基于真實問題情境 培養科學探究素養

摘" "要：分析2024年全國甲卷、廣東卷和河北卷中電學實驗在情境與問題、操作與證據、原理與解釋、交流與討論四方面的考查情況。提出培養學生基于情境提出問題能力、強化制訂方案收集證據能力、提高基于證據解釋論證能力、發展表達交流優化方案能力等方面的教學建議。

關鍵詞：2024年高考；電學實驗；科學探究；教學建議

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2025）1-0050-4

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）提出了科學探究素養?？茖W探究素養指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評價和反思的能力［1］。

《基于高考評價體系的物理科考試內容改革實施路徑》指出，實驗探究能力屬于實踐操作能力群［2］?！吨袊呖荚u價體系》明確“實踐操作”包括認知操作和行動操作兩個方面。要求學生面對新情境合理地組織、調動相關知識和能力，實施實驗探究活動，綜合運用各種技術方法創造性地解決現實情境問題［3］。

實驗題是考查學生問題、證據、解釋和交流等科學探究要素發展程度的關鍵載體。實驗題能評價學生面對真實情境，合理組織和調用相關知識與能力進行研究和操作來解決實際問題的能力。電學實驗綜合性較強，可承擔區分學生科學探究和科學思維水平的作用。

2024年高考卷中的電學實驗很好地體現出基于真實問題情境培養學生解決實際問題的能力，引導教學發展學生科學探究素養的作用。

1" " 高考電學實驗題分析

2024年全國甲卷、廣東卷和河北卷電學實驗題充分體現了基于真實情境命題，考查學生科學探究素養的要求；引導中學教學著力培養學生的問題、證據、解釋、交流能力（表1）。

1.1" " 引入真實情境，培養問題意識

基于情境觀察提出問題，形成猜想與假設是問題意識的主要內容。提出一個有價值的問題，比解決問題更有意義。創新源于基于實際需要提出問題，然后解決問題。在高考中，不太可能讓學生自行提出一個問題，然后設計實驗進行探究并解決問題。問題往往在試題中已經明確，但是“為什么研究這個問題”“這個問題與生產生活實踐需求有何聯系”等問題能激發學生思考。通過真實情境引導學生觀察生產生活實際需求，培養學生發現需求提出問題的能力。同時，豐富的情境素材蘊含著解決問題的提示，恰當的情境呈現方式可以引起學生形成猜想和作出假設。此外，真實情境能夠將所學知識與生產實踐聯系起來，激發學生探究未知世界的強烈動機。所以，引入真實、新穎的生產生活實踐情境，對于培養學生提出問題的能力和根據情境進行猜想、假設的能力有重要作用。

全國甲卷第10題創設電阻型氧氣傳感器定標情境，測量不同氧氣含量下傳感器兩端的電壓，建立電壓與氧氣含量之間的數量關系。廣東卷第12題創設太陽能電池板自動跟蹤調整情境，太陽能電池板根據太陽光照射方向變化，實現自動跟蹤并調整其方向。河北卷第13題創設光強報警器情境，測試光敏電阻值與光強的關系，設計光強報警器工作原理圖。以上情境均是基于生產實踐需要解決的問題，能激發學生的探究熱情。學生閱讀情境后可能提出很多有價值的問題。何為定標？怎樣進行定標？太陽能電池板怎樣自動檢測并調節方向？如何設計光強報警電路？通過什么形式發出報警信號？豐富而真實的情境、關鍵部件的實物圖、原理圖、圖像等關鍵信息都能幫助學生提出問題，大膽假設，形成合理猜想。

1.2" " 重視實驗操作，發展證據意識

設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息，是實驗操作的主要內容，也是實驗的基本能力，是獲取證據的重要前提。在高考中，設計實驗方案往往不由考生單獨完成，而是遵循命題者思路完善實驗方案的關鍵步驟，要求學生根據實驗目的、條件和要求選取實驗器材，設計實驗電路并連線，補充實驗關鍵步驟，設計實驗數據表格并收集數據等。

全國甲卷電學實驗給傳感器定標，分成三個關鍵步驟。步驟一，設計測量電路并實物連線，測量傳感器電壓；步驟二，實驗操作并讀數，測量不同氧氣含量下傳感器的電壓；步驟三，畫出氧氣含量與電壓關系圖像，尋找氧氣含量與電壓的數量關系。

廣東卷電學實驗題根據太陽光照射方向自動調整太陽能板方向，分成三個關鍵步驟。步驟一，根據原理圖進行實物圖連線；步驟二，光敏電阻阻值與光照強度關系測試；步驟三，光源跟蹤測試。

河北卷電學實驗題是制作簡易光強報警器，分成四個關鍵步驟。步驟一，運用多用電表歐姆擋判斷二極管的正負極；步驟二，設計控制電路并實物圖連線；步驟三，尋找光敏電阻光強與阻值的關系；步驟四，調試自動報警電路使其正常工作。

