IBDP與我國高中物理實驗課程比較研究

王道平 周旻旻

【編者按】 隨著科技進步和社會發展，以及國際競爭愈發激烈，當今中國的教育場景變化劇烈，培養能擔當民族復興重任的拔尖創新人才，成為教育領域急迫而重要的課題。作為新課程、新教材國家級示范校，南京師范大學附屬中學始終走在銳意進取、先行先試的道路上。近年來，學校著力對標國際教育，推動深度變革，特別組建“創新人才培養國內外課程比較”研究小組，著手國內外課程的深入對比，以期取彼之長，補己之短，有效融合，為學生創設更為良好的學習環境，助力拔尖創新人才的培養。本期《專題研究》欄目呈現他們的階段性研究成果，期待與更多有志于教育發展的各界人士共同探討，為促進教育整體生態的變革，提供可借鑒的經驗。

摘要：物理實驗課程在各國高中物理課程中都有著舉足輕重的地位，實驗課程評價對教師的實驗課程教學和學生的實驗課程學習起著至關重要的作用。IBDP與我國高中在物理實驗課程評價上既有類似的地方，也有著顯著不同。IBDP物理課程的評價體系，尤其是內部評估部分，對學生物理實驗課程的學習能起到切實有效的促進作用，值得借鑒。

關鍵詞：IBDP;高中物理;實驗課程;評價比較

本文系江蘇省教育科學“十三五”規劃2020年中小學教師發展專項立項課題“以‘人人名師’為目標構建教師發展共同體的實踐研究”（編號：Jc/2020/05）的階段性研究成果。物理學是一門高度依賴實驗的自然科學。早在兩千多年前，人們便有了對自然現象的觀察和思考，但直到17世紀意大利科學家伽利略開創物理實驗的研究方法，物理學才算真正誕生。近現代每一次重大的物理發現和進步，也都離不開實驗的引領與支持。

毋庸置疑，物理實驗課程在各國高中物理課程中都有著舉足輕重的地位。下面，我們將對IBDP（International Baccalaureate Diploma Programme，國際預科證書課程，是國際文憑組織為16—19歲的青少年設計的課程）與我國高中物理實驗課程進行比較，聚焦評價方案及筆試考核，以期從中收獲一些啟示。

一、物理實驗課程內容和學時要求比較

（一）IBDP物理實驗課程內容和學時要求

物理課程在IBDP中被歸類于包含化學、生物學等科目的第4學科組。學生在 IBDP一年級（對應國內的高二）可以根據自己的個性特長、興趣愛好以及升學就業愿望等情況，選擇是否學習物理，以及學習物理 SL（Standard Level，標準水平）課程還是難度較高的物理HL（Higher Level，高水平）課程。

在2016年版的IBDP物理課程大綱中，SL課程總學時為150小時，包含30小時的物理實驗和10小時的跨學科項目;HL課程總學時為240小時，包含50小時的物理實驗和10小時的跨學科項目。其中的實驗時間，不包括學生書寫實驗報告的時間。IBDP物理課程大綱并沒有規定具體的實驗內容和實驗數量，需要教師根據自己的教學理解、學生的學習情況、可利用的資源等自主安排。

值得一提的是，IBDP班的學生需要在其選擇的6門科目中確定一門科目，撰寫一份4000字以內的拓展性論文（EE，Extended Essay）。統計表明，大約三分之一學習物理HL課程的學生會選擇撰寫物理EE，一般會涉及一些超出IBDP物理課程大綱要求的實驗探究或理論研究。但這不屬于IBDP物理課程的基本要求，本文不做深入探討。

（二）我國高中物理實驗課程內容和學時要求

與IBDP不同，我國高中課程方案沒有區分學科組。但所有學科課程均包含必修課程、選擇性必修課程以及選修課程，這與IBDP的課程內容結構類似。

不同的是，我國高中課程要求所有學生必須全部修習必修課程，學時為108課時，每課時為45分鐘，合計81小時。所有學生都需要參加合格性考試。

需要參加普通高等學校招生全國統一考試的學生還必須學習選擇性必修課程，學時也為108課時。這部分課程實際上是為將來要學習的理工科奠定基礎，學習這部分課程的學生需要參加等級性考試。

