重视科学思维 培养关键能力

王书香

摘   要：通过分析河北省2021年高考压轴选择题的解题思路，展现定性定量相结合的科学思维在解决物理问题中的重要性，然后根据《中国高考评价体系》和《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》的要求，提出高中物理教学应重视科学思维的建议，以此为今后的高中物理教学指明方向。

关键词：高中物理；高考；科学思维；物理教学

中图分类号：G633.7    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2023）03-0052-04

《中国高考评价体系》明确了高考考查的内容：“必备知识为基础，关键能力为重点，学科素养为导向，核心价值为引领。”其中学科素养是指“合理运用科学的思维方法，有效整合学科相关知识，运用学科相关能力，高质量地认识问题、分析问题、解决问题的综合品质。”

科学思维是透过现象认识本质的必经途径，也是对客观事物的本质属性、内在规律及事物间相互关系和建构间接、概括的反映。科学思维要求在充分发展生成、测试和修正理论等技能的情况下，用科学探究的方法或原则推理并解决问题，这既是形成关键能力的重要前提和基础，又是学科核心素养中最核心的要素。近幾年的高考试题，对科学思维的考查居高不下，现本文以2021年河北省普通高中学业水平选择性考试（即高考）物理试卷第10题为例，分析在物理教学中培养学生科学思维对解决复杂问题的重要性。

【原题展示】如图1所示，四个电荷量均为q（q＞0）的点电荷分别放置于菱形的四个顶点，其坐标分别为（4l，0）、（-4l，0）、（0，y0）和（-y0，0），其中x轴上的两个点电荷位置固定，y轴上的两个点电荷可沿y轴对称移动（y0≠0），下列说法正确的是（ ）

A.除无穷远处之外，菱形外部电场强度处处不为零

B.当y0取某值时，可使得菱形内部只存在两个电场强度为零的点

C.当y0＝8l时，将一带负电的试探电荷由点（4l，5l）移至点（0，-3l），静电力做正功

D.当y0＝4l时，将一带负电的试探电荷放置在点（l，l）处，其所受到的静电力方向与x轴正方向成45°倾斜向上

【答案】ACD

【解析】A．根据电场强度的矢量叠加原理可知，除无穷远处之外，菱形外部电场强度处处不为零，所以选项A正确。

B．根据等量同种电荷电场分布规律可知，在x轴上的两个点电荷在O点的合场强为零，在y轴上的两个点电荷，无论y0取什么值，在O点的合场强也为零。根据对称性可知，在x轴和y轴上除原点外，出现合场强为零的点，一定是成对出现在关于原点对称的位置上（比如图2中y轴上的R点、S点），所以再算上原点，合场强为零的点的个数一定是奇数，不可能是2个，所以选项B错误。

C．如图3所示，做出P（4l，5l）点、N（0，-3l）点关于x轴的对称点P′（4l，-5l）、N′（0，3l）。

根据等量同种电荷电场分布的对称性（如图4所示）可得出以下结论：

1.如果仅考虑B和C两个电荷的电场，则P（4l，5l）和N′（0，3l）是等势点；

2.如果仅考虑B和D两个电荷的电场，则P′（4l，-5l）和N（0，-3l）是等势点；

3.在A、B、C、D四个电荷形成的合电场中，P（4l，5l）和P′（4l，-5l）是等势点，N（0，-3l）和N′（0，3l）是等势点。

因为在电场中某点移动到其等势点，静电力不做功，所以可进一步得出：

1.因为将负试探电荷从P（4l，5l）移到N′（0，3l），B、C两个电荷的静电力对试探电荷不做功，A、D两个电荷的静电力做正功；又因为从N′移到等势点N，四个电荷的静电合力做功为零。所以P→N′→N全程静电力做正功，故C选项正确。

2.因为将负试探电荷从P移到等势点P′，四个电荷的静电合力做功为零，又因为从P′（4l，-5l）移到N（0，-3l），B、D两个电荷的静电力对试探电荷不做功，A、C两个电荷的静电力做正功，所以P→P′→N全程静电力做正功，故C选项正确。

D.如果y0=4l，则A、B、C、D四个点电荷构成正方形（如图5所示），然后将这四个点电荷分成B和C、A和D两组，根据等量同种电荷电场分布的对称性（图6）可知：所求点M（l，l）处的场强方向一定沿着该点与坐标原点的连线，即与x轴成45°角，然后根据电场叠加规律可知：

点电荷B与C在点M（l，l）处的合场强（与x轴成45°角斜向下）为：

本题四个选项的梯度设置明显，颇具匠心：从A选项基于物理常识的简单分析，到B选项熟悉模型和基本规律的应用，再到C选项灵活而严谨的科学推理论证，最后到D选项电场强度的矢量合成，其思维的深度逐渐增大，对考生利用科学思维解决问题的水平有很好的区分度。

我们还可以对比一下2022年高考全国乙卷第19题：

如图7，两对等量异号点电荷+q、-q（q＞0）固定于正方形的4个项点上。L、N是该正方形两条对角线与其内切圆的交点，O为内切圆的圆心，M为切点。则（   ）

A.L和N两点处的电场方向相互垂直

B.M点的电场方向平行于该点处的切线，方向向左

C.将一带正电的点电荷从M点移动到O点，电场力做正功

D.将一带正电的点电荷从L点移动到N点，电场力做功为零

【答案】AB

【解析】对选项A的分析：先看L点，根据电场分布特点和矢量叠加规律可知，一对等量负电荷在L点处产生的场强方向是由O指向L，同时L点又位于一对等量正电荷连线的垂直平分线上，所以这对正电荷在L点处产生的场强方向也是由O指向L，故L点处的合场强方向是由O指向L.再看N点，经同样分析可知，一对等量正电荷在N点处产生的场强方向是由N指向O，同时N点又位于一对等量负电荷连线的垂直平分线上，所以这对负电荷在N点处产生的场强方向也是由N指向O，故N点处的合场强方向是由N指向O.因为正方形两对角线垂直平分，所以L和N两点处的电场方向相互垂直，故A选项正确。

