基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)探究題的命題程序

蔡呈騰

摘 要：厘清基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)探究題的命題程序，從命題的視角看實(shí)驗(yàn)探究題的考查功能，有助于真實(shí)考查學(xué)生的高階思維能力和科學(xué)探究能力.通過(guò)個(gè)案研究，建立了“素材的選擇”“材料的修飾”“變量的辨析”“問(wèn)題的挖掘”和“材料的加工”五個(gè)命題流程，其中“變量的辨析”是命題過(guò)程中的核心程序.同時(shí)命制出一道基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)探究題，并對(duì)每個(gè)命題流程體現(xiàn)出的命題意圖、考查目標(biāo)和注意事項(xiàng)進(jìn)行分析，特別是對(duì)命題細(xì)節(jié)的多種可能作了最優(yōu)化選擇.

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)探究題；命題；程序；素材

從命題角度考慮，給定的一個(gè)項(xiàng)目（如一個(gè)實(shí)驗(yàn)）是一個(gè)有機(jī)的綜合體，這個(gè)綜合體中問(wèn)題的提出和解決，需要綜合的認(rèn)知過(guò)程.根據(jù)布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)，對(duì)項(xiàng)目整體的認(rèn)知過(guò)程有分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造.但具體到對(duì)某一個(gè)項(xiàng)目或問(wèn)題的解決時(shí)，其中一種認(rèn)知過(guò)程往往突出體現(xiàn)出來(lái).

實(shí)驗(yàn)探究題是綜合性試題，它想要考查的往往不在于學(xué)生原有知識(shí)的掌握情況，而是對(duì)科學(xué)探究技能的檢測(cè).對(duì)能力的檢測(cè)就需要在一個(gè)具體的項(xiàng)目中進(jìn)行，一道實(shí)驗(yàn)探究題就是一個(gè)項(xiàng)目的展示，一系列信息的發(fā)布，一種價(jià)值觀的表達(dá).

本文闡述命制一道以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為素材的實(shí)驗(yàn)探究題的流程，以及在命制過(guò)程中的一些思考.

一、對(duì)素材的選擇

由于要求命制以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為材料的實(shí)驗(yàn)探究題，所以選擇的素材應(yīng)該是一組實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文選擇了一組關(guān)于金屬受熱膨脹的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自某學(xué)術(shù)雜志.

在實(shí)驗(yàn)室（室溫20℃）里分別利用銅絲和鐵絲進(jìn)行受熱膨脹實(shí)驗(yàn)，獲取了如表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

這則材料是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄結(jié)果，研究的就是金屬的線膨脹系數(shù).線膨脹系數(shù)不屬于初中物理學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，但對(duì)其規(guī)律的探究，正可以考查識(shí)別與控制變量、制作圖表、實(shí)驗(yàn)實(shí)施和結(jié)果分析、下操作性定義、建立概念模型和數(shù)學(xué)模型等科學(xué)探究能力.

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的選擇需要遵循一個(gè)原則，即選擇研究的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是學(xué)生沒(méi)有學(xué)過(guò)的，或者學(xué)生在下一階段也不會(huì)學(xué)到的.如某實(shí)驗(yàn)探究題選擇研究“動(dòng)能的大小與什么因素有關(guān)”，其中的第（3）小題如下：

為了解物體的動(dòng)能大小與質(zhì)量和速度的定量關(guān)系，小明查閱相關(guān)資料，收集到利用不同物體研究動(dòng)能大小的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2.

若某物體的質(zhì)量為20千克，速度為20米/秒.請(qǐng)根據(jù)上述的規(guī)律分析，該物體的動(dòng)能大小為▲焦耳.

該小題命題的立意非常清晰，考查學(xué)生根據(jù)已知表格的數(shù)據(jù)建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的能力，從而利用建構(gòu)的數(shù)學(xué)模型解決實(shí)際問(wèn)題.但本材料存在兩個(gè)致命的缺點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)的真實(shí)性問(wèn)題，按照初中物理教材中“研究影響動(dòng)能大小因素”實(shí)驗(yàn)，無(wú)法測(cè)得動(dòng)能大小值，表格中的數(shù)據(jù)只能是命題者偽造的；二是一些教師在教動(dòng)能的過(guò)程中，就把動(dòng)能的公式E=[12]mv2直接告訴了學(xué)生，而一些學(xué)生也機(jī)械式地記住了該公式，解此題時(shí)利用公式很快得到了正確的答案.這樣，試題的信度嚴(yán)重受損，試題的“公平性”也嚴(yán)重缺失.最重要的是，這給教學(xué)帶來(lái)一個(gè)極為不良的導(dǎo)向，即教師在教學(xué)過(guò)程中，總想把應(yīng)該屬于高一階段學(xué)習(xí)的內(nèi)容提前教了，或要求學(xué)生機(jī)械記憶，或進(jìn)行生搬硬塞，生怕學(xué)生在這方面吃虧，給學(xué)生帶來(lái)嚴(yán)重的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，違背了教育教學(xué)規(guī)律.