學生還可以根據自己的個性需求選擇學習部分選修課程，學時與所需得到的學分相對應，最多為108課時，學習結束后由所在學校自主考核。

我國高中課程沒有對物理實驗學習時間作出具體要求，但對實驗內容和數量有明確的規定。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下稱“新課標”）規定學生必做實驗數量為：必修課程中12個，選擇性必修課程中9個。其中，包含10個力學實驗、2個熱學實驗、2個光學實驗以及7個電學實驗。這一點，顯然與IBDP完全不同。

如果按照1個實驗需要1課時的時間（不包含書寫實驗報告的時間）計算，總共為21課時，合計15.75小時。這個時間比IBDP規定的實驗時間要少很多。

二、物理實驗課程評價方案比較

（一）IBDP物理實驗課程評價方案

IBDP物理課程評價體系（詳見下頁表1）包括外部評估（External Assessment）和內部評估（Internal Assessment）兩部分。外部評估是卷面測試，在正常狀態下，包含試卷1、試卷2和試卷3;而在疫情期間，可能會被取消或縮減，如2020年5月的IB大考取消，學生的最終成績部分依賴學校教師給出的預估分（Predicted Grade），又如在2021年5月的IB物理大考中，試卷3被移除。內部評估則要求學生獨立完成一項物理實驗，并撰寫一份實驗報告，因而受疫情等因素影響較小。與實驗相關的物理課程評價，主要體現在內部評估及外部評估的試卷3中。

內部評估由學生的科任教師根據IBDP物理課程大綱要求對學生自主完成的探究性實驗和撰寫的實驗報告進行評價。當然，IBDP官方會通過抽查等方式對內部評估進行督查。IBDP物理課程大綱對實驗過程、實驗報告等各個環節有著嚴格的系統評價標準，且對學習SL課程和HL課程的學生的要求是一致的，包括如下5項評分標準：個人參與度（Personal engagement）、實驗探究（Exploration）、數據分析（Analysis）、自我評價（Evaluation）以及實驗報告寫作質量（Communication）。

外部評估中的試卷3包含A、B兩個板塊，其中A板塊有2—3個實驗題，著重考查學生對儀器測量誤差的基本認知、對誤差傳遞（Uncertainty propagation）的處理能力、對實驗數據的呈現和分析能力以及對實驗原理的理解能力等。

（二）我國高中物理實驗課程評價方案

我國高中物理課程對實驗的評價有以下兩種：

一種是全體學生都要參加的普通高中理科實驗學業水平考試（物理），目的是考查學生的實驗操作能力，屬于合格性考試。考查方式為實際操作：每個學生在給定的幾個實驗中抽取一個，要求在15分鐘內完成所有操作，包括安裝器材、獲取數據、簡單的數據處理、簡單的數據分析、得出結論、整理器材等。監考教師根據學生的實際操作表現給出具體分數，學生獲得6分即為合格（總分10分）。實驗題目基本來源于學生學過的實驗，實驗原理和操作步驟都比較明確，難度較小。

另一種是在普通高等學校招生全國統一考試的物理科目中設置實驗題，對選考物理的學生進行實驗筆試考核，主要考查學生方案設計、數據處理和分析、誤差分析等方面的實驗能力。實驗題目的范圍一般都在學生學過的實驗中，但大多進行了改編或創新，難度相對較大。

從評價方案上看，IBDP的物理實驗課程評價方案有著更嚴格、更系統的要求，而且在畢業和升學中的作用也更加重要。

三、物理實驗筆試考核比較

（一）IBDP物理實驗筆試考核

以2018年5月IB物理HL考試中的兩道實驗題為例。

【試題1】 如圖1所示，在磁感應強度為B的水平磁場中，懸掛在繩子上的一根磁針可繞豎直軸振動。對每個不同的B值，記錄10次振動的時間。

圖2中給出了多個不同的B值和對應的10次振動的時間（包含測量中的不確定度），B的不確定度忽略不計。

（1）在圖中畫出符合數據的最佳擬合線。

（2）①寫出當B=0.005 T時一次振動所用的時間，包括其絕對不確定度。②某同學猜想一次振動的周期滿足P=KB，其中K為常數，請用B=0.005T的數據點確定K的值，并給出K的不確定度，注意保留適當的有效數字。③求出K的單位。

