2020年高考物理實驗數據處理技能的考查特征分析

王芳蘇 袁海泉

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215006)

1 實驗題的考查要點和數據處理考查方式

實驗題歷來重視對基本儀器的讀數、操作和對作圖能力、數據分析處理能力、實驗設計能力和探究能力的考查.高考實驗題一般以定量實驗為主，這就需要對數據進行分析與處理.對實驗數據進行分析與處理時，要根據實驗原理、要求以及限制條件，對實驗現象進行理性的分析，運用學過的物理知識和有關的數學方法(如解析法、圖像法、列表法等)得出合理的結論.許多學生認為所謂的數據處理不過是對實驗取得的數據進行計算，最后得出一個實驗結果和實驗規律而已.其實不然，數據處理不單純是實驗后的數學運算問題，而是滲透在從實驗設計到實驗結果分析的全過程之中，它是物理實驗的重要組成部分.

2020年全國高考共有10套試卷，分別是全國卷Ⅰ、全國卷Ⅱ、全國卷Ⅲ、新高考卷Ⅰ(山東使用)、新高考卷Ⅱ(海南使用)，北京、天津、上海、浙江、江蘇自主命制各一套.不同試卷均有一道力學和一道電學的物理實驗題，分值在10～18分的范圍內.從分值、考查范圍、實驗內容、考查要點和數據處理考查形式出發，細致分析可以得到表1.

表1 2020年高考物理實驗題考查要點和考查方式

由表1可見，實驗題的考查范圍集中在課程標準中要求的實驗內容，力學以運動學實驗為主，電學的考查則以伏安法測電阻的實驗為主.總體難度適中，數據處理為考查的重點,符合《考試說明》中明確提出“會記錄、處理實驗數據，并得出結論，對結論進行分析和評價”的要求，數據處理已經成為實驗題的必考部分.

2 物理實驗題數據處理技能的考查特征

2.1 由實驗結果數據推斷實驗條件和實驗方案 增加了實驗的綜合性和創新性

實驗結果有多種表現形式，大多數以表格的方式展現豐富的實驗數據，也會以圖像的方式展示各因素之間的函數關系.對實驗結果數據的分析是科學探究過程中的重要環節，這些實驗結果數據是形成結論的根據，也正是科學探究能力中“證據”要素的體現.2020年實驗試題就考查了從實驗結果的誤差、圖像角度選擇實驗方案和實驗條件，與具體的實驗情境相結合，評價學生的推理能力、圖像分析能力、有效數據提取能力，增加了實驗的綜合性和創新性.

圖像具有形象、直觀反映物理量間的變化規律等特點，圖像的斜率、截距、橫縱坐標、交點甚至面積都有一定的物理意義，圖像的描繪、從圖像中獲取、發現有用的信息進而求解相應物理量是高中學生應具備的基本能力.依據實驗結果數據的圖像設計新的實驗方案，是數據處理技能考查的一條路徑.如全國卷Ⅲ第23題(圖1所示)，用伏安法研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化關系，考查了數據計算和讀取圖像數據的能力，新穎點在于利用熱敏電阻做警報器，用R-t圖像中的數據推理報警器中熱敏電阻所處的位置,并求出另一個定值電阻的阻值.考查的是利用實驗結果設計實驗方案和選擇實驗條件.再如上海卷第8題，驗證機械能守恒定律的實驗中,得到了Ek-θ圖，由結果數據進行推理得到擺長.還有全國卷Ⅰ第22題,考查伏安法測電阻的實驗，需要根據實驗所得的U-I圖像，由直線斜率去推斷實驗的電路連接方式(“外接法”“內接法”)，從實驗結果的誤差考慮實驗方案的選擇.

