AP物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題初探及實(shí)例分析

譚曉琴

摘 要：本文介紹了美國(guó)的大學(xué)先修課程（AP課程）的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，并結(jié)合考試實(shí)例討論了其特點(diǎn)。然后，論述了這種物理實(shí)驗(yàn)考查方式的可借鑒之處，以期對(duì)國(guó)內(nèi)高中物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和考查形式提供一些思路。

關(guān)鍵詞：AP課程；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題；實(shí)例分析

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）2-0011-3

大學(xué)先修課程（Advanced Placement Program，簡(jiǎn)稱AP）是由美國(guó)大學(xué)理事會(huì)（College Board）組織的在高中開設(shè)的大學(xué)先修課程，目的是讓學(xué)生能在高中期間有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)大學(xué)程度的學(xué)術(shù)課程。目前，AP課程與A Level課程、IB課程是中國(guó)最熱門的三大國(guó)際課程。

AP物理課程設(shè)置上分為：AP物理1， AP物理2，AP物理C-力學(xué)和AP物理C-電磁學(xué)。其中，AP物理1和AP物理2是“基于代數(shù)”的基礎(chǔ)物理課程，需要使用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算和三角函數(shù)的知識(shí)。AP物理C是“基于微積分”的大學(xué)物理課程，需要使用一些基礎(chǔ)的微積分。AP物理1和AP物理2的內(nèi)容和難度類似于我國(guó)高中物理，在AP物理1和AP物理2的考試中均有一道單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題。本文將結(jié)合考試實(shí)例來介紹AP物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，以及如何通過實(shí)驗(yàn)考查讓學(xué)生理解和運(yùn)用物理知識(shí)，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

1 實(shí)驗(yàn)考查的重要性

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是物理定律的基礎(chǔ)，也是檢驗(yàn)物理理論的一種手段和方法。物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要組成部分，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ俏锢斫虒W(xué)中一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。我國(guó)普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的物理核心素養(yǎng)第三點(diǎn)即為實(shí)驗(yàn)探究。其詳細(xì)表述是具有科學(xué)探究意識(shí)，能發(fā)現(xiàn)問題、提出合理猜測(cè)；具有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案和獲取證據(jù)的能力，能正確實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究方案，使用各種科技手段和方法收集信息；具有分析論證的能力，會(huì)使用各種方法和手段分析、處理信息，描述、解釋實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果和變化趨勢(shì)；具有合作與交流的意愿與能力，能準(zhǔn)確表述、評(píng)估和反思實(shí)驗(yàn)探究過程與結(jié)果[1]。好的物理實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)方式不僅可以考查學(xué)生對(duì)物理原理的理解和實(shí)驗(yàn)探究能力，還可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)能力的培養(yǎng)。

2 AP物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題實(shí)例分析

（2016年AP物理1考試）一種新的玩具球的廣告號(hào)稱球在撞擊到硬表面時(shí)能夠“完全彈性反彈”。但是一個(gè)學(xué)生對(duì)此表示懷疑，因?yàn)闆]有碰撞是真正的完全彈性碰撞。這個(gè)學(xué)生假設(shè)在低速情況下的碰撞非常接近完全彈性碰撞，但當(dāng)碰撞速度增大時(shí)碰撞將越來越偏離完全彈性碰撞。

（a）設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證學(xué)生關(guān)于玩具球與硬表面碰撞的假設(shè)。這位學(xué)生將使用通常在學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)室能夠找到的實(shí)驗(yàn)器材。

i.需要測(cè)量哪些物理量？

ii.需要使用哪些實(shí)驗(yàn)器材來測(cè)量物理量，怎么使用這些實(shí)驗(yàn)器材來測(cè)量 ？

iii.描述學(xué)生驗(yàn)證其假設(shè)的步驟。給出足夠多的細(xì)節(jié)，讓另外一個(gè)學(xué)生能夠重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

（b）描述你將怎么通過圖像或者表格形式將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，解釋如何用圖像或表格來確定數(shù)據(jù)是否跟學(xué)生的假設(shè)一致。

