注重科學思維考查 提升學生科學探究能力*——以 2021年1月浙江省選考物理實驗題為例

葉晟波 戎 杰 陳 瓊

(浙江省慈溪中學 浙江 寧波 315300)

物理學是基于觀察和實驗的一門自然學科，高中物理課程提倡學生具有科學探究意識，了解和掌握探索自然科學的科學思維與方法，而物理實驗是訓練學生進行科學探究的最佳途徑，實驗能力也是物理《高考考試大綱》明確要求考查的“五種能力”之一.2021年1月浙江省物理選考試題中的兩個實驗題，既強調基本知識、基本方法和基本規律，又適當引導學生拓展創新和變式訓練，考查了學生的物理實驗基本技能和科學思維，提升了學生物理核心素養中的科學探究能力.

1 探究性實驗考查學生思維

1.1 基于教材的力學探究性實驗

高中物理實驗可以大致分為驗證性實驗、探究性實驗和測量性實驗，其中探究性實驗是人類探索未知的重要手段，它側重培養學生的思維方式和方法.

【例1】(2021年1月浙江省普通高校招生選考物理試題第17題力學實驗題[1])(1)用如圖1所示裝置進行“探究功與速度變化的關系”實驗.裝有砝碼的盤用繞過滑輪的細線牽引小車，盤和砝碼的重力可當作牽引力.小車運動的位移和速度可以由打點紙帶測出，以小車為研究對象，改變砝碼質量，便可探究牽引力所做的功與小車速度變化的關系.

(1)關于這個實驗，下列說法正確的是______；

A.需要補償小車受到阻力的影響

B.該實驗裝置可以“驗證機械能守恒定律”

C.需要通過調節定滑輪使細線與長木板平行

D.需要滿足盤和砝碼的總質量遠小于小車的質量

圖1 “探究功與速度變化的關系”實驗裝置圖

(2)如圖2所示是兩條紙帶，實驗時打出的應是第______條(填寫“Ⅰ”或“Ⅱ”)紙帶；

圖2 實驗打出的兩條紙帶

(3)根據實驗數據，在坐標紙上畫出的W-v2圖像是一條過原點的直線，據此圖像______(填“能”或“不能”)求出小車的質量.

“探究功與速度變化的關系”是普通高中課程標準實驗教科書物理2第七章中的一節實驗探究課，課程目標是通過實驗讓學生認識功和速度變化的關系，為下節課定量描述動能和動能定理打下基礎.教材中提供了兩種實驗方案：分別從“恒力做功與速度變化的關系”和“變力做功與速度變化關系”兩個角度對這一規律進行探究，本次選考的力學實驗從恒力做功的角度進行了測試.功的大小等于小車所受的合力與小車位移的乘積，當盤和砝碼的總質量遠小于小車的質量及補償小車受到阻力后，功的大小等于盤和砝碼的重力與小車位移的乘積即W=Fx≈mgx[2].

那么如何改變恒力做功？采用控制變量法：(1)不改變小車拉力，測量不同位移下的速度變化，在拉力確定的情況下，功與位移成正比，測出砝碼和盤的質量m，測出不同位移x及其對應的小車速度v.這種方案可以分兩種，在表1中具體討論.(2)通過改變質量m改變小車拉力F，測出小車不同拉力F下功W與所對應的速度v.這節實驗課重在培養學生的科學思維，下面從實驗原理、是否平衡摩擦、如何減小系統誤差、圖像法處理實驗數據、如何形成合理結論5個方面，分析此實驗對學生科學思維的考查，如表1所示.

表1 分析學生科學思維的考查表

1.2 高于課本的電磁學探究性實驗

【例2】(2021年1月浙江省普通高校招生選考物理試題第18題電學實驗題[1])(2)在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”實驗中，可拆變壓器如圖3所示.為了減小渦流在鐵芯中產生的熱量，鐵芯是由相互絕緣的硅鋼片平行疊成.硅鋼片應平行于______(單選).

