如何突破電學(xué)實驗瓶頸
——以廣東新高考電學(xué)實驗題為例

任富華

(廣東省佛山市三水區(qū)教育發(fā)展中心)

一、試題展示,熟悉情境問題

(2022·廣東卷·12)彈性導(dǎo)電繩逐步成為智能控制系統(tǒng)中部分傳感器的敏感元件,某同學(xué)測量彈性導(dǎo)電繩的電阻與拉伸后繩長之間的關(guān)系,實驗過程如下：

(1)裝置安裝和電路連接

如圖1(a)所示,導(dǎo)電繩的一端固定,另一端作為拉伸端,兩端分別用帶有金屬夾A、B的導(dǎo)線接入如圖1(b)所示的電路中。

圖(a)

(2)導(dǎo)電繩拉伸后的長度L及其電阻Rx的測量

①將導(dǎo)電繩拉伸后,用刻度尺測量并記錄A、B間的距離,即為導(dǎo)電繩拉伸后的長度L。

②將滑動變阻器R的滑片滑到最右端。斷開開關(guān)S2,閉合開關(guān)S1,調(diào)節(jié)R,使電壓表和電流表的指針偏轉(zhuǎn)到合適位置。記錄兩表的示數(shù)U和I1。

③閉合S2,電壓表的示數(shù)________(填“變大”或“變小”)。調(diào)節(jié)R使電壓表的示數(shù)仍為U,記錄電流表的示數(shù)I2,則此時導(dǎo)電繩的電阻Rx=________(用I1、I2和U表示)。

④斷開S1,增大導(dǎo)電繩拉伸量,測量并記錄A、B間的距離,重復(fù)步驟②和③。

(3)該電壓表內(nèi)阻對導(dǎo)電繩電阻的測量值________(填“有”或“無”)影響。

(4)圖1(c)是根據(jù)部分實驗數(shù)據(jù)描繪的R-L圖線。將該導(dǎo)電繩兩端固定在某種機(jī)械臂上,當(dāng)機(jī)械臂彎曲后,測得導(dǎo)電繩的電阻Rx為1.33 kΩ,則由圖線可讀出導(dǎo)電繩拉伸后的長度為________cm,即為機(jī)械臂彎曲后的長度。

二、試題分析,明晰考查方向

物理實驗題是檢驗學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要工具,本題作為高校選拔的學(xué)業(yè)水平等級性考試試題,屬于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4的要求。課程標(biāo)準(zhǔn)明確了核心素養(yǎng)四個要素在各個水平層次的學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),其中,科學(xué)探究要素學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4要求如下：能分析相關(guān)事實或結(jié)論,提出并準(zhǔn)確表述可探究的物理問題,作出有依據(jù)的假設(shè);能制訂科學(xué)探究方案,選用合適的器材獲得數(shù)據(jù);能分析數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律,形成合理的結(jié)論,用已有的物理知識進(jìn)行解釋;能撰寫完整的實驗報告,對科學(xué)探究過程與結(jié)果進(jìn)行交流和反思。結(jié)合以上要求,試題分析如下。

本題情境新穎,與探究金屬導(dǎo)體電阻與導(dǎo)體長度的關(guān)系實驗相似,但又有不同。探究金屬導(dǎo)體電阻與導(dǎo)體長度關(guān)系時,改變接入電路的導(dǎo)體長度,實際上就是在改變接入電路的對象。而本題是測量彈性導(dǎo)電繩的電阻與拉伸后繩長之間的關(guān)系,實驗過程中接入電路的彈性導(dǎo)電繩是不變的,導(dǎo)電繩接入電路的長度變化是通過外力作用產(chǎn)生的。另外,題中用彈性導(dǎo)電繩代替普遍意義上的導(dǎo)體、用外力作用下導(dǎo)電繩伸長后的長度代替通過移動接觸點改變導(dǎo)體的長度,這就會給學(xué)生一種全新的情境,迫使學(xué)生逐字逐句的讀題、審題,讓學(xué)生通過讀題理解實驗方案。將實驗方法、步驟給出,意在降低題目難度。第一問讓學(xué)生判斷電壓表示數(shù)的變化情況,屬于動態(tài)電路知識,考查學(xué)生用已學(xué)知識在新情境中分析新問題,屬于容易題,2選1的設(shè)置,意在讓大多數(shù)學(xué)生都能拿分。第二問推導(dǎo)彈性導(dǎo)電繩電阻的表達(dá)式,考查學(xué)生分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、得出結(jié)論的能力,在讀懂實驗過程的基礎(chǔ)上,學(xué)生只需熟悉歐姆定律和并聯(lián)電路特點即可作答,難度不大。第三問考查學(xué)生對科學(xué)探究過程與結(jié)果進(jìn)行交流和反思的能力,不少學(xué)生習(xí)慣將此問與外接法測電阻聯(lián)系起來,導(dǎo)致出錯,要正確做對此問,需要理解實驗步驟中電壓表兩次示數(shù)均為U的巧妙設(shè)計,由于也是2選1,完全不懂的學(xué)生靠運氣反而會做對,作為此題難度最大的一問,沒有發(fā)揮應(yīng)有的價值,此問區(qū)分度應(yīng)該較低。最后一問考查學(xué)生對實驗結(jié)果或結(jié)論應(yīng)用的能力,學(xué)生只需會讀圖,即可作答,難度較小,然而可能有部分學(xué)生錯誤以為最難的問題放在最后一問,因放棄作答而丟分。

