基于實驗:物理習題訓練的創新

詹善生 王建剛 湯金波

摘要：習題訓練對學生學習物理有著極為重要的作用。而在做題中讓學生參與編題，則能將學生從解構型的“做題者思維”拉升到建構型的“編題者思維”，促其充分運用自身已有的物理學識，將物理思維訓練提升到一個新高度。更進一步地，若將做題與編題的實踐建立在實驗的基石之上，將在更大程度上讓物理教與學回歸其本來的面目。

關鍵詞：中學物理；實驗；習題訓練；做題；編題

物理學基于觀察和實驗，構建物理模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的研究方法和理論體系。［1］進一步說，研究物理的實驗手段與形成物理的科學思維方法息息相關，互為表里。從目前中學階段的實際情況來看，習題訓練仍是學生面對物理學科最主要的學習行為。由于諸多因素疊加，如今的中學物理教學對實驗手段的淡化現象廣泛存在，導致通過單純的做題來完成物理思維方法的培養成為普遍的做法。首先，我們必須承認習題訓練（做題）對學生學習物理有著極為重要的作用——這種紙上的思維實踐具有較低的操作成本和較好的成效。其次，我們認為，在做題中讓學生參與編題，能將學生從解構型的“做題者思維”拉升到建構型的“編題者思維”，促其充分運用自身已有的物理學識，將物理思維訓練提升到一個新高度。更進一步地，我們認為，若將做題與編題的實踐建立在實驗的基石之上，將在更大程度上讓物理教與學回歸其本來的面目——基于實驗，尊重事實。

一、 起步：用實驗幫助做題

（一） 突破情境中的疑難點

當用實驗的手段再現習題情境時，習題將立體地呈現在答題者的面前。這是對答題者“眼耳鼻舌身”的全面刺激，對大腦引發的神經沖動是強烈的、多通道的，也就更易使答題者形成更高水平的專注、更強烈的意識，習題所表述的物理問題的解決也就不再那么困難。基于實驗做題，讓習題散發出物理學科特有的芬芳，化艱澀難懂的語句為生動活潑的情境。試舉一例。

例1如圖1所示，在水平天花板與豎直墻壁間，通過不計質量的柔軟繩子和光滑的輕小滑輪懸掛重物G=40N，繩長L=2.5m，OA=1.5m，求繩中張力的大小，并討論：

（1） 當B點位置固定，A端緩慢向左移動時，繩中張力如何變化？

（2） 當A點位置固定，B端緩慢向下移動時，繩中張力又如何變化？

W同學和H同學在利用理論推導的方法答完這道題后，向教師表達了對第（2）小問結果的好奇——B端沿著豎直墻壁緩慢下移，繞過動滑輪的細繩所成角度真的不變嗎？這是對第（2）小問作出“繩中張力保持不變”判斷的重要中間判據。此時兩位學生的關注點，已經不再是數學推演過程的嚴謹性，而是現實物理世界對這一現象的可實現性。兩位學生的這種實證意識，正是學習物理難能可貴的品質，只有讓他們親自動手做一做，才能讓這種品質得到鼓舞和提升。于是，教師指導他們開展了實驗探究：線頭（B端）從圖2所示的位置緩慢移動到圖3所示的位置的過程中，三角尺（其實用量角器更好）上邊緣與細繩交點位置不變，即細繩所成角度保持不變。通過實驗，學生證實了推理結果的正確性。

從上述案例可以看出，基于實驗做題，不同于單純的“刷題”，而是更接近擁有強烈學

術精神的“研題”。只有這樣，學生才能體會到物理學科的獨特魅力，其學習物理的興趣和熱情才會不減反增，物理學科核心素養的培養才不至于成為空談。

（二） 辨別題目中的“失真”信息

如今市面上的各種教輔資料里、網絡題庫中，有不少“失真”習題，它們的存在一定程度上異化了習題在教學中的功能。而基于實驗做題，恰似一面“照妖鏡”，可以在對習題正本清源的同時，培養學生的質疑精神和鑒別能力。試舉兩例。