1.3" " 考查實驗原理，培育解釋能力

基于實驗現象和數據建構模型進行推理論證獲得結論，解決基于情境提出的問題，是解釋的主要內容。解釋有兩方面的運用。一是運用物理原理解釋實驗現象和獲得實驗結論。即根據物理原理和現象數據進行科學推理和論證，獲得實驗結論并準確表述結論。二是根據實驗現象和數據進行推理論證獲得重要的物理原理。即根據現象數據，建構模型，進行科學推理和論證，獲得物理原理，并準確表述物理原理。無論哪一方面，實驗原理都是實驗題的核心和考查的重點。兩個方面都可以培育學生基于證據進行解釋的能力。

全國甲卷電學實驗題是對氧氣傳感器定標。通過分壓電路控制傳感器電流不變，收集不同氧氣含量下的傳感器電壓，根據氧氣含量—電壓圖像描出兩者之間關系曲線，并應用該圖像推斷待測氧氣含量。廣東卷電學實驗題是根據太陽光照射方向調整太陽能板方向。首先，通過兩個光敏電阻RG1、RG2串聯，依據串聯電路電流相等，分得電壓越高電阻越大，可知RG1gt;RG2，結合RG1表面的光照強度比RG2小，所以光照強度越小電阻越大?？刂茊卧ㄟ^比較兩光敏電阻RG1 和RG2的電壓，感知半透明隔板兩側光照強度強弱，發現左右電壓表U1與U2不相等時，控制電動機轉動，直至U1=U2，即左右兩側光照強度相等，光線垂直照射太陽能電池板，實現方向自動跟蹤。河北卷電學實驗題是設計光強報警裝置。比較光敏電阻伏安特性曲線，發現RIIIlt;RIIlt;RI，結合光照強度推斷光敏電阻阻值隨光強的增大而減小。根據報警電路光敏電阻與滑動變阻器串聯，二極管與三極管串聯，題目提供了“當三極管be間電壓達到一定程度后才能導通”的信息，為使與三極管串聯的二極管發光，可以增大與be并聯的滑動變阻器阻值，提高be間電壓，使三極管導通、二極管發光。

1.4" " 優化實驗方案，體現交流素養

對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思，是交流素養的主要內容，是科學探究素養的重要組成部分。當實驗過程結束以后，回顧實驗方案的設計與操作過程，評估實驗結果的準確性和可靠性，反思有沒有產生誤差的地方，提出進一步優化實驗探究過程的措施，將評估與反思內容與同伴交流分享。在高考中，可能以誤差分析、提出減少誤差的方法或者分析換用其他方法（器材）進行實驗可行性等形式出現，意在拓寬學生的思維，讓學生提出改良優化方案。

2024年全國甲卷、廣東卷和河北卷三道電學實驗題雖沒有考查學生的交流、評估和反思素養，但這三個情境可以設計很好的考查交流素養的問題。如全國甲卷可增加以下問題：若電壓表為非理想表，對實驗結果有沒有影響，請分析并加以說明。廣東卷可增加以下問題：半透明板的作用是什么？不安裝半透明板能否完成實驗？對實驗結果有什么影響？河北卷可增加以下問題：除調節增大R1外，還有什么辦法可使光強達到報警值時二極管發光？

2" " 教學建議

課程標準提出，高中物理課程中應注重科學探究，尤其應注重物理實驗，這在培養學生的探究能力方面具有重要的作用［1］。

2.1" " 培養學生基于情境提出問題的能力

課程標準要求發掘實驗在培養學生發現和提出問題能力方面的潛在價值?？梢詮挠^察現象和體驗過程兩方面培養學生提出問題的能力。

通過觀察現象培養學生發現和提出問題的能力。一是引導學生觀察生產生活實踐情境，思考情境中人們的實際需求，激發學生為解決實際需求而提出問題。事實上，人類的發明創造都是人們在生產生活實踐中發現需求，然后提出問題進行研究而實現的。二是讓學生觀察演示實驗情境，在觀察中產生認知沖突，為解決認知沖突而提出問題。當輸入的信息與大腦原有認知產生矛盾時，學生就有弄個水落石出的強烈訴求。演示實驗不僅僅激發興趣，在啟發學生思考和提出問題上，有同樣重要的作用。

通過體驗過程培養學生發現和提出問題的能力。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。學生只有親身體驗才能深刻認識理想與現實的差距，才能準確體會操作的精準與現象的微妙變化，才能設身處地地反思實驗原理、過程、結果和產生的誤差等。創設任務情境，讓學生在體驗中完成任務，往往學生能提出很多教師意想不到的問題，教師應該抓住機會及時引導，與學生共同打磨這些問題，形成有價值、可探究的問題。創設任務情境，讓學生在完成任務過程中受啟發，運用科學思維提煉有價值的問題是提高問題意識的重要方法。