（c）一個(gè)學(xué)生完成了（a）和（b）描述的實(shí)驗(yàn)和分析。這個(gè)學(xué)生立即得出這個(gè)實(shí)驗(yàn)有錯(cuò)的結(jié)論，因?yàn)閳D像或表格顯示低速情況下的碰撞是彈性的，但是高速情況下的碰撞違反了這個(gè)基本的物理定律。

i.給出一個(gè)圖像或者表格的例子，這個(gè)例子顯示了低速情況下的碰撞是彈性的，但高速情況下的碰撞違反了這個(gè)基本的物理定律。

ii.說出（c）i.中的圖像或表格違背的一個(gè)物理定律。違反的物理定律可能不止一個(gè)，你只需要說出其中的一個(gè)。簡(jiǎn)要解釋并說明這個(gè)圖像或者表格的哪方面違背了該物理定律。

這道實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題從生活中的一個(gè)廣告著手，將生活中玩具球和硬表面碰撞這一實(shí)際問題簡(jiǎn)化為物理中的碰撞問題來進(jìn)行研究。日常生活中學(xué)生都有球反彈的高度達(dá)不到初始時(shí)下落高度的體會(huì)，而通過物理的學(xué)習(xí)也知道導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是因?yàn)榕鲎策^程中有能量損耗。這個(gè)實(shí)驗(yàn)將學(xué)生的日常生活實(shí)踐和物理知識(shí)很好地結(jié)合起來，讓學(xué)生運(yùn)用物理原理、通過物理實(shí)驗(yàn)來解決生活實(shí)際問題。學(xué)生可以結(jié)合能量守恒定律，從比較球初始時(shí)的下落高度和反彈高度來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和討論。

從實(shí)驗(yàn)的類型上來看，這是一個(gè)非常典型的探究性實(shí)驗(yàn)。整個(gè)題目體現(xiàn)的是一個(gè)完整的科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)的過程：（1）提出問題；（2）作出假設(shè)；（3）制定探究方案，包括需要用到什么器材，需要測(cè)量哪些物理量，實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟和方法等；（4）收集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（5）分析和評(píng)估。解題的過程其實(shí)就是一個(gè)完整的科學(xué)探究過程，通過這個(gè)過程可以培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，學(xué)會(huì)用科學(xué)探究的方法來研究問題。

3 AP物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的特點(diǎn)與啟示

（1）來源于教材和教學(xué)。通過研究近三年的AP物理1和AP物理2的考試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，可以發(fā)現(xiàn)所有的題目都是與教材和教學(xué)內(nèi)容緊密相連的。2015年AP物理1的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題為學(xué)生想知道在一個(gè)與單個(gè)電阻串聯(lián)的小燈泡中被耗盡的是電流還是能量，還是兩者兼有，以此設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行相應(yīng)的解釋和回答。2015年AP物理2的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題為學(xué)生觀看了一個(gè)有關(guān)北極的科學(xué)節(jié)目，節(jié)目中的解說員說北極附近的冷空氣下沉導(dǎo)致了高氣壓。根據(jù)解說員的解說，一個(gè)學(xué)生說“因?yàn)楸睒O附近的冷空氣處于高壓狀態(tài)，所以溫度和壓強(qiáng)成反比關(guān)系”。根據(jù)學(xué)生的觀點(diǎn)來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并對(duì)題目中已經(jīng)給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。2016年AP物理1的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題為上述玩具球與硬表面碰撞的問題。2016年AP物理2的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題為測(cè)量玻璃塊的光的折射率。2017年AP物理1的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題為測(cè)量一個(gè)平直的木板和一個(gè)小木塊之間的靜摩擦系數(shù)。2017年AP物理2的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題為給一組學(xué)生同樣材料做成的不同長(zhǎng)度、直徑的圓柱形導(dǎo)體棒，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，使用作圖的方法來測(cè)量材料的電阻率。給定的實(shí)驗(yàn)器材為一個(gè)電壓表，一個(gè)電流表，一些導(dǎo)線，一個(gè)可變直流電源和一根米尺。從上面這些歷年考題中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的表達(dá)形式和切入點(diǎn)雖然有所不同，但究其本質(zhì)，考查的內(nèi)容都來源于教材和教學(xué)，有的甚至是“照搬”學(xué)生實(shí)驗(yàn)。這樣的題目設(shè)計(jì)看似難度并不高，但學(xué)生必須在充分理解相應(yīng)的物理原理、熟悉相應(yīng)的處理方法的基礎(chǔ)之上才能完成。