例2下頁圖4是某款電吹風機的電路圖，它主要由電動機M和電熱絲R構成。當閉合開關S1、S2后，電動機驅動風葉轉動，將空氣從進風口吸入，經電熱絲加熱后，形成熱風從出風口吹出。已知電吹風機的額定電壓為220V，吹冷風時的功率為120W，吹熱風時的功率為1000W。關于該電吹風機，下列說法正確的是（）

A 電熱絲的電阻為55Ω

B 電動機的電阻為12103 Ω

C 當電吹風機吹冷風時，電熱絲每秒鐘消耗的電能為120J

D 當電吹風機吹熱風時，電動機每秒鐘消耗的電能為1120J

S同學在做完這道題后，對習題所創設的情境深表懷疑，輕巧的電吹風機里安裝的可能是直供220V的交流電動機嗎？在教師的指導下，他拆解了家中廢舊的電吹風機，發現其中安裝的是低壓直流電動機，并重新繪制了電路圖（如圖5所示）。對問題情境提出質疑并動手實驗驗證，學生習得了更多習題之外的真知識（如圖5的設計有結構輕巧、性能穩定、成本低廉等諸多優點）。這種基于實驗的做題將學生引向一種自然的深度學習。

例3如圖6所示，在操場上，兩同學相距L（10m左右），沿垂直于地磁場方向的兩個位置，面對面將一并聯銅芯雙絞線，像甩跳繩一樣搖動，并將線的兩端分別接在靈敏電流計上。雙絞線并聯后的電阻R為2Ω，繩子搖動的頻率配合節拍器的節奏，保持f=2Hz。如果兩同學搖動繩子的最大圓半徑h=1m，電流計的最大值I=3mA（不計電流計內阻及連接線的電阻）。

（1） 試推導出地磁場的磁感應強度B的數學表達式（用R、I、L、f、h等已知量表示）。

（2） 試估算此處地磁場的磁感應強度B的數值。

（3） 若將兩人搖繩的位置改為與剛才方向垂直的兩點，則電流計的示數是多少？

F同學在做這道題時，對題中考慮導線電阻卻不計電流計內阻的做法深表不解。因為他在做電流表改裝實驗時測量過表頭的內阻，可達幾百歐姆。考慮實際情況，電流計的內阻是萬萬不可忽略不計的，否則就會造成后續測量的嚴重錯誤。隨后該生在教師的協助下，再次用數字多用電表粗測了實驗室靈敏電流計的內阻和一卷雙絞線的電阻（分別如圖7、下頁圖8所示），證實了自己的觀點。

綜上所述，學生在大腦中搭建習題情境，對解決習題中預設的問題十分關鍵，而教師指導學生動手實驗，是輔助學生破除情境疑云的一種重要手段。平日里反復運用此法，可以有效地提高學生解決問題的能力（答題能力是解決問題能力的一種）。將實驗與做題相結合，對當前條件下培養學生主動質疑的習慣和能力也有著重要的價值。

二、 進階：依據實驗進行編題

做題者經歷的是一種解構型思維，即他面臨的任務是解構人為設定的情境來解決人為設定的問題；而編題者經歷的則是一種建構型思維，他需要選擇一些情境并提出供人解決的具體問題，這更具自主性和創造性，為思維的完整發育提供了重要的“營養補充”。正如愛因斯坦所說：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要。因為解決問題也許僅是一個數學上或實驗上的技能而已，而提出新的問題，卻需要有創造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。”我們所倡導的編題是基于實驗的編題：編題活動是對實驗活動的模型化濃縮，而實驗又為編題提供了不可或缺的科學性驗證。

例如，X同學在家中廚房觀察到電水壺中水燒開時的場景，然后在教師的指導下編制了一道題。［2］

例4一壺水放在火爐上，壺嘴的上方噴著“白氣”，壺蓋“撲哧撲哧……”上下張合。X同學用兩把質地相同的菜刀，將一把菜刀經過冷凍后放在壺嘴上方，看到刀面上出現大量水珠；將另一把菜刀在熱水里浸泡一段時間后放在壺嘴上方，看不到刀面上有水珠出現。