圖1 高考全國卷Ⅲ第23題題圖

除了依據實驗結果的誤差和圖像考查實驗方案的選擇外，還考查了由實驗結果數據推斷實驗條件.如全國卷Ⅲ第22題驗證動能定理實驗，通過對紙帶的數據處理得到速度，再反向推理需要的其他實驗條件，山東卷第14題對“測量電源電動勢和內阻”的實驗方案進行考查，將得到的數據描點、作圖，通過實驗結果推理所選擇的定值電阻.浙江卷也在第18題測量干電池的電動勢和內阻，對實驗結果的直線進行分析，選擇對應的實驗方案，并依據圖像求出電動勢和內阻.

2.2 由實驗結果數據考查實驗誤差 增加了實驗的系統性和科學性

實驗誤差存在于實驗過程，對實驗誤差的分析是準確完成實驗必不可少的能力.通過對實驗數據的誤差分析，可以判斷實驗結果是否真實地反應了實驗規律.誤差分析也是實驗題的常考點，從得到的實驗結果數據出發，進行實驗誤差的分析，能夠培養學生實事求是的科學精神，有利于學生探究能力的提升，增加了實驗的系統性和科學性.2020年在此方面考查了7次，如全國卷Ⅰ第22題用U-I圖像(圖2)進行誤差分析，對比兩條直線之間的差異求出待測電阻并計算系統誤差；第23題用實驗條件求實驗結果和相對誤差.再如全國卷Ⅱ第22題，求定滑輪一側小球的加速度，用運動學公式和牛頓第二定律求出實驗結果，對比兩個實驗結果的差異，得到產生系統誤差的原因.在新高考卷Ⅰ(山東卷)第14題第1小題、江蘇卷第10題第4小題、北京卷第16題第2小題中也有類似考查.

圖2 高考全國卷Ⅰ第22題題圖

2.3 由實驗條件數據考查儀器選擇和方案設計 引導關注實驗過程和背景

高考實驗題以定量實驗為主，實驗儀器的選擇、實驗方案的設計經常要以定量數據為依據.一般為了完成一個物理實驗，必然受到實驗條件和實驗結果的制約，這些制約往往以具體的數據形式出現，對這些實驗條件的準確掌握和理解，是完成實驗的首要條件，也成為高考的一個?？键c.根據實驗儀器的相關數據，運用物理規律和實驗要求，分析相關數據，選取合理的實驗儀器以及連接方式，是設計性試驗必備的能力.

實驗條件數據不僅考查對實驗原理和要求的準確掌握，還將數據與儀器、方案相關聯，考查數據計算、推理和分析能力.如例1天津卷第9題第2小題，測量電源電動勢和內電阻，通過實驗條件數據的推理選擇合適的實驗方案，引導學生關注實驗背景，對實驗的原理準確掌握.

【例1】(2020年高考天津卷第9題)(2)某實驗小組選用以下器材測定電池組的電動勢和內阻，要求測量結果盡量準確.

電壓表 (量程0～3 V，內阻約為3 kΩ)

電流表 (量程0～0.6 A，內阻約為1 Ω)

滑動變阻器 (0～20 Ω，額定電流1 A)

待測電池組 (電動勢約為3 V，內阻約為1 Ω)

開關、導線若干

①該小組連接的實物電路如圖所示(圖3)，經仔細檢查，發現電路中有一條導線連接不當，這條導線對應的編號是.

圖3 2020年高考天津卷第9題圖

再如全國卷Ⅲ第23題，根據題目給的實驗條件數據，在所給的器材符號之間畫出連線，組成測量電路圖，引導學生對實驗過程的重視.還有全國卷Ⅰ第22題，山東卷第12題中也有類似的考查.

2.4 由實驗條件數據推算實驗結果 注重實驗原理和方法的理解與遷移

科學規律只有經得起實驗驗證才具有普遍性，這就依賴于實驗數據的科學處理，才能使規律驗證的過程更具有說服力.由已知的實驗條件數據推算實驗結果是今年高考實驗題中突出的考查方式，推算中注重實驗原理和方法的理解與遷移，體現了核心素養中科學推理、科學論證要素和證據意識的考查.

