高考物理實驗試題“創(chuàng)新性”考查的內(nèi)涵及教學(xué)啟示
——以2023年全國各省市高考物理實驗試題為例

周 浩 萬全紅 高逸湘

(1. 廣州市第六十五中學(xué),廣東 廣州 510450;2. 廣州市第六十六中學(xué),廣東 廣州 510460; 3. 長沙麓山國際實驗學(xué)校,湖南 長沙 410003)

中共中央、國務(wù)院的《深化新時代教育評價改革總體方案》在“深化考試招生制度改革”部分指出要“加強科研創(chuàng)新能力和實踐能力考查”.[1]因此,高考必須承擔評價創(chuàng)新能力、選拔創(chuàng)新人才的任務(wù).2019年,教育部考試中心發(fā)布了中國高考評價體系,即“一核四層四翼”,其中“四翼”明確提出了“創(chuàng)新性”考查要求:“創(chuàng)設(shè)合理情境,設(shè)置新穎的試題呈現(xiàn)方式和設(shè)問方式,促使學(xué)生主動思考”“要求學(xué)生多角度、開放式地思考問題”“考查的是學(xué)生的創(chuàng)新思維和意識的創(chuàng)新性”.[2]物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,物理實驗在培養(yǎng)和評價學(xué)生的創(chuàng)新能力上發(fā)揮著不可替代的作用,那么,物理高考實驗試題是怎樣體現(xiàn)“創(chuàng)新性”考查要求的呢?對教學(xué)又有怎樣的啟示?本文從相關(guān)文獻梳理高考實驗試題“創(chuàng)新性”考查的具體內(nèi)涵,并以2023年全國各省市高考物理的實驗試題為例分析闡述,以期對教學(xué)提供借鑒.

1 物理高考實驗試題“創(chuàng)新性”考查要求的內(nèi)涵

情境是實現(xiàn)“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求的載體,“創(chuàng)新性”的情境活動命題“要求學(xué)生在正確思想觀念引領(lǐng)下,在開放性的綜合情境中創(chuàng)造性地解決問題,形成創(chuàng)造性的結(jié)果或結(jié)論”.[2]對物理學(xué)科而言,物理科考試的創(chuàng)新性主要包括創(chuàng)造性的問題解決、創(chuàng)造性的實驗設(shè)計等方面.通過創(chuàng)新試題的呈現(xiàn)方式和設(shè)問方式,要求學(xué)生從不同角度分析和思考問題,能提出個性化、創(chuàng)造性的思路和見解.在實驗題的設(shè)計中,要求學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康淖灾魈暨x實驗儀器、設(shè)計實驗步驟、處理實驗數(shù)據(jù)、反思實驗結(jié)果、提出改進措施.在新情境中,要求學(xué)生運用提供的信息和已具備的知識、能力、素養(yǎng)分析解決新的問題.[3]可見,實驗試題是實現(xiàn)物理高考“創(chuàng)新性”考查的重要載體.上述文獻還表明,高考物理實驗試題“創(chuàng)新性”的內(nèi)涵應(yīng)包括情境素材的創(chuàng)新、考查方式的創(chuàng)新及思維方法的創(chuàng)新3個維度.情境素材的創(chuàng)新是指實驗?zāi)繕?、器材或方案等超出了課標或教材范圍,情境是全新的但考查的落腳點仍在課內(nèi),這就要求考生必須把握新舊信息的聯(lián)系、準確理解新信息的實質(zhì),主要指向“理解掌握”“研究探索”學(xué)科素養(yǎng)和理解能力的考查;考查方式的創(chuàng)新體現(xiàn)為新的呈現(xiàn)方式和設(shè)問方式,例如關(guān)鍵信息用圖像或表格呈現(xiàn)、半開放或開放式設(shè)問等,考生需要對知識和信息概括整合,通過思維加工后按要求輸出,突出“知識整合”“語言表達”學(xué)科素養(yǎng)和推理論證能力的考查;思維方法的創(chuàng)新則要求考生能對實驗結(jié)果質(zhì)疑批判、獨立自主設(shè)計方案及發(fā)表創(chuàng)造性見解的能力,強調(diào)“科學(xué)思維”“創(chuàng)新思維”學(xué)科素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的考查.各創(chuàng)新維度及考查指向的關(guān)系如表1所示.