圖3 可拆變壓器

A．平面abcdB．平面abfe

C．平面abghD．平面aehd

“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”是普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2第五章中的一節學生實驗探究課.實驗考查的角度比較新穎，通過可拆變壓器硅鋼片的疊放位置考查學生對實驗儀器的熟悉程度和如何減小渦流.教材中有“可拆變壓器零部件”和“組裝后的變壓器”兩幅圖[3]，如果學生親自拆裝過變壓器，那么自然會知道變壓器的硅鋼片如何疊放，也會在實驗情境中發現和提煉問題，硅鋼片為什么這么疊放？能讓學生在觀察和體驗后有所發現、有所聯想，萌發出科學問題，這有利于學生物理核心素養的培養.學生解決問題能力的高低，取決于學生將實驗情境與知識相聯系的水平，本題中學生需要立足教材的基本概念與規律，分析鐵芯中的磁路，用能量觀念思考并運用科學思維分析，當鐵芯疊放和磁路方向垂直時，產生的渦流通過的電阻面積最小，電阻最大，從而使渦流引起的能量損耗最小.

高考探究性實驗題對科學思維的考查，對中學教師課堂教學有積極導向作用.它促使教師設計高階學習活動培養學生的高階思維能力和素養，對提高學生科學思維、應用數學處理物理實際問題的能力以及創新思維有極大的益處.

2 設計性電學實驗的考查提升科學探究能力

電學實驗的測量方法具有多樣性、開放性、探究性的特點，有助于培養學生的實踐能力和科學探究能力，從而提高學生的科學素養.

【例3】(2021年1月浙江省普通高校招生選考物理試題第18題電學實驗題[1])(1)在“測定電池的電動勢和內阻”實驗中：1)用如圖4所示的電路圖測量，得到的一條實驗數據擬合線如圖5所示，則該電池的電動勢E=______V(保留3位有效數字)；內阻r=______Ω(保留2位有效數字).

圖4 實驗電路圖

圖5 實驗數據擬合線

2)現有如圖6所示的實驗器材，照片中電阻箱阻值可調范圍為0～9 999 Ω，滑動變阻器阻值變化范圍為0～10 Ω，電流表G的量程為0～3 mA、內阻為200 Ω，電壓表的量程有0～3 V和0～15 V.請在圖6中選擇合適的器材，在答題紙相應方框中畫出兩種測定一節干電池的電動勢和內阻的電路圖.

圖6 實驗器材

2.1 突出電學實驗的基礎性 鼓勵學生探究

“伏安”法測電阻，是高考電學實驗試題常見的一類試題，它注重考查學生基礎知識的掌握情況和應變能力.類比伏安法測定值電阻，本實驗(1) 中的第1)題采用“伏安法”測電源的電動勢和內阻.試題給出了實驗電路圖和體現實驗規律的U-I圖像，學生需要理解相關概念，搞清楚實驗所根據的物理知識，再用物理知識把物理問題通過U-I圖像轉譯成物理規律，賦予斜率、截距圖像元素內阻和電動勢的物理意義，從而簡捷、合理地測出干電池的電動勢和內阻.第1)題考查的問題能很好地體現學生對基本方法的掌握情況，該題重視實驗的基礎，積極鼓勵學生掌握物理基本理論，引導教師在物理實驗教學中注重基本實驗技能、實驗的教學和實踐操作的指導，從而提高學生實驗原理應用能力和科學探究能力.此題還考查了有效數字，任何測量都是有誤差的，有效數字運算的確定原則比較復雜[4]，中學階段不做要求，但其對學生養成正確記錄與計算實驗數據的習慣，培養學生嚴謹的科學思維和實驗探究的素養有重要作用，所以高中階段需要學生理解誤差和有效數字概念，而實驗運算結果一般取2位或3位有效數字就可以了.