B．根据电场分布特点和矢量叠加规律可知，图7中下面一对等量异号电荷在其连线中点M处产生的场强方向向左；对上面一对等量异号电荷来说，M点处于这对电荷连线的垂直平分线上，所以其在M点处的场强方向向右。因为M点距离上方一对等量异号电荷较远，所以M点处的合场强方向向左，故B选项正确。

C．将图中四个电荷分成上下两对等量异种电荷进行分析，然后根据电场分布规律“一对等量异种电荷连线的垂直平分线即零电势线”可知，M点和O点处于两等量异号电荷的零等势线上，即M点和O点电势相等，所以将点电荷从M点移动到O点的过程中，电场力不做功，故C选项错误。

D．由电场分布特点可知，L点距离负电荷较近，故电势较低；N点距离正电荷较近，故电势较高。因此将一正点电荷从电势较低的L点移动到电势较高的N点，电场力做功不为零，故D选项错误。

本题主要以电场分布规律等必备知识为基础，同时结合对称、等效、叠加等物理方法，着重考查学生的模型建构、推理分析等科学思维能力。由于不需要繁琐的定量计算，因此其难度上明显低于前面所述的河北省物理高考试卷第10题。从中我们可以很容易看出，在解决该问题的过程中，物理学科核心素养中的科学思维要素起着举足轻重的作用，从对等量电荷进行不同组合以作为研究对象考查学生的模型建构能力，到根据等量电荷电场分布的对称性对矢量特性（电场强度）、标量特性（电势）进行叠加，都需要学生逐步进行严谨而灵活的推理论证。

【教学启示】

2021年河北省普通高中学业水平选择性考试（即高考）物理试卷第10题是该套试卷选择题中的最后一道，因为承担着区分选拔的功能，所以有一定的难度。但是本题的思维起点却并不高，基于考生熟悉的等量同种电荷电场分布模型，然后经过简单的推理就可判断出A、B选项的正误。而C选项则需要在熟悉典型电场分布模型的基础上，逐个考查四个场源电荷对试探电荷的做功情况，或者将这四个电荷分成两对等量电荷，然后灵活运用电场分布特点并结合对称、等效思想进行科学论证，才能做出准确的判断，这对学生的拓展迁移能力和推理论证能力要求较高。D选项将四个等量电荷分成两对等量同种电荷，然后根据图5和图6，不难确定其合场强方向：与x轴成45°角。根据一对等量同种电荷的电场分布模型可知，两电荷连线垂直平分线上各点的电场强度大小不是在单调变化着的，所以对其的判断既要考虑每个电荷在该点场强的大小，又要考虑场强的方向，这就要求学生必须具备一定的质疑意识才行。同时本选项的判断还需要通过矢量合成，经定量计算才能得出正确的结论。

通过分析本题的解题思路可以看出，科学思维是解决问题的重要手段，包括模型建构的意识与能力、关键信息的搜集与处理、定性定量的推理与论证、基于证据的质疑与创新等。其实从近年来全国高考物理试题中也能很容易看出科学思维的重要性，即在物理学科核心素養包含的四个要素中，其对科学思维的考查分量是最重的。

本题的考查符合《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》的目标要求，即学生“能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论” “能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题，追求科技创新”。

基于高考评价体系的考查要求和高中物理课程标准的目标要求，为了提高学生解决问题的能力，发展学生的物理学科核心素养，高中物理教学尤其要重视对学生科学思维的训练和提升。笔者对此提出以下建议：

一是高中物理教学要立足基础夯实必备知识。物理教师既要积极创造条件，优化教学设计，又要灵活选择教学方式，通过自主探究、情境体验、问题引领等途径，引导学生感悟并透彻理解物理学科基础知识，形成扎实的物理观念，只有这样才能为解决实际问题奠定坚实的基础。

二是重视反思归纳。即教师根据不同年级的教学进程，引领学生在深度理解的基础上对物理学科的核心概念、基本规律、常见模型、思路方法等进行自主归纳和反思总结，然后通过建构相对完善的物理学科体系，训练并提高学生融会贯通灵活运用所学知识解决相关问题的能力。

三是注意引领学生分析和把握物理学中常见的因果关系。比如可围绕学生对“力是产生加速度改变运动状态的原因”这一核心概念的认识，不断深化、展开、应用、迁移，以加深学生对力和运动关系的理解，如此可提升学生解决相关问题的能力。其他还有功和能的关系、电场磁场的关系等，准确理解和把握这些物理学中的因果关系，是进一步进行规范的逻辑推理和科学论证的重要依据和保障。

四是在科学论证的基础上，注意培养学生的质疑、创新能力。即教师要引导学生注重搜集使用证据和分析评估证据，并通过质疑、解释、预测，使学生尝试从不同的角度解决问题，然后通过发散思维训练提升学生的创新意识和创新能力。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部考试中心.中国高考评价体系［S］.北京：人民教育出版社，2019.

［2］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2018.