創新實驗情景　突出證據獲取　彰顯核心素養

許冬保　朱文惠

摘 要：2019年高考海南物理實驗試題，通過創新實驗情景，考查實驗原理的理解，突出實驗證據的獲取以及基于證據的推理、論證.試題有效地考查了實驗能力及學科核心素養.教學啟示：堅持以實驗為基礎，樹立正確的課程觀與教學觀;重視實驗技能訓練，促進學生實驗能力發展;發展科學探究能力，提升物理學科核心素養.

關鍵詞：海南高考;物理實驗試題;解析;分析;啟示

文章編號：1008-4134（2019）19-0047中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

物理實驗是重要的課程資源，是教學的目標也是學生重要的學習內容，是學生學習物理學的一種基本方法和途徑，也是教師教學的一種重要手段.實驗能力是高考能力考查的重要方面.多年來海南高考實驗試題與全國卷一樣，堅持“1力+1電”的命題風格.由于海南試題是國家考試中心命題，因此，研究海南高考試題，對深度研究全國卷試題具有重要的參考價值，對于其他省市的物理教學具有借鑒和啟示作用.

1 高考真題與解析

2019年高考海南物理實驗試題共2道，對應的題號分別為11、12.分析如下.

1.1 試題11與解析

用實驗室提供的器材設計一個測量電流表內阻的電路.實驗室提供的器材為：待測電流表A（量程10mA，內阻約為50Ω），滑動變阻器R1，電阻箱R，電源E（電動勢約為6V，內阻可忽略），開關S1和S2，導線若干.

（1）根據實驗室提供的器材，在圖1所示虛線框內將電路原理圖補充完整，要求滑動變阻器起限流作用;

（2）將圖2中的實物按設計的原理圖連線;

（3）若實驗提供的滑動變阻器有兩種規格：

①10Ω，額定電流2A;

②1500Ω，額定電流0.5A.

實驗中應該取_____.（填“①”或“②”）

解析 （1）將電源、開關、滑動變阻器與已知的部分電路連接為閉合電路，原理圖如圖3所示;

（2）根據圖3所示原理圖，將實物圖進行連線，如圖4所示;

（3）由閉合電路歐姆定律知，S2斷開時，電路的總電阻為R + RA= E/Ig，則R≈600Ω，因此滑動變阻器應選擇②.

1.2 試題12與解析

某同學利用圖5的裝置測量輕彈簧的勁度系數.圖中光滑的細桿和直尺水平固定在鐵架臺上，一輕彈簧穿在細桿上，其左端固定，右端與細繩連接;細繩跨過光滑定滑輪，其下端可以懸掛砝碼（實驗中，每個砝碼的質量均為m=50.0g）.彈簧右端連有一豎直指針，其位置可在直尺上讀出.實驗步驟如下：

①在繩下端掛上一個砝碼，調整滑輪，使彈簧與滑輪間的細線水平且彈簧與細桿沒有接觸;

②系統靜止后，記錄砝碼的個數及指針的位置;

③逐次增加砝碼個數，并重復步驟②（保持彈簧在彈性限度內）：

④用n表示砝碼的個數，l表示相應的指針位置，將獲得的數據記錄在表格內.

回答下列問題：

（1）根據表1的實驗數據在圖6中補齊數據點并做出l-n圖象.

（2）彈簧的勁度系數k可用砝碼質量m、重力加速度大小g及l-n圖線的斜率α表示，表達式為k=.若g取9.80m/s2，則本實驗中k=N/m（結果保留3位有效數字）.

解析 （1）補充數據點，在坐標系中描點作圖并擬合直線，如圖7所示;

（2）設彈簧的原長為l0.由胡克定律及平衡條件得，nmg=kl-l0，圖象的斜率為 α=ΔlΔn=l-l0n，因此，彈簧的勁度系數為 k=mgα.

在圖7中可求出圖象的斜率為

α = Δ lΔ n = 12.90-10.00×10-26-0m ≈4.83×10-3m .

代入勁度系數表達式得

k = mgα = 0.050×9.804.83×10-3N/m≈101N/m.