（3）該同學想要作出P2隨1B變化的關系圖線。假定P=KB已被證實，請在坐標軸（見圖3）中畫出最佳擬合線，不需要給出具體的數值。

（4）說明如何從圖中得到K的值。

參考答案為：

第（1）問：要求畫出的圖線平滑、不彎折，并且通過所有的誤差線。

第（2）問①：0.84±0.03（s）。

第（2）問②：K=0.005×0.84=0.059。因為ΔKK=ΔPP，所以ΔK=0.030.84×0.0594=0.002，即K=0.059±0.002。

第（2）問③：sT12。

第（3）問：為一條通過原點的斜率大于0的直線。

第（4）問：K的值等于該圖線的斜率的平方根。

本試題偏重于考查學生對實驗數據誤差的認知和計算，以及對數據圖表的基本分析技能。第（1）問考查如何畫最佳擬合線;第（2）問考查如何從誤差線直接讀取不確定度，如何計算間接測量量的不確定度，以及如何根據關系式得出未知量的單位;第（3）問考查如何將實驗圖線從曲線轉換為易于分析的直線;第（4）問考查如何從實驗圖線中獲取相關定量信息。

【試題2】 要測量一個已知電動勢的電池的內阻。實驗器材示意圖如圖4所示。

（1）畫出能夠測量該電源內阻的電路圖。

（2）實驗中電阻溫度升高了，請說明將如何影響電源內阻的測量值。

（3）簡要說明如何使用可變電阻來提高內阻測量值的準確程度。

參考答案為：

第（1）問：如圖5所示。

第（2）問：電阻溫度升高，電阻值將變大（大于10 Ω）。由E=I（R+r）可知，R+r將被高估（或電流將變小）。所以計算出的電源內阻的測量值將大于真實值。

第（3）問：多次改變可變電阻的阻值，并記錄相應的電流值，然后通過UI圖像的斜率得到電源的內阻。（補充說明：U可以用U=IR計算得出）

本試題偏重于考查學生對具體實驗的綜合分析能力。第（1）問考查對實驗原理的分析和對實驗方案的設計;第（2）問考查對實驗誤差的分析;第（3）問考查多次測量減少誤差的實驗方法。

（二）我國等級性學業水平測試中的物理實驗筆試考核

以2018年江蘇省高考物理試卷中的一道實驗題為例。

【試題】 一同學測量某干電池的電動勢和內阻。

（1）圖6所示是該同學正準備接入最后一根導線（圖中虛線所示）時的實驗電路。請指出圖中在器材操作上存在的兩個不妥之處。

（2）實驗測得的電阻箱阻值R和電流表示數I，以及計算的1I數據見下表：

根據表中數據，在方格圖（見圖7）上作出R1I關系圖像。由圖像可計算出該干電池的電動勢為V，內阻為Ω。

（3）為了得到更準確的測量結果，在測出上述數據后，該同學將一只量程為100 mV的電壓表并聯在電流表的兩端。調節電阻箱，當電流表的示數為0.33 A時，電壓表的指針位置如圖8所示，則該干電池的電動勢應為V;內阻應為Ω。

參考答案：

第（1）問：開關未斷開;電阻箱阻值為零。

第（2）問：R1I關系圖像如圖9所示;14（1.30—1.44都算對）;1.2（1.0—1.4都算對）。

第（3）問：1.4[結果與第（2）問第一個空格一致];1.0[結果比第（2）問第二個空格小0.2]。

本試題既考查實驗的基本技能，又考查對具體實驗的綜合分析能力。第（1）問考查實驗操作的具體細節;第（2）問考查如何描點作圖和擬合曲線，以及如何運用實驗原理處理數據并得到實驗結果;第（3）問考查電路分析、基本儀器的讀數以及誤差分析和修正。

