关于创新能力及其考查方式的研究

摘   要：创新能力是新时代人才必须具备的关键能力。在对创新能力概念理解的基础上，选取2024年各省市新高考物理卷的典型试题进行分析，梳理了创新能力的考查路径和教学导向，提出在中学教学中提升创新能力、培育人才的教学建议。

关键词：创新能力；考查方式；典型试题

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2025）2-0052-5

１    引  言

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“物理课标”）明确指出，“科学思维”作为物理学科核心素养之一，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素［１］。显然，“创新”属于科学思维的高级要素，是学生通过物理学习必须发展的核心素养，也是考试评价的重要考查内容。

２０１９年６月，国务院办公厅颁布《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》，在“深化考试命题改革”部分指出：学业水平选择性考试与高等学校招生全国统一考试命题要以普通高中课程标准和高校人才选拔要求为依据……创新试题形式，加强情境设计，注重联系社会生活实际，增加综合性、开放性、应用性、探究性试题［２］。

２０１９年１１月，教育部考试中心印发《中国高考评价体系》和《中国高考评价体系说明》，建构了“一核”“四层”“四翼”的中国高考评价体系，在“怎样考”的问题上，提出了“基础性、综合性、应用性、创新性”的考查要求［３］。明确了“关键能力是高考考查中的重点内容”，突出了“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”的新时代高考命题理念［４］。２０１９年１２月，教育部考试中心程力、李勇在《中国考试》上发表了《基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径》一文，明确提出了物理学科基于学科核心素养重点考查的五种学科关键能力：理解能力、推理论证能力、模型建构能力、实验探究能力和创新能力［５］。遗憾的是文中没有具体给出五种关键能力的含义界定。

为助力一线的教学改进，２０２０年６月，笔者发表了《对“基于高考评价体系的五种关键能力”含义界定的尝试》一文，具体给出了五种关键能力的含义界定［６］。２０２２年２月，西南大学科学教育研究中心李小鹏、邓磊等发表了《２０２１年新高考物理试题中关键能力的考查研究》一文，该研究小组选择了２０２１年全国有代表性的５套试卷，依据笔者关于五种关键能力的含义界定作为编码标准，对５套高考物理试卷中的每道试题进行关键能力编码与统计。结果显示，五种关键能力在５套试卷中的考查并不均衡，其中推理论证能力考查最多，其次是理解能力，而模型建构能力和实验探究能力的考查只占１５％左右，创新能力的考查最少［７］。此研究结果对考试评价的进一步优化具有一定的参考价值。

纵观２０２４年全国各地的新高考试题，笔者欣喜地发现了一些考查创新能力的典型试题，尽管数量有限，但明显有突破。撰写此文，以期梳理创新能力的考查方式和教学导向，更好地服务教学改进及考试评价。

２    关于创新能力的基本认识

以下是笔者依据物理课标、自身对物理学科高考实践的探索以及学术界的若干研究成果，结合中学阶段的教学特点以及教育考试的可评、可测，对“创新能力”的含义和具体要求进行界定：

创新能力是指在已有经验的基础上，通过自主学习和独立思考，发现新问题、获取新知识、创造新方法、解决新问题的能力。

具体要求如下：

①能通过阅读和观察，获取新知识、新方法等新信息；

②能对已有结论提出合理质疑，发现多种可能性，采用多种方式和方法解决问题；

③面对新颖或复杂的物理情境，能发现新问题，创造性地建构新的物理模型，应用新思路、新方法解决问题［6］。

该界定已被不少硕博毕业论文及期刊论文引用，说明一定程度上被认可，也说明一线教学与考试评价的迫切需要。

本文在此基础上，结合笔者近年来的教学及评价实践，对创新能力的理解进行进一步说明和完善。

创新能力不是独立于其余四种关键能力的一种能力，而是其余四种关键能力的升华。基于理解能力，当理解之深、贯通彻悟时，创新会呈现；基于推理论证能力，当质疑论证矛盾冲突时，创新会呈现；基于模型建构能力，当面对新颖或复杂的情境，旧模型无法适用时，创新会呈现；基于实验探究能力，当设计探究一个未知问题时，创新会呈现。之所以把“创新能力”提出来，首先，是因为对拔尖创新人才的时代呼唤，是国家课程标准的要求；其次，是因为该能力有其独特的思维特点；再次，是因为该能力乃当前教学的薄弱地带，需要考试评价在发挥“立德树人、选拔人才”的同时，彰显其“引导教学”的功能。