值得一提的是，AP物理實(shí)驗(yàn)考試中對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的要求并不高，反而希望學(xué)生使用一些較為簡(jiǎn)便、容易操作的器材。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題中通常都會(huì)提到實(shí)驗(yàn)器材取自于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中常用的器材。如上述小球與硬表面碰撞的題目，學(xué)生需要用到的一個(gè)主要器材就是實(shí)驗(yàn)室和生活中非常常見的米尺。筆者認(rèn)為，這樣設(shè)計(jì)的初衷是讓學(xué)生體會(huì)到“簡(jiǎn)單中出大原理”，即便是用生活中最常見和簡(jiǎn)單的物品，也可以研究物理中看似復(fù)雜的大問題。

（2）貼近生活，理論聯(lián)系實(shí)際。物理知識(shí)在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生學(xué)會(huì)在日常生活中進(jìn)行觀察、提出問題去進(jìn)行驗(yàn)證和分析，讓學(xué)生把學(xué)到的物理知識(shí)運(yùn)用到生活中去。如2016年的玩具球與硬表面是否發(fā)生完全彈性碰撞、2015年的科學(xué)節(jié)目中提到的北極附近的高壓冷空氣等，這些題目皆來源于生活，研究這類問題有助于提高學(xué)生的觀察能力和借助物理知識(shí)來解決生活實(shí)際問題的能力。

（3）具有開放性和發(fā)散性。AP物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的模式為給出一個(gè)基本的問題或假設(shè)，具體的實(shí)驗(yàn)方案、分析和總結(jié)需要學(xué)生自己來完成。這樣很好地體現(xiàn)了題目的封閉性和開放性結(jié)合的特點(diǎn)[2]，既讓學(xué)生在規(guī)定的框架內(nèi)答題，又給予了學(xué)生自由發(fā)揮的空間。學(xué)生可以根據(jù)自己對(duì)物理知識(shí)的理解，從不同的角度、用不同的方法來進(jìn)行思考和呈現(xiàn)。只要學(xué)生的方法是可行的，且言之有理，表達(dá)清楚即為正確，并沒有傳統(tǒng)意義上的標(biāo)準(zhǔn)答案。以第2部分所述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題為例，學(xué)生在回答問題時(shí)可以從小球與硬表面碰撞前的下落高度和碰撞之后反彈的高度作比較，通過能量守恒來答題，也可以通過使用光電門來測(cè)量碰撞之前和碰撞之后瞬間的速度。

（4）滲透對(duì)探究能力的培養(yǎng)。AP物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題基本上都是探究性實(shí)驗(yàn)題，解決此類問題能夠?qū)W(xué)生探究問題的能力進(jìn)行潛移默化的培養(yǎng)。學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，提高科學(xué)探究的能力，對(duì)學(xué)生其他學(xué)科的學(xué)習(xí)和日常生活都很有益處。收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)進(jìn)而得出結(jié)論，這樣的過程有助于提升學(xué)生的邏輯推理能力。 玩具球與硬表面的碰撞這一例子就是對(duì)科學(xué)探究的能力和方法進(jìn)行滲透的很好的例子。

4 結(jié) 論

AP物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題這種考查形式有許多值得我們借鑒和學(xué)習(xí)的地方。略感缺憾的是它是紙上的筆答題，對(duì)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作能力的考查還是有所欠缺。筆答實(shí)驗(yàn)只是在腦海中的設(shè)想和規(guī)劃，無法解決實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作中可能會(huì)碰到的問題和困難。但實(shí)驗(yàn)操作類考題對(duì)考前布置等各個(gè)環(huán)節(jié)要求較高，在無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作類考題的情況下，AP物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題也是一種不錯(cuò)的考查形式。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[S].北京：人民教育出版社，2016.

[2]沈俊妮，周延懷.美國(guó)高中物理教材的學(xué)生實(shí)驗(yàn)分析與借鑒[J].教育學(xué)報(bào)，2004（12）：46-48.

（欄目編輯 趙保鋼）