例如全國卷Ⅰ第23題驗證動量定理，運用了題干給的實驗條件推理沖量和動量變化的關系，并求出相應結果和實驗誤差.還有全國卷Ⅱ第23題研究小燈泡的伏安特性，根據電路圖寫出小燈泡兩端的電壓和電流代數式，運用題干中的實驗條件數據求出小燈泡的安全電流并計算燈絲的電阻，題目的新穎處在于用實驗條件數據推理出能夠測量完整的伏安特性曲線的最小電阻值.

【例2】(2020年高考全國卷Ⅱ第23題)(3)實驗時，調節滑動變阻器，使開關閉合后兩電流表的示數為零.逐次改變滑動變阻器滑片位置并讀取相應的I1和I2.所得實驗數據在表2中給出.

表2 I1和I2實驗數據

根據實驗數據可算得，當I1=173 mA時，燈絲電阻R=Ω (保留1位小數).

如果用另一個電阻替代定值電阻, 其他不變，為了能夠測量完整的伏安特性曲線，所用電阻的阻值不能小于Ω(保留1位小數).

3 對教學的建議

3.1 實驗習題教學應聯系真實的實驗情境

傳統實驗習題中設計性的實驗情境較多，教學往往注重演算，而缺少描述和抽象的過程，對物理現象和物理事實把握不夠.實驗試題改革的方向之一，就是依據真實的實驗情境對學生的實驗能力進行全面而系統的考查.2020年高考物理實驗試題體現了這一方向，這就要求實驗習題教學應在真實的情境中進行，重視學生與物理現象的多向性交互作用，以保證學生在真實情境中強化知識的建構.具體到教學上，教師可以通過演示實驗創設有效的真實情境，帶領學生進入情境，得到客觀真實數據，引導他們找到物理規律.

3.2 加強實驗過程體驗

《考試大綱的說明》要求“加強實驗操作技能的考查，將親手做過實驗與沒有做過實驗的考生區分出來；加強對實驗原理及實驗分析能力的考查，將做過實驗并深入思考實驗的考生與做了實驗但不思考的考生區分開來；加強對實驗全過程整體思考的考查，把基于實驗原理的實驗設計、實驗操作、實驗數據處理以及實驗結果分析的內在邏輯考查出來”，這就要求高考評價必須基于核心素養進行實驗考査.物理實驗題是高考中最具活力和創造性的題型，現行課標規定了21個學生必做實驗，涵蓋了全部的實驗類型(即觀察性實驗、測量性實驗、驗證性實驗、探究性實驗、設計性實驗).不同類型的實驗，對學生的能力要求不一樣，只有學生親自動手做實驗，充分體驗實驗過程，關注實驗操作中的細節，深入理解實驗原理和規律，掌握數據處理的技能，才能夠更好地、循序漸進地提升實驗能力.實驗教學是發展學生核心素養的重要載體，我們應該把培養學生的實驗能力、促進學生終身發展作為實驗教學的出發點和落腳點.

3.3 關注實驗問題解決中的邏輯推理能力訓練

今年高考物理實驗題不僅重視課本實驗，而且要求對實驗的原理規律、操作步驟、誤差來源等充分理解和掌握，以核心素養為依據，對21個必做實驗進行創新和改進，考查考生的綜合分析能力，培養學生模型建構和科學推理的學科素養.由“果”尋“因”，知“因”問“果”已成了數據處理的主要考查方式，無論是從結果出發去尋根溯源，還是順著研究方向去知因問果，都離不開數據在其中的作用.數據以“因”的面貌出現，要求學生尋找線索，在數據中找到突破點，考查創新思維和運用物理知識綜合分析能力.數據可以以“果”的形式出現在表格、圖像和題干中，在考查求異思維和發散思維方面有其獨特的功能，不僅回避已學過的現成實驗，而且又恰到好處地考查了考生在遷移、回歸和發散的思維過程中見異求同，見同求異的能力.因此，實驗教學必須關注實驗問題解決中的邏輯推理能力訓練，這樣的訓練有利于培養學生分析解決實際問題的能力，提高學生的綜合素養.