近5年高考物理中物理學史題目的分析*

金鑫宇 寧長春 汪亞平

(西藏大學理學院 西藏 拉薩 850000)

物理學史對于物理教育有許多重要功能：第一,物理學史本身是物理學的重要組成部分，讓學生了解整體的物理學發(fā)展史，有助于學生對物理知識體系大邏輯的把握.第二,物理學史中對于重大科學問題真實而曲折的發(fā)現(xiàn)和研究歷程與教科書中呈現(xiàn)出來的“自然而然”的物理學建立過程不盡相同，將一些重大發(fā)現(xiàn)和研究的物理學史事件介紹給學生，可以加深學生對物理知識的理解和掌握.第三,物理學史當中蘊含著豐富的科學探索的真實案例，在整體物理學史的了解、重大發(fā)現(xiàn)和研究物理學史事件的介紹之外，穿插一些科學探索的物理學史故事，對于培養(yǎng)學生的科學思維和質疑精神，塑造學生的人格品質也是極其關鍵的.

我國物理學史與物理教學相結合的研究起步較晚，與國外的研究還存在著一定差距[1].但是自2017年《普通高中物理課程標準》發(fā)布以來，對于物理學史方面提出了更多建議和要求[2].而在新高考評價體系上，也在多個方面有所創(chuàng)新：一是在教育功能上，著力引導高考由單純的考試評價向立德樹人重要載體和素質教育關鍵環(huán)節(jié)的轉變；二是在評價理念上，逐漸傾向于由傳統(tǒng)的“知識立意”“能力立意”評價向“價值引領、素質導向、能力為重、知識為基”綜合評價的轉變；三是在評價模式上，實現(xiàn)了高考從主要基于“考查內容”的一維評價模式向“考查內容、考查要求、考查載體”三位一體評價模式的轉變[3].

而正是基于以上背景，即物理學史對于高中物理教學的重要功能，《普通高中物理課程標準》對于物理學史提出的建議和要求，以及新高考評價體系對于物理學史考查可能產生的影響，本文對近5年高考物理中物理學史的題目進行整理、分類與分析，目的是：第一，能為大家及時了解新高考，了解物理學史在高考物理中的題目形式提供參考.第二，相應的就高中物理當中物理學史的教學提出一些針對性的建議.

1 近5年高考物理中物理學史題目的整理與分析

1.1 物理學史題目的整理與分類

我們對2016—2020年高考理綜全國卷Ⅰ、卷Ⅱ、卷Ⅲ、浙江卷、江蘇卷、北京卷、天津卷等共38套物理卷進行整理統(tǒng)計，共篩選出21道與物理學史相關的題目，并將其分為兩類：

Ⅰ類題目，指直接對物理學史進行考查的試題.如例1和例2.

【例1】(2020年高考全國卷Ⅱ理綜第14題)管道高頻焊機可以對由鋼板卷成的圓管的接縫實施焊接.焊機的原理如圖1所示，圓管通過一個接有高頻交流電源的線圈，線圈所產生的交變磁場使圓管中產生交變電流，電流產生的熱量使接縫處的材料融化將其焊接.焊接過程中所利用的電磁學規(guī)律的發(fā)現(xiàn)者為( )

圖1 例1題圖

A.庫侖 B.霍爾

C.洛倫茲 D.法拉第

【例2】(2019年高考浙江卷理綜第4題)下列陳述與事實相符的是( )

A.牛頓測定了引力常量

B.法拉第發(fā)現(xiàn)了電流周圍存在磁場

C.安培發(fā)現(xiàn)了靜電荷間的相互作用規(guī)律

D.伽利略提出了力不是維持物體運動的原因

Ⅱ類題目，指間接涉及物理學史的內容，并考查相應知識點的試題.如例3和例4.

A.X的質量數(shù)與Y的質量數(shù)相等

B.X的電荷數(shù)比Y的電荷數(shù)少1

【例4】(2018年高考全國卷Ⅰ理綜第20題)2017年，人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，根據(jù)科學家們復原的過程，在兩顆中子星合并前約100 s時，它們相距約400 km，繞二者連線上的某點每秒轉動12圈，將兩顆中子星都看作是質量均勻分布的球體，由這些數(shù)據(jù)、萬有引力常量并利用牛頓力學知識，可以估算出這一時刻兩顆中子星( )

A.質量之積 B.質量之和

C.速度之和 D.各自的自轉角速度

根據(jù)我們的整理統(tǒng)計來看，在21道題目中，Ⅰ類試題9道，Ⅱ類試題12道.具體題目如表1所示(表中各卷均為理綜卷).