2.2" " 強化學生制訂方案收集證據的能力

制訂實驗方案。當前仍然存在按照教師或者教材既定實驗步驟進行“按方抓藥”式實驗課，學生僅僅熟悉實驗步驟和熟練操作器材，對“為什么要這樣做”“還可以怎么做”等問題沒有深入思考，不利于培養學生依據實驗目的制訂實驗方案的能力。第一，讓學生體會一個探究任務往往可以分解成幾個小問題加以解決，每個小問題涉及實驗的不同方面，有不同的解決方法。如使用什么裝置完成實驗，實驗原理是什么，借助哪些器材收集數據，實驗方案是否產生誤差，有沒有辦法消除誤差等。引導學生逐一思考以上問題，根據客觀條件給出答案。第二，考慮實驗原理、實驗器材和實驗數據收集等實驗環節的協調匹配，使幾個小問題有機組合起來，從而整體構思探究計劃。第三，要借助身邊的學習資源優化完善實驗方案。如可以尋求教師的幫助將探究任務進行分解，通過閱讀器材說明書了解其使用方法，與同伴分享方案，在討論中完善方案等。第四，在日常教學中舍得花時間給學生制訂方案。教師可以準備多種方案對應的器材，讓學生在豐富的器材前提下自由選擇合理搭配，讓學生在體驗中優化方案，總結制訂方案的得與失。第五，實驗結束后讓學生反思實驗方案的便捷性、有效性，為下次制訂方案提供經驗借鑒。

實驗操作收集證據。根據實驗方案實施探究活動，熟悉常見物理儀器的使用方法，熟練、準確地操作實驗儀器，明確儀器的讀數原理和規則，注意讀數的準確性。學習使用常見的工具收集數據，從便于觀察實驗數據之間關系的角度設計數據記錄方式，如設計表格收集數據，為處理數據做好準備。

2.3" " 提高學生基于證據解釋論證的能力

建構分析數據的基本模型。以實驗原理為模型建立數據之間的定量關系。大膽猜想數據之間的關系，嘗試用圖像等直觀方式探索物理量之間的關系。通過數學變換盡量整理出物理量之間的線性圖像，便于觀察和運用圖像獲得結論。

提高學生的解釋能力可分成推理和論證兩個方面。驗證性實驗重點發展學生的科學論證素養。培養學生根據實驗目的解釋實驗現象和實驗數據，尋找現象數據與實驗結論之間的邏輯聯系進行論證，證明實驗結論的正確性。探究性實驗重點發展學生的科學推理素養。嘗試用列表格、作圖像、函數擬合等多種方式整理數據，發現數據之間蘊含的物理規律，根據事實和現象運用邏輯推理確立物理量之間的關系，獲得實驗結論。

提高解釋論證能力除了關注與實驗假設相符的實驗現象和事實外，還要觀察收集與實驗假設相矛盾的現象和數據，嘗試解釋現象、數據與實驗結論相矛盾的原因。

2.4" " 發展學生表達交流優化方案的能力

提供學生表達的機會。實驗結論的表達教師不應越俎代庖，完成實驗操作得到論證后，教師應給學生提供表達的時間和機會。讓學生把實驗結論用自己的語言準確、簡練地表達出來，可以運用文字、表格、圖像、公式、插圖等豐富的表達形式。當然，學生的表達應當準確、精煉、富有邏輯和學科特色。

提供學生交流的平臺。獲得實驗結論后，教師應組織學生進行必要的討論，內容包括實驗方案的設計、實驗裝置與器材的選用、實驗現象和數據的收集、實驗結論的獲得、實驗誤差及原因等。學生與同伴交流的過程，就是對比優化實驗方案、修正推理論證、想方設法減少實驗誤差的過程。學生親身經歷實驗探究過程后思維是活躍的，只要有充分的時間和平臺，學生可能提出很多優化實驗方案的措施與做法，為下一次設計實驗方案奠定基礎。

綜上所述，實驗是理論與操作相結合的教學活動，一定要讓學生經歷實驗探究的關鍵步驟和必要過程，如提出問題、制訂方案、探究過程、收集數據、推理論證、表述結論、誤差分析等過程，著力從問題、證據、解釋、交流四個方面培養科學探究素養。

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.

［2］程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內容改革實施路徑［J］.中國考試，2019（12）：38-44.

［3］教育部考試中心.中國高考評價體系［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］學科網.2024年高考全國甲卷理綜物理真題［DB/OL］.（2024-06-14）.https：//www.zxxk.com/soft/45773271.html.

［5］學科網.2024年新高考廣東卷物理高考真題［DB/OL］.（2024-06-20）.https：//www.zxxk.com/soft/45876057.html.

［6］學科網.2024年新高考河北卷物理高考真題［DB/OL］.（2024-06-18）.https：//www.zxxk.com/soft/45826619.html.

（欄目編輯" " "陳" " 潔）