表1 創(chuàng)新維度及考查指向

顯然,思維方法的創(chuàng)新是所有創(chuàng)新性維度中最高階的,前兩個維度往往是思維方法創(chuàng)新的基礎(chǔ),例如開放式的設(shè)問方式能激發(fā)考生的發(fā)散思維和創(chuàng)新思維,而扎實的課內(nèi)知識和實驗技能是以上各創(chuàng)新性維度的共同基礎(chǔ),因此,實驗探究能力是解決創(chuàng)新性實驗題的基石.以下按照創(chuàng)新性考查的不同維度,分別以2023年全國各省市高考物理試卷中的典型實驗試題為例分析闡述.

2 創(chuàng)新性考查典型試題分析

2.1 情境素材的創(chuàng)新性

例1.(2023年湖北卷第11題)某學(xué)生利用測質(zhì)量的小型家用電子秤,設(shè)計了測量木塊和木板間動摩擦因數(shù)μ的實驗.如圖1所示,木板和木塊A放在水平桌面上,電子秤放在水平地面上,木塊A和放在電子秤上的重物B通過跨過定滑輪的輕繩相連.調(diào)節(jié)滑輪,使其與木塊A間的輕繩水平,與重物B間的輕繩豎直.在木塊A上放置n(n為0～5)個砝碼(電子秤稱得每個砝碼的質(zhì)量m0為20.0 g),向左拉動木板的同時,記錄電子秤的對應(yīng)示數(shù)m.

(1) 實驗中,拉動木板時______(填“必須”或“不必”)保持勻速.

(2) 用mA和mB分別表示木塊A和重物B的質(zhì)量,則m和mA、mB、m0、μ、n所滿足的關(guān)系式為m=________.

(3) 根據(jù)測量數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制出m-n圖像,如圖2所示,可得木塊A和木板間的動摩擦因數(shù)μ=________(保留2位有效數(shù)字).

圖2 m-n函數(shù)圖像

解答:(1) 木塊與木板間的滑動摩擦力與兩者之間的相對速度無關(guān),則實驗拉動木板時不必保持勻速;(2) 對木塊、砝碼以及重物B分析可知μ(mA+nm0)g+mg=mBg.解得m=mB-μ(mA+nm0).

評析:該題的情境素材極具創(chuàng)新性,主要表現(xiàn)在3個方面:其一是實驗?zāi)康摹獪y量動摩擦因數(shù)不是課標規(guī)定的學(xué)生實驗;其二是實驗器材——將常用的彈簧測力計改為測質(zhì)量的電子秤;最后,摩擦力通過連接體的平衡關(guān)系巧妙轉(zhuǎn)換成質(zhì)量的測量,再通過圖像法處理得到實驗結(jié)果,這一設(shè)計思路正是間接測量法的妙用.對比之下,本題的設(shè)問和思維方法均比較常規(guī),實驗中的線性圖像處理無論在課標實驗還是往年高考中多次出現(xiàn),考生應(yīng)該比較熟悉.解答的關(guān)鍵在于克服陌生情境帶來的認知障礙,準確把握實驗思路與所學(xué)知識的聯(lián)系,考查了考生的理解辨析能力和“理解掌握”素養(yǎng).

2.2 考查方式的創(chuàng)新性

例2.(2023年全國甲卷第22題)某學(xué)生用伏安法測繪一額定電壓為6 V、額定功率為3 W的小燈泡的伏安特性曲線,實驗所用電壓表內(nèi)阻約為6 kΩ,電流表內(nèi)阻約為1.5 Ω．實驗中有圖3(a)和(b)兩個電路圖供選擇.

圖3 電路圖及伏安特性曲線

(1) 實驗中得到的電流I和電壓U的關(guān)系曲線如圖3(c)所示,該學(xué)生選擇的電路圖是圖________(填“a”或“b”)

(2) 若選擇另一個電路圖進行實驗,在答題卡所給圖上用實線畫出實驗中應(yīng)得到的關(guān)系曲線的示意圖________.

(2) 若選用另一個電路圖即圖3(b)實驗,會有U=U燈+IRA,則分別代入電流300 mA、500 mA,可知對應(yīng)的電壓應(yīng)為2.45 V、6.75 V,大致描點連線可得圖4.