（1） X同學在實驗時用溫度計測量了壺水的溫度（如圖9所示），是攝氏度。X同學家里現有水銀溫度計（-20℃～120℃）、酒精溫度計（-30℃～60℃）、體溫計、寒暑表等不同種類的溫度計，本實驗應該選用的溫度計是。

（2） 他記錄的數據表如表1所示，其中第min的數據是錯誤的。根據實驗數據可知水的沸點是℃。水沸騰過程中溫度（選填“升高”“保持不變”或“降低”）。壺嘴有大量“白氣”冒出，這些“白氣”實際上是（選填“小冰晶”“小水滴”或“水蒸氣”），“白氣”形成是（填物態變化的名稱）現象，此過程（選填“吸熱”或“放熱”）。表1溫度隨時間變化情況

時間/min012345溫度/℃929394959697時間/min678910……溫度/℃9898939898……（3） 壺蓋“撲哧撲哧……”上下張合，下頁圖10中與其能量轉化方式相同的是（）

（4） 仔細觀察發現，“白氣”在壺嘴上方離壺嘴還有一段距離，為何“白氣”未在壺嘴處出現，請說明原因。

（5） 為什么在熱水里浸泡過的刀面上沒有小水珠出現？

這道題是基于真實實驗現象編制的。學生將溫度計讀數與選取、數據記錄與甄別、沸點、物態變化、能量轉化方式等知識點巧妙地融合到一起，體現了靈活的素材加工能力。他還通過冷凍菜刀和熱水泡刀的創造性操作，提出獨創性問題，這是通過單純做題所不能展現和訓練的。

又如，Y同學經過反復開展一元錢硬幣碰撞實驗，請教了教師一些專業知識后，編制了一道頗有新意的題目。

例5Y同學想利用兩枚一元硬幣自主研究硬幣碰撞規律。他手動操作，多次嘗試，發現很難實現硬幣的對心碰撞。但是細心的他發現，在發生斜碰時，碰后分開的角度似乎比較接近。于是他大膽假定，硬幣側壁光滑且完全彈性時，運動的硬幣與靜止的硬幣在斜碰發生后分開時會沿著相互垂直的角度分開。（兩枚硬幣可視為等質量物體）

（1） Y同學的猜想正確嗎？請在以下提示下通過理論推導回答。（提示：如圖11所示，將硬幣1的速度v沿碰撞時兩硬幣中心連線方向及其垂直方向分解為v1和v2，這樣硬幣1相當于以速度v1與硬幣2發生對心正碰。）

（2） 為了追蹤硬幣的軌跡，進而準確測量兩枚硬幣碰撞后分開的角度，Y同學將夜光膠帶貼在硬幣上重新實驗，發現情況如圖12所示。這說明，硬幣在斜碰時實際發生的是（選填“完全彈性”“非彈性”或“完全非彈性”）碰撞。

本例中，學生本想用硬幣碰撞實驗驗證完全彈性碰撞的規律，但在實驗操作中發現很難做到完美的對心碰撞，即使偶爾做到，也很難觀察到完美的等質量彈性碰撞的速度交換現象。在教師的鼓勵與指導下，他借助硬幣碰撞的真實實驗情況創造性地編制了這樣一道題。沒有實驗做襯底，學生（包括專業命題人士）是很難編制出這樣既符合實際又具有創意的習題的。

三、 超越：“做題—實驗—編題”的習題訓練流程

我們以為，用實驗幫助做題、依據實驗進行編題僅能單方面提升學生解決問題的能力或提出問題的能力。而基于實驗的做題與編題相結合，可以有效避免這種情況的發生，其運行的簡易邏輯結構如圖13所示。