利用電學(xué)實驗題考查學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng),可從基于事實提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗方案、設(shè)計電路、器材選擇、操作步驟、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析、結(jié)論表達(dá)、誤差分析、實驗過程評估、實驗創(chuàng)新優(yōu)化、結(jié)論應(yīng)用等方面進(jìn)行。當(dāng)然,一道規(guī)范化的考試題不可能考查以上各個方面,只能根據(jù)情境選擇幾個方面,正如上面的例題。高考試題要面向所有考生,問題的設(shè)置視角要多維、難度跨度要大,考查綜合能力的問題不宜以選擇出現(xiàn),應(yīng)讓學(xué)生進(jìn)行相對完整的表達(dá),呈現(xiàn)思維過程,只有這樣,試題的區(qū)分度、信度、效度才會高,才能真正實現(xiàn)“服務(wù)選才,導(dǎo)向教學(xué)”的目的。基于此,筆者嘗試對上述例題進(jìn)行變式,在幫助讀者更好地理解此類電學(xué)實驗的同時,也能更好地實現(xiàn)試題的評價和導(dǎo)向功能。

三、變式研究,探索命題規(guī)律

將以上例題改編如下：彈性導(dǎo)電繩逐步成為智能控制系統(tǒng)中部分傳感器的敏感元件,某學(xué)校興趣活動小組測量彈性導(dǎo)電繩的電阻與拉伸后繩長之間的關(guān)系,實驗過程如下：

(1)裝置安裝和電路連接

如圖2(a)所示,彈性導(dǎo)電繩的一端固定,另一端作為拉伸端,兩端分別用帶有金屬夾A、B的導(dǎo)線接入如圖2(b)所示的電路中。

圖(a)

(2)彈性導(dǎo)電繩拉伸后的長度L及其電阻Rx的測量

①將彈性導(dǎo)電繩拉伸后,用________測量并記錄A、B間的距離,即為導(dǎo)電繩拉伸后的長度L。

②將滑動變阻器R的滑片滑到最右端。斷開開關(guān)S2,閉合開關(guān)S1,調(diào)節(jié)R,使電壓表和電流表的指針偏轉(zhuǎn)到合適位置。記錄兩表的示數(shù)U和I1。

③閉合S2,電流表的示數(shù)________(填“變大”或“變小”)。將滑動變阻器R的滑片向________滑動,使電壓表的示數(shù)仍為U,記錄電流表的示數(shù)I2,則此時彈性導(dǎo)電繩的電阻Rx=________(用I1、I2和U表示)。

④斷開S1,增大彈性導(dǎo)電繩拉伸量,測量并記錄A、B間的距離,重復(fù)步驟②和③。

(3)有同學(xué)提出在步驟④中通過平移金屬夾B來改變彈性導(dǎo)電繩接入電路的長度一樣能完成實驗,你認(rèn)為該同學(xué)的想法________(填“合理”或“不合理”)。

(4)在步驟③中要控制電壓的示數(shù)與步驟②中電壓表的示數(shù)均為U,原因是________________________。

(5)圖2(c)是根據(jù)部分實驗數(shù)據(jù)描繪的R-L圖線。將該彈性導(dǎo)電繩拉直并將兩端固定在某種機(jī)械臂上,當(dāng)機(jī)械臂彎曲后,測得導(dǎo)電繩的電阻Rx增加了140 Ω,則由圖線可知機(jī)械臂彎曲前后彈性導(dǎo)電繩長度的變化量為________cm(保留1位有效數(shù)字)。

試題經(jīng)過改編后,呈現(xiàn)以下特點：設(shè)問視角更多維,從原來的4個問增加到7個問,增加了對實驗器材、實驗原理、實驗操作的考查,對學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)要求更立體;7個問題難度跨度更大,能讓學(xué)習(xí)困難生找到價值,讓中層生找到位置,讓學(xué)優(yōu)生找到挑戰(zhàn),能讓學(xué)生感受到“實驗題得分并不難,得滿分也不容易”,對實驗教學(xué)有較好的導(dǎo)向作用;更注重表達(dá)能力的考查,在對實驗難點相對完整的思維表達(dá)中考查學(xué)生的綜合分析能力,提高了試題的區(qū)分度;最后一問從直接讀取圖像信息,變?yōu)閺膱D像中獲取信息并對信息進(jìn)行處理的考查,對學(xué)生思維的要求有提升,更符合最后一問的特點。

四、備考建議,有效突破瓶頸

廣東新高考物理將以往選考內(nèi)容全部變?yōu)楸乜純?nèi)容,考試范圍擴(kuò)大,老師們在備考過程中總覺得時間不夠,備考節(jié)奏難以把握。雖然試題的難度相對以往全國Ⅰ卷有所下降,但老師們還沒有及時轉(zhuǎn)變觀念。如何把握備考節(jié)奏,提高備考的針對性和有效性?那就是找到學(xué)科的規(guī)律、命題的規(guī)律和學(xué)習(xí)的規(guī)律,針對以上案例及分析,結(jié)合教學(xué)備考實際,對有效突破電學(xué)實驗瓶頸提出建議如下。