學習進階視域下的高考物理實驗試題分析與教學策略
——以2022年全國甲卷物理實驗試題為例

董友軍，朱建山，劉 芳

(1.北京師范大學廣州實驗學校，廣東 廣州 510700;2.深圳市光明區馬山頭學校，廣東 深圳 518106；3.北京教育學院豐臺分院，北京 100073)

高考是普通高等學校招生全國統一考試的簡稱，是國家選拔優秀人才的重要方式，其考查功能為“立德樹人、服務選才、引導教學”，考查內容為“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備品格”，考查要求為“基礎性、綜合性、應用性、創新性”.

物理學是一門實驗科學，實驗是物理學發展的基礎，也是物理學研究的方法. 《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》中指出“物理學基于觀察與實驗，構建物理模型，應用數學工具，通過科學推理和論證，形成系統的研究方法和理論體系”. 高中物理學業質量根據問題情境化程度、知識結構化程度和思維方式綜合化程度等劃分為5級水平，這是高考試題命題的重要依據. 高考物理實驗試題通過題型創新和應用已學的物理知識考查學生的科學探究能力[1]. 因此，高中物理實驗教學不是只落實科學探究1個方面的物理學科核心素養，而是落實4個方面的物理學科核心素養，即幫助學生形成物理觀念、提升科學思維、訓練科學探究能力、培養科學態度與責任[2]. 高考物理實驗試題不僅可以引導學生經歷科學探究過程，體會科學研究方法，培養科學思維習慣，還可以增強學生的創新意識，提高學生的實踐能力. 因此，高考學業質量5級水平與“學習進階”的進階水平的內在邏輯一致，具有對應關系. 本文基于學習進階理論，通過對2022年全國甲卷物理實驗試題的分析，提出了學習進階視域下的高考物理教學策略.

1 學習進階簡介

學習進階是當前國內外教育教學研究熱點，被譽為提升學生學習效率的“靈丹妙藥”[3]. 學習進階融合了布魯納的“螺旋式課程設計”、維果斯基的“最近發展區理論”和奧蘇貝爾的“有意義學習理論”等，對指導中學物理教學、發展科學探究核心素養具有推動作用.

1.1 學習進階內涵

學習進階是對學生在較大時間跨度內學習和研究某一主題時所遵循的連貫、逐漸深入的思維路徑的描述[4]，或者是對學生在各學段學習同一主題概念時所遵循的連貫、典型的學習路徑的描述[5]. 它包括進階起點、進階水平、進階終點、進階變量和測評工具等要素(見圖1). 進階起點指學生的現實情況，包括學生已有知識、思維能力和前概念等；進階水平指學生的預期學習表現，是進階起點通向進階終點的臺階；進階終點指教學目標，當前教學目標主要是發展學生的物理學科核心素養；進階變量指核心概念和關鍵能力；測評工具指針對進階教學的評價試卷.

圖1 學習進階要素

進階起點、進階水平和進階終點組成了學習進階視域下高中物理教學通路，并通過進階變量的引領和測評工具的修正把各自獨立的課時教學內容整合到物理學科核心概念之中，從而讓每節物理教學既能培養學生的關鍵能力，又能發展學生的核心素養.

1.2 學習進階層級

針對學習進階理論，郭玉英教授團隊總結出學生認知發展可描述為5個層級[6]：a.經驗(Ex-perience)，即學生具有尚未關聯的零散事實；b.映射(Mapping)，即學生建立事實與術語之間的關系；c.關聯(Relation)，即學生建立術語與多個事實關系；d.系統(System)，即學生從系統角度協調變量關系；e.整合(Integration)，即學生有學科觀念與跨學科概念. 根據層級描述，可以看出學生的認知發展水平是從零散到系統、從具體到抽象、從簡單到復雜的過程.

2 學習進階層級與科學探究水平的對應關系

科學探究是物理學科核心素養之一，主要包括問題、證據、解釋、交流等要素. 高中物理課程標準把科學探究劃分為5級水平，其中科學探究水平2是 “學考”的命題依據，科學探究水平4是 “高考”的命題依據. 學習進階層級與科學探究水平的對應關系如表1所示.

表1 學習進階層級與科學探究水平的對應關系

3 學習進階視域下的高考物理實驗試題分析

全國甲卷物理實驗試題有2題，總計7個設問：映射層級設問1個、關聯層級設問3個、系統層級設問1個、整合層級設問2個，沒有經驗層級設問(見表2). 映射層級主要考查實驗器材(氣墊導軌)的使用，關聯層級主要考查物理量(電學物理量、力學物理量)之間的關系，系統層級主要考查物理規律(動量守恒定律、機械能守恒定律)的理解，整合層級主要考查物理規律(歐姆定律、動量守恒定律、機械能守恒定律)的應用. 分析還發現，2個實驗試題的第1個設問，都是整合層級，即最高層級，說明實驗試題的思維起點高、綜合應用強，且后面的設問又與第1個設問有關聯，相互牽制、一榮俱榮、首錯俱錯.

表2 設問層級

2022年全國甲卷物理試卷22題：某同學要測量微安表內阻，可利用的實驗器材有：電源E(電動勢1.5 V，內阻很小)、電流表A(量程10 mA，內阻約10 Ω)、微安表G(量程100 μA，內阻Rg待測，約1 kΩ)、滑動變阻器R(最大阻值10 Ω)、定值電阻R0(阻值10 Ω)、開關S、導線若干.

(1)在答題卡上將圖2中所示的器材符號連線，畫出實驗電路原理圖____；

圖2 22題題圖

(2)某次測量中，微安表的示數為90.0 μA，電流表的示數為9.00 mA，由此計算出微安表內阻Rg=____Ω.

