點電荷從L點移動到N點，電場力做功為零

【答案】AB

【解析】對選項A的分析：先看L點，根據(jù)電場分布特點和矢量疊加規(guī)律可知，一對等量負電荷在L點處產(chǎn)生的場強方向是由O指向L，同時L點又位于一對等量正電荷連線的垂直平分線上，所以這對正電荷在L點處產(chǎn)生的場強方向也是由O指向L，故L點處的合場強方向是由O指向L.再看N點，經(jīng)同樣分析可知，一對等量正電荷在N點處產(chǎn)生的場強方向是由N指向O，同時N點又位于一對等量負電荷連線的垂直平分線上，所以這對負電荷在N點處產(chǎn)生的場強方向也是由N指向O，故N點處的合場強方向是由N指向O.因為正方形兩對角線垂直平分，所以L和N兩點處的電場方向相互垂直，故A選項正確。

B．根據(jù)電場分布特點和矢量疊加規(guī)律可知，圖7中下面一對等量異號電荷在其連線中點M處產(chǎn)生的場強方向向左；對上面一對等量異號電荷來說，M點處于這對電荷連線的垂直平分線上，所以其在M點處的場強方向向右。因為M點距離上方一對等量異號電荷較遠，所以M點處的合場強方向向左，故B選項正確。

C．將圖中四個電荷分成上下兩對等量異種電荷進行分析，然后根據(jù)電場分布規(guī)律“一對等量異種電荷連線的垂直平分線即零電勢線”可知，M點和O點處于兩等量異號電荷的零等勢線上，即M點和O點電勢相等，所以將點電荷從M點移動到O點的過程中，電場力不做功，故C選項錯誤。

D．由電場分布特點可知，L點距離負電荷較近，故電勢較低；N點距離正電荷較近，故電勢較高。因此將一正點電荷從電勢較低的L點移動到電勢較高的N點，電場力做功不為零，故D選項錯誤。

本題主要以電場分布規(guī)律等必備知識為基礎(chǔ)，同時結(jié)合對稱、等效、疊加等物理方法，著重考查學(xué)生的模型建構(gòu)、推理分析等科學(xué)思維能力。由于不需要繁瑣的定量計算，因此其難度上明顯低于前面所述的河北省物理高考試卷第10題。從中我們可以很容易看出，在解決該問題的過程中，物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維要素起著舉足輕重的作用，從對等量電荷進行不同組合以作為研究對象考查學(xué)生的模型建構(gòu)能力，到根據(jù)等量電荷電場分布的對稱性對矢量特性（電場強度）、標量特性（電勢）進行疊加，都需要學(xué)生逐步進行嚴謹而靈活的推理論證。

【教學(xué)啟示】

2021年河北省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試（即高考）物理試卷第10題是該套試卷選擇題中的最后一道，因為承擔著區(qū)分選拔的功能，所以有一定的難度。但是本題的思維起點卻并不高，基于考生熟悉的等量同種電荷電場分布模型，然后經(jīng)過簡單的推理就可判斷出A、B選項的正誤。而C選項則需要在熟悉典型電場分布模型的基礎(chǔ)上，逐個考查四個場源電荷對試探電荷的做功情況，或者將這四個電荷分成兩對等量電荷，然后靈活運用電場分布特點并結(jié)合對稱、等效思想進行科學(xué)論證，才能做出準確的判斷，這對學(xué)生的拓展遷移能力和推理論證能力要求較高。D選項將四個等量電荷分成兩對等量同種電荷，然后根據(jù)圖5和圖6，不難確定其合場強方向：與x軸成45°角。根據(jù)一對等量同種電荷的電場分布模型可知，兩電荷連線垂直平分線上各點的電場強度大小不是在單調(diào)變化著的，所以對其的判斷既要考慮每個電荷在該點場強的大小，又要考慮場強的方向，這就要求學(xué)生必須具備一定的質(zhì)疑意識才行。同時本選項的判斷還需要通過矢量合成，經(jīng)定量計算才能得出正確的結(jié)論。

通過分析本題的解題思路可以看出，科學(xué)思維是解決問題的重要手段，包括模型建構(gòu)的意識與能力、關(guān)鍵信息的搜集與處理、定性定量的推理與論證、基于證據(jù)的質(zhì)疑與創(chuàng)新等。其實從近年來全國高考物理試題中也能很容易看出科學(xué)思維的重要性，即在物理學(xué)科核心素養(yǎng)包含的四個要素中，其對科學(xué)思維的考查分量是最重的。

本題的考查符合《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》的目標要求，即學(xué)生“能運用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論” “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”。

基于高考評價體系的考查要求和高中物理課程標準的目標要求，為了提高學(xué)生解決問題的能力，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，高中物理教學(xué)尤其要重視對學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練和提升。筆者對此提出以下建議：

一是高中物理教學(xué)要立足基礎(chǔ)夯實必備知識。物理教師既要積極創(chuàng)造條件，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，又要靈活選擇教學(xué)方式，通過自主探究、情境體驗、問題引領(lǐng)等途徑，引導(dǎo)學(xué)生感悟并透徹理解物理學(xué)科基礎(chǔ)知識，形成扎實的物理觀念，只有這樣才能為解決實際問題奠定堅實的基礎(chǔ)。

二是重視反思歸納。即教師根據(jù)不同年級的教學(xué)進程，引領(lǐng)學(xué)生在深度理解的基礎(chǔ)上對物理學(xué)科的核心概念、基本規(guī)律、常見模型、思路方法等進行自主歸納和反思總結(jié)，然后通過建構(gòu)相對完善的物理學(xué)科體系，訓(xùn)練并提高學(xué)生融會貫通靈活運用所學(xué)知識解決相關(guān)問題的能力。

三是注意引領(lǐng)學(xué)生分析和把握物理學(xué)中常見的因果關(guān)系。比如可圍繞學(xué)生對“力是產(chǎn)生加速度改變運動狀態(tài)的原因”這一核心概念的認識，不斷深化、展開、應(yīng)用、遷移，以加深學(xué)生對力和運動關(guān)系的理解，如此可提升學(xué)生解決相關(guān)問題的能力。其他還有功和能的關(guān)系、電場磁場的關(guān)系等，準確理解和把握這些物理學(xué)中的因果關(guān)系，是進一步進行規(guī)范的邏輯推理和科學(xué)論證的重要依據(jù)和保障。

四是在科學(xué)論證的基礎(chǔ)上，注意培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑、創(chuàng)新能力。即教師要引導(dǎo)學(xué)生注重搜集使用證據(jù)和分析評估證據(jù)，并通過質(zhì)疑、解釋、預(yù)測，使學(xué)生嘗試從不同的角度解決問題，然后通過發(fā)散思維訓(xùn)練提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部考試中心.中國高考評價體系［S］.北京：人民教育出版社，2019.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2018.