近2年全国课标卷Ⅰ物理学史试题评析与教学策略
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）6-0046-4
物理学史由于它所蕴含的丰富内容和独特的视角，为促进三维课程培养目标的达成提供了重要的素材，因而备受命题设计者的青睐。近2年来全国课标卷I物理学史试题，考查内容为电磁感应主题下的电磁学发展史。
1 近2年来全国课标卷Ⅰ物理学史试题评析
题1 （2014年第14题）在法拉第时代，下列验证“由磁产生电”设想的实验中，能观察到感应电流的是（ ）
A.将绕在磁铁上的线圈与电流表组成一闭合回路，然后观察电流表的变化
B.在一通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈，然后观察电流表的变化
C.将一房间内的线圈两端与相邻房间的电流表连接，往线圈中插入条形磁铁后，再到相邻房间去观察电流表的变化
D. 绕在同一铁环上的两个线圈，分别接电源和电流表，在给线圈通电或断电的瞬间，观察电流表的变化
解析 该题以探究磁生电设想实验中的失败和成功的生动事实为背景，考查考生对于电磁感应现象中感应电流产生条件的理解程度。
感应电流产生的条件可概括为两点：（1）闭合电路；（2）磁通量发生变化。若穿过线圈的磁通量不变，则不会产生感应电流，电流表指针也不会发生偏转，选项A错误；在通电线圈附近放置的闭合线圈，因磁通量不变，也不能产生感应电流，选项B错误；往线圈中插入条形磁铁的过程中，能产生感应电流。但当跑到另一房间观察时，由于穿过线圈的磁通量不再变化，因此不能产生感应电流，选项C错误；在通电与断电瞬间，磁通量发生了变化，线圈中有感应电流，电流表指针会发生偏转。综上，正确选项是D。
评价 本题抽样统计的均分为4.06，难度为0.676，区分度为0.530，其中有17.5%的考生错选C。可见，试题难度较小，但具有很好的区分功能。
该题围绕感应电流产生的条件设置选项。选项C为瑞士物理学家科拉顿所做的实验，后人调侃科拉顿“跑失良机”。选项A、B、D均为法拉第所做过的实验。其中选项D的设计，与现行人教版教科书中例题[1]的描述基本一致。可见，试题起点很低，重视通过物理学史考查考生的理解能力。
题2 （2015年第19题）1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”。实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图1所示。实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后。下列说法正确的是（ ）
A.圆盘上产生了感应电动势
B.圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动
C.在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化
D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动
解析 阿拉果圆盘实验是电磁学发展史上具有重要意义的实验，它提供了磁生电的佐证，促进了法拉第电磁感应现象的研究以及电磁感应定律的建立。该题以阿拉果圆盘实验为背景，巧妙地设计了具有内在关联、似是而非的选项。试题借助于物理学史，考查了电磁感应现象中的涡流、电磁驱动及电磁阻尼产生的机理。
当圆盘绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，圆盘切割磁感线。如果将圆盘分割成无穷根辐射状的铜条构成，则产生如图2所示的感应电动势（磁针的磁场是非匀强磁场，各铜条产生的电动势不等）。由于磁针两极下方磁场的竖直方向的分量相反，因而圆盘两侧的感应电动势相互叠加，在盘中形成涡流，并且涡流随圆盘的转动而发生变化。图3为某时刻圆盘中产生的涡流的示意图（实际情况很复杂）。
由楞次定律知，感应电流的效果总要反抗引起感应电流的原因。因此，在圆盘中产生的涡流将阻碍它与磁针的相对运动，从而使得磁针跟着圆盘转动起来。涡流的机械效应对于磁针而言表现为电磁驱动，对于圆盘而言，表现为电磁阻尼。由于电磁驱动或电磁阻尼是因电磁感应现象而产生的，因此磁针的转速总是小于圆盘的转速。对于圆盘整体而言，穿过它的磁通量不变，选项C错误。圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成环形电流，该电流的磁场对小磁针在水平面内的旋转没有影响。选项D错误。综上，正确选项为A、B。
评价 本题抽样统计的均分为1.74，难度为0.290，区分度为0.230。得到6分和3分的考生比例分别为13.60%和30.43%。可见，试题难度稍大且区分功能不太理想。
本题以阿拉果圆盘实验为背景，尊重史实和教学要求设计选项，选项D即为历史上安培对实验的错误解释。试题难度大，区分度低。从命题角度审视似乎试题存在缺陷，但是从中学物理教学的实际情况来看，却是一道构思细腻、设计巧妙的好题。该题直指如下中学教学之误区：（1）中学教学中对物理学史的教学重视程度不够；（2）试题中涉及到的涡流概念，由于在考纲中列为低层次要求，且全国卷中从未考过，因此，对涡流一词考生可能感到陌生，或不知其所以然；（3）将法拉第圆盘发电模型与阿拉果圆盘实验装置混为一谈。
2 教学策略
2.1 正视物理学史的教学地位，追求人文素养和科学素养相融的教学设计