2.2 增強實驗設計方案的開放性 提升科學思維

第18題的第2)題是采用現場拍攝實驗場景，將照片呈現在考生面前，讓學生身臨其境.照片給出7種電學實驗器材，讓考生選擇合適的器材，設計測定一節干電池的電動勢和內阻的2種方案.與以往相比，除了注重對實驗基本原理、數據處理的考查，新增了實驗設計能力的考查，此題學生的錯誤率還是比較高的，我們先來看一下學生出錯的幾個主要原因.

(1)由于滑動變阻器具體阻值未知，學生設計的電路無法測出E和r，最常見的滑動變阻器分壓接法如圖7(a)所示，流過滑動變阻器的電流未知如圖7(b)和(c)所示.這種錯誤，學生根本不理解實驗的原理.

圖7 常見的錯誤電路圖

圖8 常見的錯誤電路圖

(3)在第18題第1)題中，由圖像得到電池的電動勢E=1.45～1.47 V；內阻r=0.63～0.67 Ω.如圖8(b)，若G表兩端的電壓達到滿偏0.6 V，電源(假設E=1.45 V,內阻r=0.65 Ω)內阻分得的電壓約為0.85 V，那么G表和電阻箱的并聯電阻為0.45 Ω，電阻箱的電阻約為0.45 Ω，而照片中的學生用電阻箱最小擋位是1 Ω，不能調到零點幾歐，因此不符合實際情況.

(4)如圖8(c)把G表和變阻箱并聯，改裝成較大量程的電流表，再把滑動變阻器作為定值電阻使用進行串聯，顯然學生沒有搞清楚滑動變阻器的工作原理，也無法測出電池的電動勢和內阻.

(5)還出現的一些常見錯誤，如學生對滑動變阻器、電阻箱電路符號不會畫；電路原理圖上沒有加開關；沒有弄清題意，如電路圖中出現多個相同用電器；題中出現了沒有給的用電器；將G表畫成安培表等.

圖9 教材中的3種基本實驗電路圖

再向“創新”要成績.本實驗設計方案源于教材但不拘泥于教材，將3個基本方案與題目中問題信息相互作用，利用題中已有信息，得出2種合理的方案.“伏安法”需要合適量程的電壓表和安培表，已給的G表的量程為3 mA可以并聯一個電阻箱，阻值約為1 Ω，改裝成量程為0.6 A的電流表，如圖10(a)所示.“伏阻法”可以根據教材基本電路圖用變阻箱和電壓表來測電源的電動勢和內阻如圖9(b)所示，類比伏阻法，圖10中(b)、(c)、(d)也可以測量.那么此題能否用變阻箱和電流表利用“安阻法”來測定呢？從誤差角度來看，電學實驗的電路設計方案需要考慮測量結果的精確度，“安阻法”可以準確測定電動勢，但測得的內阻r測實際為電源內阻r真和安培表內阻rg之和，而安培表內阻為200 Ω，那么r真=r測-rg=r測-200，實驗中由于儀器、讀數、數據處理方式等引起的誤差會全部降落在電源內阻上，加之電源內阻比較小，有可能為負值，此方法測量電源內阻誤差可能會比較大，所以此題的電路圖用伏安法、伏阻法比較合適.學生如能對3種基本電路圖原理清楚，必能靈活遷移.

圖10 其他可行的電路圖

順應教育發展的高中物理教育應以發展學生的核心素養為目標[6]，我們的高考實驗試題應緊隨社會發展，順應時代變化，指導教師結合學科核心素養要求開展科學探究活動.(1)堅持物理概念、規律與方法的深度學習，理解知識的本質，建構知識的意義，形成科學探究的基本素養.(2)把實驗活動的思想、方法轉化為學生的認識能力和思維方式.(3)通過對探究性實驗和設計性實驗的考查，使教師的物理教學過程成為學生科學探究能力的形成過程，使學生學會方法遷移，加強對知識的感悟，精心培養學生的探究能力和高階思維能力，最終提升學生的物理素養.