2 實驗能力與核心素養考查分析

關于實驗能力，物理考試大綱[1]指出：能獨立完成“考試內容與要求”中所列的實驗，能明確實驗目的，能理解實驗原理和方法，能控制實驗條件，會使用儀器，會觀察、分析實驗現象，會記錄處理實驗數據，并得出結論，能對結論進行分析和評價;能發現問題、提出問題，并制訂解決方案;能運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題，包括簡單的設計性實驗.物理學科核心素養主要包括：物理觀念、科學思維、科學探究及科學態度與責任4個方面.從實驗能力與核心素養的視角進行分析，結果如下：

2.1 試題11分析

試題11分析結果見表2.

表2 試題11實驗能力與核心素養考查分析

試題11設問實驗能力素養表現素養類型素養水平

（1）設計測量電流表內阻的電路（給出部分電路及滑動變阻器起限流作用）簡單的設計性實驗能力具有物理觀念.理解閉合電路中電荷定向運動與電源相互作用;從能量視角認識閉合電路的有關規律，以此設計測電流表內阻的電路物理觀念（運動與相互作用、能量）水平3

能對已知的比較簡單的實驗電路進行分析和推理，完成實驗設計科學思維（推理）水平2

（2）根據原理圖，實物連線基本實驗技能能根據已經設計的電路為直接的證據，完成實物圖連線科學思維（論證）水平2

確保實驗操作安全，具有嚴肅認真、實事求是的態度科學態度與責任（科學態度）水平2

（3）滑動變阻器的選擇實驗器材選擇能對閉合電路進行分析和推理，獲得結論并作出解釋;能使用證據選擇規格為1500Ω滑動變阻器科學思維（推理、論證）水平4

能分析數據，發現特點，形成結論，嘗試用閉合電路歐姆定律進行解釋科學探究（證據、解釋）水平3

2.2 試題12分析

試題12分析結果見表3.

表3 試題12實驗能力與核心素養考查分析

試題12設問實驗能力素養表現素養類型素養水平

（1）補齊數據點并做出l-n圖象.描點作圖，擬合曲線補齊數據點，具有實事求是的態度，嚴謹規范描點作圖.科學態度與責任（科學態度）水平2

（2）彈簧的勁度系數k理解實驗原理;根據圖象，分析處理數據的能力具有清晰的物理觀念，從平衡的角度理解測彈簧勁度系數的原理物理觀念（運動與相互作用）水平4

能使用簡單和直接的證據寫出勁度系數的表達式科學思維（推理、論證）水平2

能分析圖象，發現其中規律，求出斜率.用力的平衡條件進行解釋，并按有效數字要求表達探究結果科學探究（證據、解釋、交流）水平4

3 教學啟示

物理學是以實驗為基礎的學科，物理實驗是物理課程的重要組成部分，在培養學生的創新能力、實踐能力及科學素養等方面具有非常重要的作用.2019年海南省物理實驗試題帶給我們哪些啟示呢？

3.1 堅持以實驗為基礎，樹立正確的課程觀與教學觀

實驗是物理學形成與發展的基石，實驗是物理學文化的重要組成部分，實驗方法是探索自然規律的重要方法.研究結果表明，物理實驗在促進學生認知結構轉化方面具有獨到的作用.由于科學實驗的本質特征是探究性，因此，實驗在培養學生探究能力方面具有得天獨厚的教學功能[2].

2019年高考海南物理實驗試題共2道小題，計18分，權重18.0%，稍高于全國卷實驗題的權重（13.6%）.這一數據表明，物理單科考試，實驗題權重增大.這對于當前或將來進入課改省份的考試命題，可能具有一定的參考作用.

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力.物理學科核心素養引領著物理課程與教學改革的走向.以核心素養統領物理教學，必須樹立以實驗為基礎的課程觀與教學觀.在課程理念上，增加學生動手實驗的機會，著重培養學生的實驗技能與實驗能力;在實驗類型上，將部分驗證性實驗修改為設計性實驗，以體現科學探究的精神，順應科學教育發展的趨勢;在實驗方式上，將演示實驗與學生實驗結合起來，定性與定量實驗相結合;在實驗時空上，從課堂實驗向課外實驗拓展，做到課內與課外相結合;在實驗配備上，重視采用簡單儀器做實驗，同時注意應用現代化實驗手段，做到常規器材與創新器材有機結合，為實驗教學開展創設良好環境[3].