圖4 I-U圖像

評析:伏安法測電阻的兩種測量電路是考生非常熟悉的學(xué)習探索類情境,但該題摒棄了“根據(jù)器材數(shù)據(jù)選擇測量電路”的常規(guī)考查方式,而是將實際測量結(jié)果以圖像的形式呈現(xiàn),并要求以此為證據(jù)對測量電路進行論證和判斷,考生必須要抓住圖像和題干中的關(guān)鍵信息,對比電表內(nèi)阻對“內(nèi)接法”和“外接法”的誤差影響并作出判斷,考查了科學(xué)探究中的證據(jù)意識、“理解掌握”素養(yǎng)及推理論證能力.第2空要求用繪圖的方式來表達分析結(jié)果,對比“給出數(shù)據(jù)描點作圖”的常規(guī)考法顯得更加靈活,對思維能力要求更高.考生要先對“內(nèi)接法”和“外接法”測量值進行對比分析,為了更準確地畫出圖線,還要從“外接法”的圖線上找?guī)讉€特殊數(shù)據(jù)點算出“內(nèi)接法”的數(shù)據(jù),這能更好地考查考生的證據(jù)意識、推理論證能力及“知識整合”“語言表達”素養(yǎng).

例3.(2023年遼寧卷第11題節(jié)選)某學(xué)生為了驗證對心碰撞過程中的動量守恒定律,設(shè)計了如下實驗:用紙板搭建如圖5所示的滑道,使硬幣可以平滑地從斜面滑到水平面上,其中OA為水平段.選擇相同材質(zhì)的一元硬幣和一角硬幣進行實驗.

圖5 滑道示意圖

測量硬幣的質(zhì)量,得到一元和一角硬幣的質(zhì)量分別為m1和m2(m1>m2).將硬幣甲放置在斜面一某一位置,標記此位置為B(如圖6).由靜止釋放甲,當甲停在水平面上某處時,測量甲從O點到停止處的滑行距離OP.將硬幣乙放置在O處,左側(cè)與O點重合,將甲放置于B點由靜止釋放.當兩枚硬幣發(fā)生碰撞后,分別測量甲、乙從O點到停止處的滑行距離OM和ON.保持釋放位置不變,重復(fù)實驗若干次,得到OP、OM、ON的平均值分別為s0、s1、s2.

圖6 對心碰撞實驗

(4) 由于存在某種系統(tǒng)或偶然誤差,計算得到碰撞前后甲動量變化量大小與乙動量變化量大小的比值不是1,寫出一條產(chǎn)生這種誤差可能的原因________.

解答: (4) 根據(jù)實驗方案,導(dǎo)致實驗出現(xiàn)誤差的因素可能有:碰撞時不完全是對心碰撞、質(zhì)量或距離的測量不準確、空氣阻力的影響、兩枚硬幣與桌面的動摩擦因數(shù)并不一致、碰撞中內(nèi)力沒有遠大于外力、硬幣未確保從同一高度釋放等等.

評析:該題第(4)問沒有唯一的標準答案,屬于開放式設(shè)問,考生可從測量、操作過程、客觀環(huán)境條件等多角度進行批判性和發(fā)散性思考,再經(jīng)嚴密的分析論證得出合理解答.這種考查方式可以讓回答者自由發(fā)揮,有利于評價考生是否具備推理論證能力、創(chuàng)新能力和“創(chuàng)新思維”素養(yǎng).同時,回答者必須用精練、準確的科學(xué)術(shù)語表達輸出答案,考查了“語言表達”素養(yǎng).

2.3 “思維方法創(chuàng)新性”試題

例4.(2023年江蘇卷第12題節(jié)選)小明通過實驗探究電壓表內(nèi)阻對測量結(jié)果的影響．所用器材有:干電池(電動勢約1.5 V,內(nèi)阻不計)2節(jié);兩量程電壓表(量程0～3 V,內(nèi)阻約3 kΩ;量程0～15 V,內(nèi)阻約15 kΩ)1個;滑動變阻器(最大阻值50 Ω)1個;定值電阻(阻值50 Ω)21個;開關(guān)1個及導(dǎo)線若干．實驗電路如圖7所示．

圖7 實驗電路圖

(4) 在圖7所示的電路中,若電源電動勢為E,電壓表視為理想電壓表,滑動變阻器接入的阻值為R1,定值電阻的總阻值為R2,當被測電阻為R時,其兩端的電壓U=________(用E、R1、R2、R表示),據(jù)此作出U-R理論圖線如圖8中虛線所示．小明發(fā)現(xiàn)被測電阻較小或較大時,電壓的實測值與理論值相差較?。?/p>

圖8 U-R圖像

(5) 分析可知,當R較小時,U的實測值與理論值相差較小,是因為電壓表的分流小,電壓表內(nèi)阻對測量結(jié)果影響較?。∶髡J為,當R較大時,U的實測值與理論值相差較小,也是因為相同的原因．你是否同意他的觀點?請簡要說明理由________．

(5) 不同意;理由說明如下.