表1 近5年高考物理中物理學史題目

1.2 物理學史題目的分析

根據(jù)我們的統(tǒng)計，對于高考理綜卷，全國卷Ⅰ、全國卷Ⅱ、江蘇卷對于物理學史的直接考查較少，北京卷和全國卷Ⅲ對于物理學史的部分涉及較多；天津卷與改革后的浙江卷基本都有對物理學史進行直接考查的題目.

從Ⅰ類物理學史題目的特點來看，Ⅰ類試題是對新課標內容要求的具體體現(xiàn).如：

(1)2020年全國卷Ⅱ第14題(例1)，符合新課標中

1)必修3.3.2 體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用.

2)必修3.3.3 了解電磁感應現(xiàn)象，知道電磁感應現(xiàn)象的應用.

3)活動建議：了解電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程.

(2)2019年4月浙江卷第4題(例2),符合新課標中

1)必修1.1.2 了解近代實驗科學產生的背景，認識實驗對物理學發(fā)展的推動作用.

2)必修2.2.4 通過史實，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程.

3)必修3.1.2 知道兩個點電荷之間相互作用的規(guī)律，體會探究庫侖定律過程中的科學思想方法.

4)活動建議：了解電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程.

從Ⅱ類物理學史的題目來看，Ⅱ類試題是對物理學史相關知識點本身的考查，在題干上利用物理學史穿針引線，以現(xiàn)代科技文明成果、國內外物理學發(fā)展史為背景，給以相關考查點的提示，在科普的同時豐富考題的閱讀性.如：

(1)2020年高考全國卷Ⅲ理綜第19題(例3)，通過介紹人工放射性同位素的發(fā)現(xiàn)歷史，引出核反應方程的考點，豐富了題目的內容.

(2)2018年高考全國卷Ⅰ理綜第20題(例4)，在題干中闡述了引中子星合并的引力波探測的重大發(fā)現(xiàn)，緊跟時事，在進行考查的同時拓寬了考生的眼界.

2 Ⅰ類試題與Ⅱ類試題的具體分析及對應的新課標考查要求

限于篇幅問題，下面將以部分考題為例，總結和探究物理學史在高考題目所對應的新課標的考查要求.

2.1 試題分析

【例5】(2016年高考全國卷Ⅲ理綜第14題)關于行星運動的規(guī)律，下列說法符合史實的是( )

A.開普勒在牛頓定律的基礎上，導出了行星運動的規(guī)律

B.開普勒在天文觀測數(shù)據(jù)的基礎上，總結出了行星運動的規(guī)律

C.開普勒總結出了行星運動的規(guī)律，找出了行星按照這些規(guī)律運動的原因

D.開普勒總結出了行星運動的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律

解析：本題屬于Ⅰ類題目，主要考查萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程，符合內容要求如表2所示.

表2 例5考查符合內容要求

對于天體運動的探究，早在古希臘時期的托勒密就提出了地心模型并在一千多年間被人們所接受，直到中世紀的文藝復興，哥白尼開創(chuàng)性地提出日心說，從此打開了近代科學的大門；隨后第谷和開普勒對于軌道的觀察與總結，提出開普勒三大定律，打破了人們對于天體運動的固有思想，為牛頓的萬有引力定律奠定了基礎.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程蘊含著豐富的科學的本質的教育因素，對發(fā)展學生的科學態(tài)度與責任素養(yǎng)具有重要價值.

【例6】(2020年高考天津卷理綜第1題)在物理學發(fā)展的進程中，人們通過對某些重要物理實驗的深入觀察和研究，獲得正確的理論認識.圖2所示的實驗中導致發(fā)現(xiàn)原子具有核式結構的是( )

圖2 例2題圖

解析：本題屬于Ⅰ類題目，是對物理學發(fā)展中經典實驗的考查[4].符合內容要求如表3.