篇幅所限，不能列舉更多試題，但上述試題具有很好的代表性。比較結果為：

第一，兩種課程的試題對實驗的素養和能力的考查方向大致相同，都注重對實驗設計、數據處理、實驗評估、誤差分析等各個方面的考查，但具體考查的重點和細節有很大的差異。上述IBDP物理實驗筆試考核的試題2與我國等級性考試試題的考查重點有很高的一致性，但試題1的考查內容卻大不相同。

第二，IBDP物理實驗筆試考核的試題注重對實驗數據和實驗結果不確定度的考查，而我國等級性考試的試題一般不涉及這個問題，題目中的實驗數據都是確定的值，不會給出其不確定度，也不要求學生給出其不確定度，只是在參考答案中給出正確答案的范圍以體現不確定度。上述IBDP物理實驗筆試考核的試題1，考查的內容與其涉及的物理背景知識基本沒有關系，這與我國等級性考試的試題有很大的差異。實際上，關于不確定度的知識在IBDP物理課程大綱中有明確的規定，在其教材中有相應的教學內容，而我國高中物理課程中沒有相關要求。

第三，IBDP物理實驗筆試考核的試題一般不考查實驗的操作細節，而我國等級性考試的試題比較注重對操作細節的考查。原因在于，IBDP對實驗操作的考查包含在了內部評估中，而我國等級性考試要兼顧考查學生實驗操作方面的素養和能力。

四、幾點啟示

相比較而言，兩種課程體系都有對物理實驗完整的評價方案。我國高中物理課程對全體學生的實驗技能都要進行考核，這符合我國將高中視為“提高國民素質、面向大眾的基礎教育”的定位，符合使學生“具有科學文化素養和終身學習能力”的培養目標;對選修物理的學生在物理等級性考試中通過筆試考核他們的實驗探究能力。

新課標在對課程目標的闡述中指出：“通過高中物理課程的學習，學生應達到如下目標：……具有科學探究意識，能在觀察和實驗中發現問題、提出合理猜想與假設;具有設計探究方案和獲取證據的能力，能正確實施探究方案，使用不同方法和手段分析、處理信息，描述并解釋探究結果和變化趨勢;具有交流的意愿與能力，能準確表述、評估和反思探究過程與結果。”該課程目標與高考評價體系對物理實驗考核的要求完全一致，與IBDP物理課程內部評估的實驗評價方案也高度一致。

實際上，我國學生參加的實驗操作考核對實驗能力的要求達不到課程目標對實驗能力的要求，而等級性考試的筆試試題對實驗能力的考核也有極大的局限性。

我們認為，為了更大限度地實現上述培養目標，可以借鑒IBDP物理課程的評價體系，尤其是其內部評估部分。其優勢在于：

首先，評價結果是物理課程總體評價的組成部分，能夠切實有效地促進教師和學生重視物理實驗。

其次，該方案有一套嚴格的系統評價標準，既為實驗評價提供了準確的依據，也為實驗教學提供了可靠的參考。

再次，該方案兼顧了過程性評價。學生將在教師的指導下，利用足夠的時間進行真正的實驗探究。學生將完整經歷選題、提出問題、設計方案、修正方案、準備器材、獲取數據、轉化數據、處理數據、通過數據分析結論、描述探究結果、對探究結果進行解釋、完成實驗報告等過程。探究過程中，學生還需要不斷地查閱資料，與老師和同伴交流，從各種渠道獲取信息、整理信息，直至最終形成完整的實驗報告。

綜上所述，只有真正重視物理實驗，真正經歷完整的科學探究過程，學生的科學探究能力才能得到鍛煉，學生才能準確理解物理知識，增強解決實際問題的綜合能力，從而為以后進一步學習探索和實踐創新打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1] The International Baccalaureate Organization[R].Diploma Programme Physics Guide（first assessment 2016）， 2014.

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.