二、對(duì)材料的修飾

為了使考查的方向直指向布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)認(rèn)知過(guò)程中的分析水平，需要對(duì)素材進(jìn)行適當(dāng)?shù)某橄蠡幚?，以便讓學(xué)生在對(duì)素材的認(rèn)知方面不受無(wú)關(guān)因素的干擾.為此，對(duì)資料進(jìn)行修飾，修飾內(nèi)容主要包括情境真實(shí)性的細(xì)化，概念抽象化，數(shù)據(jù)系統(tǒng)化.如給數(shù)據(jù)的來(lái)源加上出處，對(duì)表格中的數(shù)據(jù)標(biāo)上字母，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?但也要遵循一個(gè)原則，即不可隨意更改原始數(shù)據(jù)，這是科學(xué)研究的基本原則.

基于對(duì)上述的認(rèn)識(shí)，可將表1的材料進(jìn)行如下的修飾.

小溫同學(xué)查閱資料發(fā)現(xiàn)，金屬在受熱膨脹時(shí)伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度是有規(guī)律的，于是在實(shí)驗(yàn)室（室溫20℃）里分別利用銅絲和鐵絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取了如表3的數(shù)據(jù)：

三、對(duì)變量的辨析

認(rèn)知過(guò)程的分析，就是將材料進(jìn)行分解，把它分解為幾個(gè)組成部分，同時(shí)確定每個(gè)部分之間的相互關(guān)系，以及各部分與總體結(jié)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)總目的之間的關(guān)系.首先要對(duì)呈現(xiàn)材料的相關(guān)與無(wú)關(guān)部分或重要與次要部分進(jìn)行區(qū)分；同時(shí)要善于發(fā)現(xiàn)材料各部分之間的連貫性，并進(jìn)行整合、概述、分解、構(gòu)成，從而確定各個(gè)要素在一個(gè)結(jié)構(gòu)中的合適位置或作用；最后還要確定材料背后的觀點(diǎn)、傾向、價(jià)值或意圖.

本材料已經(jīng)給定了幾個(gè)很重要的概念，如不同的金屬材料（銅和鐵），不同的金屬原長(zhǎng)（l0），對(duì)金屬膨脹的主要影響因素溫度（t），因變量伸長(zhǎng)長(zhǎng)度（[Δl]）.在此就要區(qū)分相關(guān)變量與無(wú)關(guān)變量之間的關(guān)系，如材料種類、升高的溫度（[Δt]）和伸長(zhǎng)長(zhǎng)度（[Δl]）是直接變量，而初溫（t0）、末溫（t）不是影響金屬膨脹的直接變量.所以，在命題的這個(gè)環(huán)節(jié)，要嚴(yán)格辨析升高溫度（[Δt]）與初溫（t0）、末溫（t）的區(qū)別，區(qū)分伸長(zhǎng)長(zhǎng)度（[Δl]）與材料原長(zhǎng)（l0）、伸長(zhǎng)后長(zhǎng)度（lt）等的不同.

分析材料可知，相同材料的金屬伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與升高溫度成正比.這樣就把材料中各個(gè)部分（變量）進(jìn)行了整合與聯(lián)系，樹(shù)立一個(gè)“自然界各物理量之間是有相互聯(lián)系”的觀念.

四、對(duì)問(wèn)題的挖掘

問(wèn)題是基于素材本身的.比較6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中有單變量的比較，如1與4、2與5、3與6三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只有單一的自變量，它是金屬材料；數(shù)據(jù)中也有雙變量的比較，如1、2、3（或4、5、6）三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，自變量有金屬原長(zhǎng)（l0）和升高溫度（[Δt]）；當(dāng)然還可以是三個(gè)自變量的數(shù)據(jù)比較，但對(duì)初中學(xué)生來(lái)說(shuō)，三個(gè)自變量的考查一般是不會(huì)涉及的.

相對(duì)單一變量的考查，雙自變量的考查對(duì)初中學(xué)生已經(jīng)是一大難點(diǎn).在雙變量的考查上，可以比較兩個(gè)自變量對(duì)因變量的影響程度分析（相當(dāng)于分析影響因子的權(quán)重），也可以基于雙變量對(duì)因變量的影響規(guī)律，去推理其中某一個(gè)單變量對(duì)因變量的影響規(guī)律.

通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)序號(hào)1、2、3（或4、5、6），還是不能推導(dǎo)出“同一材料的金屬在受熱膨脹時(shí)伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與升高溫度成正比”的結(jié)論的.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)序號(hào)1、2、3（或4、5、6）三組數(shù)據(jù)中就有兩個(gè)自變量，要想“同一材料的金屬在受熱膨脹時(shí)伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與升高溫度成正比”結(jié)論成立，需要“金屬（銅或鐵）在升高相同溫度時(shí)伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與原長(zhǎng)成正比”，或者“同種材料的各部分金屬隨溫度升高，膨脹是均勻的”.所以設(shè)置第1個(gè)問(wèn)題如下：

（1）通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)序號(hào)1、2、3（或4、5、6），小溫認(rèn)為金屬在受熱膨脹時(shí)伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與升高溫度成正比.老師認(rèn)為小溫的結(jié)論要成立，還必須有一個(gè)前提條件，即▲.

