高考實(shí)驗(yàn)題的命制要基于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究分析

鐘志鵬 袁壽根

摘要：實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)和重要的教學(xué)手段，歷年高考命題都非常重視對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的考查。文章從學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的實(shí)踐體驗(yàn)出發(fā)，就2019年高考理綜卷（全國(guó)卷Ⅲ）第22題，從命題的教材情境溯源、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理性、實(shí)驗(yàn)方案的開放性進(jìn)行分析，并就實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略提出了思考和建議。

關(guān)鍵詞：高考命題;物理實(shí)驗(yàn);學(xué)習(xí)實(shí)踐;教學(xué)策略

一、? 原題賞析

題目，甲乙兩位同學(xué)設(shè)計(jì)了利用數(shù)碼相機(jī)的連拍功能測(cè)重力加速度的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，甲同學(xué)負(fù)責(zé)釋放金屬小球，乙同學(xué)負(fù)責(zé)在小球自由下落的時(shí)候拍照，已知相機(jī)每間隔0.1s拍1幅照片。

1. 若要從拍得的照片中獲取必要的信息，在此實(shí)驗(yàn)中還必須使用的器材是。（填正確答案標(biāo)號(hào)）

A. 米尺

B. 秒表

C. 光電門

D. 天平

2. 簡(jiǎn)述你選擇的器材在本實(shí)驗(yàn)中的使用方法。

答：

3. 實(shí)驗(yàn)中兩同學(xué)由連續(xù)3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5cm、ac=58.7cm，則該地的重力加速度大小為g=m/s2。（保留2位有效數(shù)字）

參考答案：（1）A;（2）將米尺豎直放置，使小球下落時(shí)盡量靠近米尺;（3）9.7。

解析：此實(shí)驗(yàn)用數(shù)碼相機(jī)替代打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，故實(shí)驗(yàn)原理是相同的，仍然需要米尺來(lái)測(cè)量點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離;本實(shí)驗(yàn)要針對(duì)不同照片，如圖1所示，通過讀取三張照片上小球所處位置a、b、c在米尺上對(duì)應(yīng)的刻度值，進(jìn)而作差得到小球位置之間的距離;加速度求解仍然用逐差法計(jì)算，注意是bc與ab之間的距離差。

本題命制有以下特點(diǎn)，（1）內(nèi)容和方法具有代表性，作為實(shí)驗(yàn)題著重考查了加速度的概念，自由落體的規(guī)律，逐差法處理數(shù)據(jù)等高中物理學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容，內(nèi)容和方法具有代表性，融合在實(shí)驗(yàn)命題中綜合性較強(qiáng)。（2）基于學(xué)情來(lái)創(chuàng)設(shè)情境，作為勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律在生活中的典型例子，小球的自由落體運(yùn)動(dòng)情境在教材中、習(xí)題中、實(shí)驗(yàn)中都反復(fù)出現(xiàn)和使用，以此作為實(shí)驗(yàn)探究的情境便于學(xué)生進(jìn)入問題解決的狀態(tài)、便于考查學(xué)生物理思想、方法的應(yīng)用遷移能力。（3）指向核心素養(yǎng)突出問題解決。

本實(shí)驗(yàn)問題的設(shè)置分為儀器的選擇、儀器的使用、數(shù)據(jù)的處理三個(gè)層次，問題和題干相互支撐，突出了勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)測(cè)量重力加速的思想方法，同時(shí)在時(shí)間維度上注重打點(diǎn)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)方式在數(shù)碼相機(jī)拍攝特點(diǎn)上的遷移，空間維度上也把一條紙帶的處理變化為三張照片的處理，遷移和變化目的還是為了更好地考查學(xué)生面對(duì)復(fù)雜的真實(shí)情境，來(lái)探究和解決問題的能力，深刻地反映了題目命制的核心素養(yǎng)導(dǎo)向，但是學(xué)生早已熟悉的問題情境和教材中反復(fù)出現(xiàn)的關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)的照片，也對(duì)學(xué)生在面對(duì)本題時(shí)產(chǎn)生了困擾和誤導(dǎo)。