３    关于创新能力考查方式的研究

以２０２４年全国各地新高考的典型试题为例进行分析，梳理创新能力的考查方式。

３．１    以“新信息、新加工”作为考查方式，检测思维的深刻与敏捷

该方式通过呈现新知识、新方法等新信息，要求考生通过阅读和观察，在已有清晰、深刻的认知基础上，能敏锐提取、加工和应用新信息解决新问题。该方式重点考查考生对物理核心概念、规律的深入理解进而迁移创新的能力，要求考生的思维具有一定的深刻性与敏捷性。

例１ （２０２４北京新高考14题） 电荷量Ｑ、电压Ｕ、电流Ｉ和磁通量Φ是电磁学中重要的物理量，其中特定的两个物理量之比可用来描述电容器、电阻、电感三种电磁学元件的属性，如图1所示。类似地，上世纪七十年代有科学家预言Φ和Ｑ之比可能也是一种电磁学元件的属性，并将此元件命名为“忆阻器”，近年来实验室已研制出了多种类型的“忆阻器”。由于“忆阻器”对电阻的记忆特性，其在信息存储、人工智能等领域具有广阔的应用前景。下列说法错误的是（     ）

Ａ．ＱＵ的单位和ΦＩ的单位不同

Ｂ．在国际单位制中，图1中所定义的Ｍ的单位是欧姆

Ｃ．可以用来描述物体的导电性质

Ｄ．根据图1中电感Ｌ的定义和法拉第电磁感应定律可以推导出自感电动势的表达式E=L［８］

【答案】 Ａ

【分析】本题是北京新高考选择题的最后一题，该位置的题目一直都是针对创新能力进行考查的北京特色性试题。本题信息新颖，呈现方式独特，要求考生的知识理解深入且关联性强，方可进行相应的类比推理。采用“类比推理”的新方法考查创新能力，也是北京高考试题的特色之一［9］。

例２ （２０２４全国新课标卷13题） 一质量为ｍ、电荷量为ｑ（ｑ＞０）的带电粒子始终在同一水平面内运动，其速度可用图2的直角坐标系内一个点Ｐ（ｖｘ，ｖy）表示，ｖｘ、ｖｙ分别为粒子速度在水平面内两个坐标轴上的分量。粒子出发时Ｐ位于图中ａ（０，ｖ０）点，粒子在水平方向的匀强电场作用下运动，Ｐ点沿线段ａｂ移动到ｂ（ｖ０，ｖ０）点；随后粒子离开电场，进入方向竖直、磁感应强度大小为Ｂ的匀强磁场，Ｐ点沿以Ｏ为圆心的圆弧移动至ｃ（－ｖ０，ｖ０）点；然后粒子离开磁场返回电场，Ｐ点沿线段ｃａ回到ａ点。已知任何相等的时间内Ｐ点沿图2中闭合曲线通过的曲线长度都相等。不计重力。求：

（１）粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期；

（２）电场强度的大小；

（３）Ｐ点沿图2中闭合曲线移动１周回到ａ点时，粒子位移的大小［１０］。

【答案】

（１），；

（２）E=Bv0；

（３）。

【分析】 本题素材新颖，以“速度点”的闭合曲线呈现信息，学生需走出“运动轨迹”的思维定式，由“速度点”的闭合曲线推理还原“运动轨迹”。本题最具挑战的是第（２）小问，考生需深刻理解“已知任何相等的时间内Ｐ点沿图中闭合曲线通过的曲线长度都相等”的含义。细究“曲线长度”的物理含义，若能敏锐洞察“速度点”与坐标原点的连线即为速度矢量，结合矢量三角形定则得出曲线上任意极小段即为该极短时间内的速度变化量，进而得出加速度大小为定值，则顺利解答。显然，本题信息加工的推理步骤较多，对知识的结构化要求也较高。