强调科学的人文功能和教育功能是当今世界科学教育的重要内容之一。国家教育部考试中心专家指出[2]：为贯彻落实立德树人的教育要求，近两年来高考命题拓展试题选材范围，加强社会主义核心价值观、依法治国精神和优秀传统文化等内容的考查，引导考生形成积极、健康的世界观、人生观和价值观。物理学的发展过程，实质上是物理学家不断探索、发现重要概念和规律的过程。正是由于这些投身于物理研究的科学家的贡献，经过 4 个世纪的发展，物理学才成为一门有着众多分支、令人尊敬和热爱的基础科学。正如德国著名作家哥德曾说：“一门科学的历史就是那门科学的本身。” 上述分析表明，近2年来物理学史试题，改变以往单纯考查物理学史知识点的方法，注重联系物理学的具体史实、科学家研究问题的历史背景和方法等内容，考查考生对概念和规律的理解和掌握程度。通过挖掘物理学史相关内容的内在价值和教育意义，联系物理学发展过程中的主要物理学家、重要事件、重大发现和发明等，以提高考生的科学素养和文化素养[3]。特别是2015年物理学史试题，立意深刻，将电磁感应的知识与物理学史有机地结合起来进行考查，从而有效地甄别考生的人文素养和科学素养。
法国著名物理学家郎之万指出：在科学教育中加入历史的观点是百利而无一弊的。有鉴于此，物理学史的教学，要与概念、规律的教学融为一体，停留在知识层面的物理学史教学是狭隘的。教材上出现的物理学史的内容，由于受到多方面的局限，呈现是比较少的。以此作为物理学史的教学内容显得单薄。教学中应超越教材，有意识地渗透或显化物理学史的教学内容，有必要丰富教学中的科学史素材。
例如，罗兰实验[4]。1876年美国科学家罗兰把大量的电荷加在一个橡胶圆盘上，然后使圆盘绕中心轴高速转动，在圆盘的附近用小磁针来检验运动电荷产生的磁场（如图4所示）。结果发现：当带电圆盘转动时，小磁针果然发生了偏转；而且改变圆盘的转动方向或者改变所带电荷的正负时，小磁针的偏转方向也改变。磁针的偏转方向跟运动电荷所形成的电流方向间的关系同样符合安培定则。这个实验证明了运动电荷确实产生磁场，进一步揭示了磁现象的电本质。
2.2 认识物理学史的教育功能，通过重演知识发生的过程以优化认知结构
物理学史蕴含丰富的教育功能，将物理学史融入课堂教学有助于考生了解物理概念和规律的形成和发展，掌握物理学家探索物质世界的科学方法，有利于激发考生的兴趣，培养考生正确的世界观、人生观和价值观，是贯彻落实课程标准三维培养目标的有效途径。高考物理学史的考查，符合课程标准的要求和中学物理的教学实际[6]。
如果把科学家从事科学研究的过程视为科学知识的生产过程，那么学生接受科学教育的过程就是科学知识的再生产过程。学生的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演，他们学习科学的心理顺序与前人探索科学的历史顺序相似。因此，理想的科学教育应该是，以浓缩的时空和必然的形式，重演人类丰富多彩的科学活动，让学生去亲历探究的过程，感受科学的启迪。这样不仅有助于突破学生思维上的障碍，还能更好地理解并掌握所学的知识，从中汲取前人的智能，领悟思想方法，陶冶科学精神[7]。
重演并不等于重复。在教学中重演知识发生的过程，有利于厘清物理学发展的历程；构建清晰的物理学知识体系；提升人文精神和科学素养；完善和优化认知结构。
例如，电磁学中磁场及电磁感应发展的历史，对于复习课型，可以建构图5所示的按时间顺序呈现的思维导图来展开（图中所给的是典型实验装置并非一定是历史上的实验装置）。这种结构既是教材编写的思路，也是电磁学发展的历程，符合人的科学认知的心理过程。
2.3 挖掘物理学史的思想方法，重视物理科学方法的教育以提高探究能力
物理学史在物理教学中的应用一般分为两个层次，相对较浅的层次为通过对物理学家的介绍，物理理论被发现的年代，增加教学内容的历史感。这样的应用是以物理学家为中介，与历史发生联系，进行人文教育。深层次的应用是分析理论的过去式，从中挖掘出物理研究过程中的思想方法，进行科学方法教育。重演科学发展的过程，本质上就是重演科学家进行科学研究的过程[8]。因此，物理学史的教学，应关注历史上重要的实验或理论中所藏匿的思想和方法，因为物理学家探究物理概念或规律的思想和方法，体现了物理学家解决问题的智慧。如法拉第在重复奥斯特实验的基础上，根据对称性思想，萌发了“磁生电”的设想，以及应用“力线思想”形象描述磁场与电场的抽象性。
拉普拉斯说：“认识一个天才的研究方法，对于科学的进步，……并不比发现本身更少用处，科学研究的方法经常是极富兴趣的部分。”在电磁学发展史上，库仑扭秤实验及库仑定律的建立，涉及到观察实验方法、假说方法、理想化方法、对称性方法、放大方法、归纳与演绎方法等等。法拉第电磁感应定律的提出、麦克斯韦电磁理论（方程组）的建立均是数学方法的应用。
应当指出的是，物理学规律的发现或相关理论的提出，都是基于一定的历史条件或前提假设。教学中要求能够立足于一定的历史条件或假设的前提下，来理解相关的理论。对物理学家的探究过程、实验设计及研究结论，要求从科学和历史的视角来审视。在“失败―失败―直至成功”的科学历程中既要汲取失败之教训，也要能获得成功之精髓；同时，能通过内化来分析、评价历史观点，或者探索性解决有关问题。
综上，近2年来物理学史试题的取材和考查旨趣，是以物理学史中的某一重要实验为载体，要求考生根据所学知识，分析判断前辈科学家在当时历史条件下观点的正误；并通过史料展示物理发展的不平凡历程。让考生在科学方法的选择与应用、逻辑推理与判断中，重温历史，激发兴趣，树立正确的人生观和价值观。今天的物理教学应当回归物理学的本源。穿越时空，回眸经典，正如哲学家桑塔亚纳所说的一句名言：“忘记过去，将会重蹈覆辙。”高考命题设计思想为物理教学提供了重要的导向作用，物理学史是重要的学习内容，也是重要的教学目标。