中學物理學科核心素養中物理觀念的形成、科學思維的培養、科學探究的常態化、科學態度與責任的凸顯等，均可以在“做題—實驗—編題”的“組合拳”中找到適合的落實方法。如，讓實驗的手段成為基礎，在物理學習過程中頻繁地介入，就是對科學探究中問題、證據、解釋、交流諸要素的生動訓練；借助實驗質疑舊題情境、構建新題情境，就是對科學思維中模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新的篤實踐行……在班級授課制為主要教學組織形式的今天，在紙筆考試為主要評價方式的時下，“做題—實驗—編題”的習題訓練流程，不失為落實核心素養培養的一種積極的嘗試。下面試舉一例。

例6（2021年遼寧省錦州市中考物理試題）圖14所示是小明“探究冰熔化時溫度變化規律”的裝置，請回答下列問題：

（1） 某時刻試管中溫度計的示數如圖15所示，是℃。

（2） 把裝有碎冰塊的試管放到裝有水的大燒杯中加熱，主要目的是使碎冰塊

。

（3） 圖16是小明根據實驗數據繪制的冰的溫度隨時間變化的圖像。由此可知冰是（選填“晶體”或“非晶體”）；在第6min時，試管內的物質處于（選填“固態”“液態”或“固液共存態”）。

（4） 小明又繼續加熱一段時間，觀察到（選填“試管”“燒杯”或“試管和燒杯”）中的水發生了沸騰現象，溫度計的示數不再發生變化。

M同學在用實驗結合做題的方法對該題進行驗證時發現，按照教材的方法操作，測量得到的冰的熔點每次都會達到2℃甚至以上，于是對題目中的配圖（圖16）提出了質疑：BC段并不會這么理想地落在橫軸上。他通過多次實驗探究，發現采取二次水浴法，可以大大降低實驗的誤差，讓冰的熔點測量值誤差降低到0.2℃以內。在教師的指導下，他將這道題改編成了一道基于真實實驗的原創題。

例7學習固體熔化規律之后，小明知道：冰是晶體，在熔化過程中溫度保持0℃不變。為驗證這一規律，小明按圖17所示的裝置測量冰的熔點：將碎冰塊放入大試管，通過酒精燈加熱大燒杯內的水，利用水浴加熱的方式給試管內的碎冰塊加熱并使其熔化，碎冰塊中插入攪拌器和溫度計。

（1） 采用水浴加熱法加熱冰塊以及實驗過程中用攪拌器不停地攪拌碎冰塊的目的是相同的，這樣做的共同目的是。

（2） 小明實驗發現，通過調節酒精燈火焰的大小，可以使大燒杯內的水溫基本控制在50℃上下，而多次實驗的結果基本相同：在冰塊的熔化過程中，試管內插入碎冰中的溫度計的讀數不是0℃，而是穩定在4℃上下。已知溫度計的讀數是準確的，大氣壓是1標準大氣壓，用來做實驗的水不含雜質或其他成分，請分析出現這種現象的可能原因。

（3） 小明查閱資料得知，在其他條件相同時，兩個物體之間熱傳遞的速度（即單位時間內傳遞熱量的多少）隨兩個物體之間溫度差的增大而加快。分析上述實驗現象出現的原因之后，小明對實驗裝置進行了改進：如圖18所示，將碎冰塊倒入易拉罐，碎冰塊中插入攪拌器和溫度計，將易拉罐放在內部裝有鐵絲球和水的玻璃杯內，將另一支溫度計插入裝有鐵絲球和水的玻璃杯中，之后再將玻璃杯放入盛有熱水的大容器內，通過二次水浴加熱的方式使碎冰塊熔化。圖18

這樣操作測量出的冰的熔點雖仍然比0℃高，但卻非常接近于0℃。為了使測量的結果更精確，插入鐵絲球和水中的溫度計的讀數應盡量控制在接近哪個溫度值？（）

A 0℃B 5℃

C 50℃D 100℃

（4） 因為水的比熱容較大，所以，用二次水浴法加熱并測量冰塊熔點的實驗，如果大容器內水的質量較大，即使不用酒精燈火焰或其他熱源加熱，在冰塊熔化的過程中，用來作為中間熱量傳遞媒介的鐵絲球和水也可以維持在比冰的熔點稍高的溫度上，且相對穩定，測量出的冰的熔點自然比較準確。請簡述二次水浴法測量冰熔點的優點。（不少于2條）