３．２    以“新思路、新方法”作为考查方式，检测思维的灵活与贯通

该方式通过呈现新颖的情境和素材，考查考生灵活应用不常用的、新颖的思路或方法解决新问题的能力。该方式重点考查考生思维的灵活性与贯通性。

例３ （２０２４浙江新高考22题）类似光学中的反射和折射现象，用磁场或电场调控也能实现质子束的“反射”和“折射”。如图3所示，在竖直平面内有三个平行区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ；Ⅰ区宽度为ｄ，存在磁感应强度大小为Ｂ、方向垂直平面向外的匀强磁场，Ⅱ区的宽度很小。Ⅰ区和Ⅲ区电势处处相等，分别为φⅠ和φⅢ，其电势差Ｕ＝φⅠ－φⅢ。一束质量为ｍ、电荷量为ｅ的质子从Ｏ点以入射角θ射向Ⅰ区，在Ｐ点以出射角θ射出，实现“反射”；质子束从Ｐ点以入射角θ射入Ⅱ区，经Ⅱ区“折射”进入Ⅲ区，其出射方向与法线夹角为“折射”角。已知质子仅在平面内运动，单位时间发射的质子数为Ｎ，初速度为ｖ０，不计质子重力，不考虑质子间相互作用以及质子对磁场和电势分布的影响。

（１）若不同角度射向磁场的质子都能实现“反射”，求ｄ的最小值；

（２）若U=，求“折射率”ｎ（入射角正弦与折射角正弦的比值）；

（３）计算说明如何调控电场，实现质子束从Ｐ点进入Ⅱ区发生“全反射”（即质子束全部返回Ⅰ区）；

（４）在Ｐ点下方距离处水平放置一长为的探测板ＣＱＤ（Ｑ在Ｐ的正下方），ＣＱ长为，质子打在探测板上即被吸收中和。若还有另一相同质子束，与原质子束关于法线左右对称，同时从Ｏ点射入Ⅰ区，且θ=30°，求探测板受到竖直方向力Ｆ的大小与Ｕ之间的关系［１１］。

【答案】

（１）；

（２）；

（３）U≤-；

（４）分三种情况：

①当U≥0时，两边射入的粒子都能打到板上，F=2Nm；

②当U<-时，全部都打不到板上，F=0；

③当-≤U<0时，仅Ｏ点右侧的一束粒子能打到板上，F=Nm。

【分析】 本题用类比方法打通了光学、静电场、磁场几个模块，展现了物理学大统的魅力。第（１）小问类比光的反射，用磁场实现质子束的“反射”；第（２）小问类比光的折射，用电场实现质子束的“折射”；第（３）小问类比光的全反射，用电场实现质子束的“全反射”。这样的试题既是创新能力的测试，也是物理思想方法美的一次体验。此外，本题中“Ⅰ区和Ⅲ区电势处处相等”，考生需深入理解静电平衡的性质，类比迁移得出两区均无电场的结论，进而顺利解答。

３．３    以“多角度、多种可能”作为考查方式，检测思维的发散与严谨

该方式通过问题情境的设计，考查考生能够多角度、多方位、全面周到思考问题的能力。该方式重点考查考生思维的发散性与严谨性。

例如，例３中的第（４）小问，需要分三种情况进行分析讨论。此题要求考生能发现问题存在多种可能性，需要进行全面、细致、严谨的比较和分类，这种带有一定开放性的试题对学生的发散性思维也是很好的检测。

３．４    以“新情境、新模型”作为考查方式，检测思维的变通与创新

该方式通过创设新颖或复杂的问题情境，要求学生走出惯式的常规模型，结合当前的新情境，创造性建构新的物理模型来解决新问题。该方式重点考查考生思维的变通性和创新性。

例４ （２０２４北京新高考19题）科学家根据天文观测提出宇宙膨胀模型：在宇宙大尺度上，所有的宇宙物质（星体等）在做彼此远离运动，且质量始终均匀分布，在宇宙中所有位置观测的结果都一样。以某一点Ｏ为观测点，以质量为ｍ的小星体（记为Ｐ）为观测对象。当前Ｐ到Ｏ点的距离为ｒ０，宇宙的密度为ρ０。