表3 例6考查符合內容要求

選項A是托馬斯·楊所做的雙縫干涉實驗的現(xiàn)象圖，目的是為了證明光的波動說的正確性.在此之前，牛頓的微粒說始終占據(jù)統(tǒng)治地位，直到托馬斯·楊和菲涅耳對光學的進一步研究，最終開創(chuàng)了光學研究的新階段.其中更是有關于菲涅耳的趣事——泊松亮斑.選項B是光電效應的驗證實驗，1887年，赫茲在研究電磁波的實驗中偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應現(xiàn)象，光電效應中的一些重要現(xiàn)象無法用經典電磁理論解釋，而愛因斯坦則在普朗克量子假說的基礎上，對光電效應作出了解釋.經由密立根的實驗驗證后，愛因斯坦于1921年獲得諾貝爾物理學獎.選項C是電磁波的發(fā)射與接收，在麥克斯韋提出麥克斯韋方程組，并預言電磁波的存在時，人們并不相信電磁波是否真的存在.赫姆霍茲的學生赫茲，在老師的影響和要求下，深入研究了電磁理論，進行了測量電磁波速度的實驗，并于1888年發(fā)表了自己的結論，有力地證明了電磁波的存在[5],從此，電磁波開始走進了千家萬戶的日常生活中.選項D是α粒子散射的實驗裝置示意圖，1907年，盧瑟福通過用α粒子撞擊金箔，統(tǒng)計散射到各個方向α粒子所占的比例，推知原子中電荷的分布情況，從而提出了原子的核式結構模型，為核物理學的發(fā)展奠定了基礎.通過對物理學發(fā)展歷史的了解，體會科學重視研究中理論指導和實踐檢驗的作用，對于發(fā)展學生的唯物主義辯證觀起著重要的作用.

A.15和28 B.15和30

C.16和30 D.17和31

解析：本題屬于Ⅱ類題目，是以人工放射性衰變的發(fā)現(xiàn)為背景，對核反應方程進行考查.符合內容要求如表4.

表4 例7考查符合內容要求

1933年，居里夫婦在第七屆索爾維會議上報告，某些物質在α粒子轟擊下發(fā)射出正電子連續(xù)譜.他們一直堅持這個現(xiàn)象，并于1934年作出了關于人工放射性現(xiàn)象的結論.人工放射性發(fā)現(xiàn)后，科學家不再僅僅依靠自然界的天然放射性來研究問題，大大加快了核物理學的發(fā)展速度.人工放射性引發(fā)的直接后果是重核裂變的發(fā)現(xiàn)，但是對于重核裂變的認識卻有一個曲折的過程.通過對物理學史的細節(jié)闡述，讓學生明白，科學的發(fā)現(xiàn)是一個曲折的過程，從而培養(yǎng)學生持之以恒的科學態(tài)度與責任.

2.2 分析物理學史在高考試題中所滲透的原則

根據(jù)普通高中物理課程標準的要求，培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”4個方面.因此，在目前出現(xiàn)的高考試題中的物理學史相關題目，其中滲透的考查要求，有以下幾點值得注意.

(1)對物理學整體發(fā)展邏輯的考查

物理學史是對物理學發(fā)展的客觀闡述，讓學生認識科學本質、了解科學發(fā)展的曲折過程.在例5題目中考查的是開普勒的主要貢獻，這表面上很簡單.但是其下卻潛藏著整個力學發(fā)展的大邏輯，是對事物內在規(guī)律及事物之間的相互關系的高度凝練的反映，這即是一種真真切切的對核心素養(yǎng)當中“科學思維”的培養(yǎng)方式.21世紀以來的科學教育研究，特別重視科學論證、模型思維和科學推理，科學論證可以幫助學生發(fā)展科學探究能力，構建科學知識并促進科學概念轉變與理解，提升科學認識論水平，提升推理能力、批判性思維能力和交流能力，對于理解物理學非常關鍵.

(2)緊密聯(lián)系高中物理知識體系

在高中物理的學習中，涉及的物理學家有幾百位，相關的物理學史內容非常廣泛.但在高考物理題目中，一定是與新課標的要求內容緊密聯(lián)系，如例6題目中，只考查一個答案，但是涉及4個不同的知識點，且分布在光學、電磁學、量子力學基礎、原子物理4個部分，既是物理學上極其關鍵的事件，也符合新課標中各章節(jié)的內容要求.在核心素養(yǎng)“物理觀念”的內涵當中，強調知識和原理的深度理解與靈活運用，理解這些物理現(xiàn)象與實驗，可以幫助學生更加深入理解所學的科學知識、技巧和科學觀念，符合“物理觀念”的要求.

(3)關注物理學與社會和人文的互動

科學的內在動機或者興趣是重要的科學素養(yǎng)，以真實的物理學史事件為背景，或聯(lián)系科學發(fā)展前沿，自然引出具體知識點，增強題目的人文氣息，可以讓學生通過物理學科的學習，了解科學、技術、社會、環(huán)境的關系，保持對自然現(xiàn)象的好奇心和探究熱情，也可以培養(yǎng)學生實事求是、熱愛自然的“科學態(tài)度與責任”.例2和例6兩道題目即反應出了這種趨勢.