對(duì)數(shù)據(jù)的表達(dá)，除了以表格形式外，圖像也是最常見(jiàn)的方式，而且不同的圖像形式表達(dá)就是對(duì)數(shù)據(jù)之間關(guān)系的不同理解.就如前文所分析的一樣，可以考查對(duì)各個(gè)變量的理解和它們之間的關(guān)系.如金屬在受熱膨脹時(shí)，伸長(zhǎng)長(zhǎng)度是與金屬原長(zhǎng)成正比的，不同金屬材料伸長(zhǎng)量是不同的.為此，設(shè)置了如下問(wèn)題：

（2）根據(jù)表格數(shù)據(jù)，圖1四圖表示伸長(zhǎng)長(zhǎng)度Δl與各量之間的關(guān)系合理的是▲.

從表格數(shù)據(jù)可知，金屬伸長(zhǎng)長(zhǎng)度[Δl]與材料的原長(zhǎng)[l]0成正比，相同長(zhǎng)度的銅與鐵升高相同的溫度，銅比鐵伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度更長(zhǎng)，所以該題選AD.

五、對(duì)材料的加工

當(dāng)原材料不足以挖掘出命題者想要考查的目標(biāo)問(wèn)題時(shí)，適度地對(duì)材料進(jìn)行加工，將有助于挖掘出更深入、更能考查出科學(xué)探究能力的問(wèn)題.對(duì)材料的加工包括：從命題的立意出發(fā)，按照考查的要求對(duì)材料信息進(jìn)行適度解讀；對(duì)材料中含有使考生對(duì)材料信息內(nèi)容的理解引起偏差或存在歧義的部分進(jìn)行修正和補(bǔ)充說(shuō)明；對(duì)材料中部分關(guān)鍵信息含量過(guò)于隱晦的內(nèi)容進(jìn)行提示性說(shuō)明；對(duì)材料中過(guò)度直白的信息作刪減性修改，對(duì)材料提供的數(shù)據(jù)，按照命題的難度和要求進(jìn)行一定的整理、歸類或重新計(jì)算.

對(duì)本實(shí)例的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)材料的加工就是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的再整理、歸類與重新計(jì)算.原材料中最具有現(xiàn)實(shí)意義的就是銅與鐵這兩種不同金屬的線膨脹系數(shù)不同.但很明顯，給定的材料中，伸長(zhǎng)長(zhǎng)度（[Δl]）并不能代表線膨脹系數(shù)，只有“每升高1℃時(shí)，單位長(zhǎng)度（1米）的伸長(zhǎng)量X”才能代表線膨脹系數(shù).為此，我們可以在原表格中增加一列“每升高1℃時(shí)，單位長(zhǎng)度（1米）的伸長(zhǎng)量X（/℃）”，如表4所示.

根據(jù)表4，第（2）小題可以改成如下：

（2）根據(jù)表格數(shù)據(jù)，圖2四圖表示X與各量之間的關(guān)系，其中合理的是▲.

四個(gè)圖像中的X代表的是金屬的線膨脹系數(shù)，只與金屬的種類有關(guān)，而與金屬原長(zhǎng)、溫度、升高溫度等都無(wú)關(guān)，所以正確答案選C.

同時(shí)，通過(guò)考查學(xué)生構(gòu)建物理概念模型的能力，可以命制如下的一小題：

（3）通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，銅和鐵的溫度每升高1℃時(shí)，其單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量叫做線膨脹系數(shù)（α）.資料表明，這個(gè)規(guī)律在溫度變化不大時(shí)是普遍適用的.已知某金屬在t0℃時(shí)的長(zhǎng)度為 l0，溫度升高到t℃時(shí)的長(zhǎng)度為lt，則它的線膨脹系數(shù)α=▲.

根據(jù)線膨脹系數(shù)的定義，線膨脹系數(shù)α=[lt-l0l0（t-t0）].

當(dāng)然，如果不給定表格中的最后一列，也可以考查第（3）小題，只是考查的難度相對(duì)要大了些.

如果把五個(gè)程序進(jìn)行統(tǒng)整，它們之間的關(guān)系可以用如圖3的程序圖來(lái)表示：

圖3中，①②③④是正常的命題流程順序.使用素材進(jìn)行命題的過(guò)程中，對(duì)變量的辨析是核心的流程要素，它關(guān)系到對(duì)考查問(wèn)題的挖掘，關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)考查目標(biāo).同時(shí)，在對(duì)素材進(jìn)行選擇時(shí)，就有了⑤有意對(duì)變量進(jìn)行了辨析，以便為考查問(wèn)題提前進(jìn)行挖掘；因?yàn)閷?duì)材料進(jìn)行加工后，就需要有⑥對(duì)材料變量再辨析的過(guò)程.