二、 情境溯源

自由落體運(yùn)動(dòng)作為勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律在生活中的典型例子，在人教版物理教材（必修一）多次出現(xiàn)，必修一教材封面上如圖2所示的蘋果下落的照片;教材開篇趙凱華教授的《走進(jìn)物理課堂之前》中，為解決學(xué)生們的疑惑“蘋果下落，速度是正比于落下的距離還是正比于落下的時(shí)間？”，老師介紹了‘頻閃儀，并提供了頻閃儀拍出的落體照片，如圖3所示;如圖4所示，在《自由落體》一節(jié)的課后習(xí)題中也提供了由頻閃攝影獲取的小球自由下落時(shí)的頻閃照片。在必修二教材中也有以重錘下落作為情境來(lái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的范例和第22題相比較，這些樣例當(dāng)中呈現(xiàn)了兩個(gè)突出特點(diǎn)。一是都使用的是‘頻閃儀，并介紹了‘頻閃儀的攝影原理，二是都只用一張照片來(lái)呈現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)的全過程，這些課本的呈現(xiàn)的素材既是教學(xué)的載體，也是學(xué)生面對(duì)高考題，知識(shí)和方法賴以遷移轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。

三、 問題商榷

基于以上分析，本實(shí)驗(yàn)題值得商榷的地方有兩點(diǎn)。

其一，基于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提供的數(shù)據(jù)要更能體現(xiàn)真實(shí)性。如圖5參照打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打點(diǎn)的讀數(shù)規(guī)則，以

a為起點(diǎn)在刻度尺上先后讀出b和c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的刻度值x1和x2。第22題顯然參照了這一規(guī)則，提供的數(shù)據(jù)是ab=24.5

cm、ac=58.7cm，這組數(shù)據(jù)的設(shè)置雖然和紙帶的讀數(shù)規(guī)則是相符合的，但是和本題提供的情境一結(jié)合，就顯得有些突兀，或者說是不符合實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作情況。原因在于本題提供給考生的是各包含一個(gè)位置讀數(shù)的三張照片，合理的數(shù)據(jù)處理，當(dāng)然是先分別讀取a、b、c各自對(duì)應(yīng)的刻度值，然后刻度值作差計(jì)算ab段的長(zhǎng)度和bc段的長(zhǎng)度，而不是通過ac與ab段作差再去求bc的長(zhǎng)度。高考實(shí)驗(yàn)題的命制首要堅(jiān)持的是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐性考查的導(dǎo)向，以此為要求，本題所給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是有值得商榷的地方。

其二，基于教學(xué)實(shí)際情況，本題的命制還應(yīng)該更具開放性，日常教學(xué)中，無(wú)論是教材呈現(xiàn)的圖片，還是學(xué)生實(shí)驗(yàn)得到的打點(diǎn)紙帶，都是體現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程一張照片、一條紙帶，同時(shí)頻閃儀和數(shù)碼相機(jī)在高中實(shí)驗(yàn)研究中畢竟使用很少，在拍攝自由落體照片時(shí)，其特點(diǎn)和差異學(xué)生也并不清楚，命題時(shí)沒必要在此處設(shè)置障礙，而應(yīng)立足教材和教學(xué)實(shí)際情況，設(shè)置更開放的實(shí)驗(yàn)情境，提供更開放的解決方案。

方案一，可提供記錄沿米尺下落小球連續(xù)三個(gè)位置的一張完整照片，來(lái)展開實(shí)驗(yàn)探究的考查，考查米尺的標(biāo)尺功能，突出將米尺豎直放置，作為記錄a、b、c三個(gè)位置的標(biāo)尺;考查米尺的測(cè)量功能，突出科學(xué)準(zhǔn)確的在米尺上讀取數(shù)據(jù);然后由逐差法計(jì)算重力加速度。