此案例中，學生經歷了“做題—實驗—編題”的過程，對冰熔化現象觀察的細致程度和理解的深廣程度都有了質的飛躍，解決問題的能力和提出問題的能力也有所發展。如：用易拉罐替換試管的原因在于易拉罐導熱性能好，且不像玻璃試管那樣易破碎；加入鐵絲球是因其導熱性能好，同時也起到支撐和固定易拉罐的作用；等等。

需要提醒的是，我們應該靈活地結合實際情況從學生和教師兩方面來組織“做題—實驗—編題”的實踐——于學生，可以提倡材料廉價環保、操作簡單易行的實驗方案，突出其創意優勢；于教師，則可以結合自身研究偏向（數字電子技術、仿真技術等）開展實驗，從更高的層次上對學生形成引領優勢。這樣，師生之間一種美妙的跟隨與引領就有望達成，我們就有機會突破眼前的教學困境而營造一種不斷追求超越的教學生態。

從一線教學的真實生態出發，我們承認“做題”這一行為在教學運作中的顯要地位，同時以“編題”這一教學實踐中帶有角色互換的新行為作為補充，最后用實驗作為匡正和穩固做題和編題共同坐落的“地基”。而基于實驗的做題和編題相結合，可以實現教、學、評三者之間有機的統一和高效的互動，這也是我們所展望的更遠的圖景。

從教的角度來看，不管是新任教師還是成熟教師，“做題—實驗—編題”的習題訓練流程，十分適合教師課前、課中和課后的常規性操作和創造性行為。由于增加了“實驗”和“編題”兩個要素，教師不再是為講題而講題，其工作的獨創性意義將得以充分體現，教師區別于教材和教輔的不可替代的價值也得以呈現。多年前就有人感嘆：“如果在物理習題教學中融入豐富多彩的實驗，增強感性認識，理解習題情境，實現知識的應用和升華，不但能夠培養學生利用實驗解決問題的能力，而且還可進一步樹立‘實踐是檢驗真理的唯一標準’的科學價值觀。”［3］無疑，他的這種觀點是正確的，而我們更進一步地認為：實驗與題目的深度結合在各種課型中都應該作為常規且必要的內容而存在。

從學的角度來看，做題如同“吃別人做的飯”，做題與編題相結合如同“自己做飯吃”，而基于實驗的做題與編題相結合如同“自己買菜做飯吃”。我們會發現，基于實驗的做題和編題相結合雖然從更高的層次上對學生提出了要求，但同時也為學生實現積極主動的深度學習打開了一扇窗。而這，對學生學科核心素養的持續培養是極其有利的。與此同時，我們還可以通過“做題—實驗—編題”的行為范式，來對學生學習的層次表現做更清楚的觀察。

從評的角度來看，“做題—實驗—編題”的習題訓練流程，十分有利于對學習成果的過程性評價和終結性評價。習題由于以實驗為基準，確保了情境的科學性和合理性，較之虛構場景的習題，將是一把更有“溫度”和“精度”的尺子，測量出學生更地道的學科素養。

基于實驗的做題與編題相結合，將指引中學師生如何在有限的寶貴時間里實現“教師教得自如、學生學得深入、評價評得到位”。物理學習者甄別與創造更多基于實驗的好題，就像醫師甄別與創造更多基于臨床的藥方一樣，任重道遠，永無止境。

參考文獻：

［1］ 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，2020：1．

［2］ 湯金波.湯老師創新物理實驗室（原創題）［M］.杭州：浙江大學出版社，2021：1213.

［3］ 張金良.利用實驗與習題的結合培養學生解決問題能力［J］.物理通報，2012（2）：33.