設問1.1為考查電路設計. 由于設問1.2要測量微安表G的內阻Rg，根據部分電路歐姆定律Rg=UG/IG，其中IG可以通過微安表G直接讀出，UG可以由微安表G的電流IG、電流表A的電流IA和定值電阻R0計算得出UG=R0(IA-IG),根據串并聯電路的結構特點進行電路設計，對器材符號連線，畫出實驗電路原理圖(見圖3). 要正確解答本設問，學生需要掌握電流表原理、并聯電路特點、部分電路歐姆定律，即“能制訂有一定新意的科學探究方案，靈活選用合適的器材獲得數據”，屬于整合層級.

圖3 原理圖

2022年全國甲卷物理試卷23題：利用圖示4的實驗裝置對碰撞過程進行研究. 讓質量為m1的滑塊A與質量為m2的靜止滑塊B在水平氣墊導軌上發生碰撞，碰撞時間極短，比較碰撞后A和B的速度大小v1和v2，進而分析碰撞過程是否為彈性碰撞. 完成下列填空：

圖4 23題題圖

(1)調節導軌水平；

(2)測得兩滑塊的質量分別為0.510 kg和0.304 kg. 要使碰撞后兩滑塊運動方向相反，應選取質量為____kg的滑塊作為A；

(3)調節B的位置，使得A與B接觸時，A的左端到左邊擋板的距離s1與B的右端到右邊擋板的距離s2相等；

(4)使A以一定的初速度沿氣墊導軌運動，并與B碰撞，分別用傳感器記錄A和B從碰撞時刻開始到各自撞到擋板所用的時間t1和t2；

(5)將B放回到碰撞前的位置，改變A的初速度大小，重復步驟(4). 多次測量的結果如下表所示；

12345t1/s0.490.671.011.221.39t2/s0.150.210.330.400.46k=v1v20.31k20.330.330.33

(6)表中的k2=____；(保留2位有效數字)

4 學習進階視域下的高考物理實驗教學策略

教學策略是在特定教學情境中，為完成教學目標和適應學生認知需要而制定的教學程序計劃和采取的教學措施[7]. 依據2022年全國甲卷物理實驗試題分析結果，從學習進階的視角對高中物理實驗教學提出4點教學策略.

4.1 用“一量多材”突破映射層級試題

“一量多材”是指用多種實驗器材測量1個物理量. 俗話說“巧婦難為無米之炊”，器材如米，實驗如炊，沒有器材就沒有實驗. 做實驗離不開器材的選取，測量1個物理量，選取多種器材，既可以促進知識結構的完整，也可以培養學生的發散思維[8]. 例如設問2.2需要測量瞬時速度，既可以用本實驗的氣墊導軌測量，也可以引導學生用光電門、電磁打點計時器(或電火花打點計時器)、位移傳感器、壓力式托盤秤等測量[9]. 通過“一量多材”，學生既能夠掌握多種器材的操作程序以增長見識，也能夠發展高階思維，激發學習興趣，從而突破映射層級試題.

4.2 用“一理多用”突破關聯層級試題

“一理多用”是指用1個實驗原理實現多種用途，即根據原理去挑選實驗器材，指導實驗順序，處理實驗數據，分析實驗誤差，等等. 原理常為物理規律或物理公式，是物理實驗的核心. 原理既是實驗設計的出發點，也是解決實驗設問的歸宿點. 例如22題，其原理是歐姆定律，包括閉合電路歐姆定律和部分電路歐姆定律. 通過原理分析，既可以解決設問1.1，正確畫出實驗電路原理圖，也可以解決設問1.2，計算出微安表內阻. 學生抓住了原理，就抓住了解題思路，找到了解題方向，從而突破了關聯層級試題.

4.3 用“以點為面”突破系統層級試題

“以點為面”是指把知識點變為知識面，呈現知識縱橫交錯，有助于學生對知識的深刻理解. 例如22題，通過閉合電路知識點，可以變為1個知識面：歐姆定律、串并聯電路規律、純電阻電路與非純電阻電路，以及其對應的電壓、電流、電阻、電熱、電功率之間的關系. 知識既具有獨立性又具有關聯性，通過以點帶面，促進知識結構化、可視化，讓知識的聯系更加清晰，有助于學生靈活應用物理知識，突破系統層級試題.

4.4 用“以法為心”突破整合層級試題

“以法為心”是指方法是物理教學的中心. 高中物理教學，需要以科學方法為中心構建知識體系，如圖5所示. 通過科學方法從自然現象中得到物理知識，通過科學方法從物理知識中得到函數關系，通過科學方法從函數關系中得到拓展應用，科學方法把自然現象、科學知識、函數關系、拓展應用聯結起來，處于整個物理教學關系的中心. 科學方法包括學科方法和思維方法：學科方法屬于強認知方法，體現學科特點，可遷移性弱；思維方法屬于弱認知方法，貫穿各學科，可遷移性強[10].

圖5 科學方法中心結構

高考物理實驗試題源于教材又超越教材，形變而神不變，即實驗原理、器材、過程在變化，但解決問題的方法不變. 所以教師在實驗教學時，既要要求學生動手操作實驗，也要要求學生掌握解決問題的方法. 例如23題，只要學生掌握氣墊導軌測速方法、動量守恒解題方法、機械能守恒解題方法，就可以解決本題. 因此，在高中物理實驗教學中，教師應引導學生反思實驗過程，總結解題方法，從而實現方法遷移，突破整合層級試題.

5 結束語

本文在“學習進階”視域下，通過分析2022年全國甲卷物理實驗試題，提出高中物理實驗教學策略，不僅可以精準把握高考命題的特點，也可以高效指導實驗教學的方向，實現“以考促教、以考促學”，從而減輕學生學習負擔，發展學生物理學科核心素養.