3 高中物理教學中物理學史的教學建議

3.1 高中物理中物理學史的知識體系

新課標中，對于高中物理知識體系共提出了兩類要求：A內容要求，B活動建議. 其中A類要求共87條，B類要求48條，與物理學史相關的A類要求24條，B類要求17條.內容要求如表5和表6.

表5 高中物理課程內容要求

表6 新課標中與物理學史相關的要求

續(xù)表6

由表5和表6可以看出，新課標對于有關物理學史的內容要求一共24條，占到總的內容要求的28%，對于物理學史的活動建議一共16條，占到總活動要求的33%，且均勻分布在整個高中物理知識體系當中，對于物理學史的潛在考查要求，已經達到了非常高的程度. 就我們對過去5年高考物理試卷的整理和分析而言，已經出現(xiàn)的高考題目中，對其中一些要求已經進行了考查，而在表6中列出的要求，未來很可能會出現(xiàn)一些新的高考題目.

3.2 物理學史融入教學時應注意的原則

根據(jù)物理學史自身可以承載的教育功能、高中物理當中的物理學史內容、《普通高中物理課程標準》中對于物理學史的內容要求和活動建議，以及新高考對于物理學史的考查要求，我們認為將物理學史融入物理教學時，可能要注意以下原則：

(1)真實性

物理學史是對物理學發(fā)展的客觀闡述，讓學生認識科學本質、了解科學發(fā)展的曲折過程. 在教學中涉及物理學史的內容，首先要保證其真實性. 如刊登在2002年美國的《物理世界》中的最出色的十大物理實驗，其中包括伽利略的自由落體實驗. 在這個實驗中，伽利略通過在比薩斜塔同時拋下兩個重量不同的小球，來證明亞里士多德的錯誤. 然而根據(jù)查考，斜塔實驗并未在比薩大學中有所記錄；并且，在伽利略確切記載這類實驗的小冊子中，他當時甚至還是亞里士多德的支持者，為實際觀測與結論的不符進行辯護[6].因此,在教學中保證物理學史的真實性是第一原則.

(2)相關性

將物理學史融入高中物理教學，不是生拉硬套，與高中物理知識體系的相關性是不可或缺的一環(huán).物理學史的內容眾多，在有限的教學時間內，如何篩選出對高中物理教學最有益的部分，將物理學史自然的放入高中教學中而不突兀，在助力于知識教學的同時，潤物細無聲地推進學生“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”4個方面的養(yǎng)成，可能是一線教師要在實踐中著重探索的問題.

(3)細節(jié)性

在教學中物理學史內容的選取，要注重細節(jié)性. 如在電磁學的發(fā)展歷史上，多數(shù)學生都很熟悉安培、法拉第等重要物理學家.而在電磁學曲折的發(fā)展過程中，也有許多值得被大家了解的科學家，如發(fā)明了伏打電堆的伏打，因為有了穩(wěn)定電源，使人們有可能研究電流的規(guī)律和電流的各種效應.還比如在核裂變的研究過程中，參與到“曼哈頓計劃”中的唯一一名華人女物理學家吳健雄，她對于原子核分裂反應的實驗成功解決了鏈式反應無法延續(xù)的重大難題，直接啟發(fā)了核心人物費米，大大縮短了原子彈研制進程[7].有很多物理學史上的細節(jié)性問題，雖然與直接的物理原理看似相去甚遠，但是對于物理學的建立和發(fā)展卻起到了至關重要的作用，這些物理學史內容的引入，可以幫助學生深入理解科學發(fā)展與社會發(fā)展之間的互動關系，建立一種良好的人文情懷.

(4)前沿性

從某種角度講，物理學的發(fā)展前沿，就是物理學史中最嶄新的篇章.隨著科技的進步，物理學的發(fā)展越來越快，所以一方面，在高中物理教學中，要注重已經發(fā)生了的物理學史，另一方面，還要及時關注正在發(fā)生的物理學史.尤其是通過及時了解相關物理發(fā)展前沿，將最前沿的物理成果介紹給學生，這既有利于我們緊跟時代，又能結合實事，激發(fā)學生的學習興趣.

4 總結

基于對近5年高考物理中物理學史題目的整理與分析，可以看出物理學史正在逐步融入新高考的大趨勢.而高考物理中物理學史題目的出現(xiàn)，主要是對學生“物理觀念”“科學思維”“科學探究”的考查及“科學態(tài)度與責任”的培養(yǎng).教師在日常教學及考試中融入物理學史的相關內容時，應符合新課標要求的物理知識體系，注意物理學史的真實性、相關性、細節(jié)性以及前沿性，這將更有利于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，正確認識科學的本質、培養(yǎng)科學探究精神，切實落實物理課程的育人功能.