3.2 重視實驗技能訓練，促進學生實驗能力發展

基本的實驗技能包括：會使用儀器，會觀察、分析實驗現象，會記錄、處理實驗數據等.學生實驗技能的提高，要求通過實驗讓學生正確使用高中物理實驗項目中的儀器和工具，并能獨立獲得較準確的實驗信息.實驗能力的內涵是豐富的，主要包括實驗技能、實驗設計能力以及實驗方法、實驗思想乃至實驗精神等方面的內容.

2019年海南省物理實驗試題，均不是考綱規定的實驗內容.但是，去偽存真，不難發現試題設計的源頭仍在考綱規定的實驗范圍之內.試題11是“測定金屬的電阻率”實驗的拓展，試題對測電流表內阻的電路設計要求很簡單，并未對用比較法測電表內阻的方法進行深入考查，試題側重基本實驗技能（閉合電路的構成、實物連線、器材選擇）的考查;試題12是“探究彈簧彈力和彈簧伸長的關系”實驗的變形，由彈簧的豎直懸掛改為水平牽引，考查了用圖象法處理實驗數據的能力.描點作圖、由圖象斜率求出相關物理量，考查的是最基本的實驗技能.但是，這類問題的錯誤發人深思.如直接跳過圖上缺少的數據點畫圖;用折線代替直線畫圖;不用直尺徒手畫直線;所畫直線誤差太大等.

綜上所述，實驗技能是實驗能力發展的基礎，實驗技能的提高會促進實驗能力的發展，但實驗技能不等于實驗能力.實驗能力的提高不是一蹴而就的，需要在長期的實驗教學中不斷培養、逐步發展.

3.3 發展科學探究能力，提升物理學科核心素養

實驗是物理學習的重要環節，是培養學生物理學科素養的重要途徑和方式.《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：“在高中物理課程中，尤其應重視科學探究，應注重物理實驗，這在培養學生的探究能力和科學態度等方面具有重要地位.”科學探究能力是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息，基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流等要素[4].

長期以來，由于紙筆測試的局限，教師講實驗，學生背實驗的教學之風盛行，學生的實驗能力普遍較低.2019年海南省物理實驗試題帶給我們的啟示是，做過實驗與沒有做過實驗效果是不相同的;認真做過實驗與沒有認真做過實驗的效果也是不相同的.盡管試題的整體難度不大，但試題在考查實驗技能的同時，更加重視基于證據的推理與論證.試題11表現在，根據電動勢的大小、電流表的量程這些數據為證據，結合閉合電路的歐姆定律進行論證，從而選擇滑動變阻器的大小;試題12表現在，由表格中的數據（缺失的2個）在l-n坐標系中描點、擬合為直線、由圖象中的斜率以及平衡條件、胡克定律得到勁度系數表達式及其數值，這一系列的推理過程均源于證據.

實驗證據包括實驗現象、數據、圖象、理論等.在高中階段學生科學論證水平的表現重點體現在對證據的認識和使用上，重點從證據的收集、分析、解釋和使用方面進行發展和提升[5].有鑒于此，物理實驗的目的絕不僅僅是為了培養動手能力、實驗技能，實驗思想、實驗方法、實驗結論的質疑與反思等是更為重要的教學內容.證據是實驗的核心，是做出推論的直接基礎[6].基于證據意識的實驗教學，是融物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任于一體的教學.讓學生多方面獲取證據、經歷科學論證的過程，有助于學生深化對科學本質的認知和理解，有利于科學態度的養成，有利于促進科學素養的形成與發展.

參考文獻：

[1] 教育部考試中心.2019年普通高等學校招生全國統一考試大綱 理科 [M].北京：高等教育出版社，2018.

[2] 廖伯琴.物理教育學[M].北京：高等教育出版社.2012.

[3] 王耀村.面向核心素養的科學課程建構與教學建議[J].物理教學，2018（8）：4.

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

[5] 馬朝華.對物理教學中科學論證的認識與實踐[J].物理教學，2018（11）：10.

[6] 袁建林，劉紅云.核心素養測量：理論依據與實踐指向[J].教育研究，2017（7）：26.

（收稿日期：2019-08-01）