四、 思考建議

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的重要途徑和方式，實(shí)驗(yàn)命題著重要對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)探究能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力進(jìn)行考查，因此實(shí)驗(yàn)情境的選取必須來(lái)自學(xué)生有切身體驗(yàn)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，而不能脫離學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)必須是基于實(shí)踐的，真實(shí)的、科學(xué)的，要符合學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究中的認(rèn)知規(guī)律，實(shí)驗(yàn)的操作步驟必須是符合學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究實(shí)踐的，而不能為了增加題目的難度，不顧真實(shí)操作的合理性來(lái)人為設(shè)置陷阱，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、方案更應(yīng)該在已有的方法、方案上，突出面對(duì)新的問題的應(yīng)用遷移，突出思維方法的靈活性、實(shí)驗(yàn)方案的開放性和問題解決能力考查的立意，凸顯核心素養(yǎng)的導(dǎo)向。

要積極開發(fā)與利用信息技術(shù)手段來(lái)拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的途徑，頻閃儀能精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的記錄與探究。在人教版物理教材的多個(gè)章節(jié)也都出現(xiàn)了使用頻閃儀來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的情境，但實(shí)際情況是專業(yè)的頻閃相機(jī)比較昂貴，一般學(xué)校很少配備;另外，實(shí)際使用中照片的沖洗處理過程極為煩瑣，費(fèi)時(shí)較多，限制了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的參與和課堂使用。隨著科技進(jìn)步，數(shù)碼相機(jī)已成為常用工具，普通的數(shù)碼相機(jī)也具備連拍和視頻拍攝功能，這兩個(gè)功能結(jié)合圖片和視頻分析軟件完全可以實(shí)現(xiàn)“頻閃”的效果，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程合成到一張照片的功能。在教學(xué)中把數(shù)碼相機(jī)運(yùn)用到物理學(xué)習(xí)，尤其是實(shí)驗(yàn)探究中去，既拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的途徑，又增強(qiáng)了學(xué)生物理學(xué)習(xí)的興趣。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)要通過“一問多解”“一物多用”來(lái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)，開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，高考實(shí)驗(yàn)命題總是在一定的物理情境中來(lái)尋求問題的解決，在問題的解決中達(dá)成創(chuàng)新實(shí)踐能力的考查。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提供開放性的學(xué)習(xí)任務(wù)來(lái)組織項(xiàng)目學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在參與解決任務(wù)的學(xué)習(xí)活動(dòng)中熟悉實(shí)驗(yàn)儀器的使用、采用科學(xué)探究的方法、體驗(yàn)解決問題的流程、感受合作學(xué)習(xí)的氛圍。

倡導(dǎo)“一問多解”“一物多用”的方式來(lái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)，即圍繞一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩?lái)設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行科學(xué)探究，或者是圍繞一件實(shí)驗(yàn)器材，按照不同的實(shí)驗(yàn)原理來(lái)設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)。以重力加速度的測(cè)量為項(xiàng)目任務(wù)，組織學(xué)生用彈簧秤懸掛重物平衡的方法，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和重錘來(lái)研究自由落體的過程，用頻閃儀、數(shù)碼相機(jī)等獲取自由落體運(yùn)動(dòng)照片分析的方法等來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。以刻度尺在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的使用為項(xiàng)目任務(wù)，組織學(xué)生設(shè)計(jì)方案用刻度尺來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度、測(cè)量反應(yīng)時(shí)間、測(cè)量重力加速度、測(cè)量摩擦系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)主題的項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中，要著重實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和基于實(shí)驗(yàn)過程體驗(yàn)的項(xiàng)目評(píng)價(jià)。在實(shí)驗(yàn)方案的論證和項(xiàng)目評(píng)價(jià)的交流中實(shí)現(xiàn)方案的分享、行為的規(guī)范、思維的碰撞和能力的提升，最終以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為個(gè)性化學(xué)習(xí)平臺(tái)，在開放性任務(wù)的完成過程中使學(xué)生有更多動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，更多親歷實(shí)驗(yàn)演示的機(jī)會(huì)，更好地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、創(chuàng)新實(shí)踐能力。

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作者簡(jiǎn)介：鐘志鵬，袁壽根，江蘇省無(wú)錫市，無(wú)錫市玉祁高級(jí)中學(xué)。