思路2:由題意可知,滑動變阻器接入的阻值R1為任意值均不影響實驗結(jié)果,因此可設(shè)R1=0,而R增大至R2時,U的實測值與理論值完全相同,說明當R不斷接近R2時,U的實測值與理論值相差也越來越小,但是電壓表分流卻在不斷增大.

評析:對比第(5)問的兩種解答思路,思路1通過嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)進行證明,雖然嚴謹?shù)@得非常繁瑣,似乎不是命題者的本意;思路2則抓住題中的滑動變阻器阻值R1對實驗結(jié)果不影響的特點,采用極限法,將R1和R的值分別推向最小和最大,巧妙得出結(jié)論,這種思路回避了繁瑣的運算過程,更具有創(chuàng)造性.本題要求考生能擺脫定式思維的束縛,通過質(zhì)疑批判、大膽創(chuàng)新,得出獨創(chuàng)性見解,凸顯了“思維方法創(chuàng)新性”的考查要求.

2.4 情境素材、考查方式及思維方法的綜合創(chuàng)新

例5.(2023年湖南卷第11題)某學(xué)生探究彈簧振子振動周期與質(zhì)量的關(guān)系,實驗裝置如圖9所示,輕質(zhì)彈簧上端懸掛在鐵架臺上,下端掛有鉤碼,鉤碼下表面吸附一個小磁鐵,其正下方放置智能手機,手機中的磁傳感器可以采集磁感應(yīng)強度實時變化的數(shù)據(jù)并輸出圖像,實驗步驟如下.

圖9 實驗裝置圖

(1) 測出鉤碼和小磁鐵的總質(zhì)量m;

(2) 在彈簧下端掛上該鉤碼和小磁鐵,使彈簧振子在豎直方向做簡諧運動,打開手機的磁傳感器軟件,此時磁傳感器記錄的磁感應(yīng)強度變化周期等于彈簧振子振動周期;

(3) 某次采集到的磁感應(yīng)強度B的大小隨時間t變化的圖像如圖10所示,從圖中可以算出彈簧振子振動周期T=________(用“t0”表示);

圖10 B-t圖像

(4) 改變鉤碼質(zhì)量,重復(fù)上述步驟;

(5) 實驗測得數(shù)據(jù)如表2所示,分析數(shù)據(jù)可知,彈簧振子振動周期的平方與質(zhì)量的關(guān)系是________(填“線性的”或“非線性的”);

表2 實驗數(shù)據(jù)表

(6) 設(shè)彈簧的勁度系數(shù)為k,根據(jù)實驗結(jié)果并結(jié)合物理量的單位關(guān)系,彈簧振子振動周期的表達式可能是________(填正確答案標號);

(7) 除偶然誤差外,寫出一條本實驗中可能產(chǎn)生誤差的原因:________．

評析:本題的實驗?zāi)繕恕疤骄繌椈烧褡诱駝又芷谂c質(zhì)量的關(guān)系”.實驗測量器材——手機磁傳感器均為課內(nèi)實驗未曾出現(xiàn)過的,屬于典型的情境素材創(chuàng)新,考生需要準確理解和辨析磁感應(yīng)強度變化與彈簧振子振動之間的關(guān)系;磁感應(yīng)強度的大小B隨時間t的變化信息以圖像形式呈現(xiàn),考生需要將其轉(zhuǎn)換為振動周期,而實驗數(shù)據(jù)以表格形式呈現(xiàn),考生要在觀察數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進一步通過論證、歸納得出結(jié)論,這兩小問在呈現(xiàn)方式上有所創(chuàng)新.第(6)問放棄控制變量法而選擇從理論上對猜想分析論證,從量綱分析的角度引導(dǎo)考生推測振子周期T與勁度系數(shù)k的關(guān)系,這種新穎的設(shè)問方式,能激發(fā)考生從不同角度分析問題.第(7)問要求考生寫出一條可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因,開放式的設(shè)問為考生大膽提出個性化、創(chuàng)造性的見解提供了空間.綜上所述,本題在情境素材、考查方式及思維方法3個方面均體現(xiàn)創(chuàng)新性,對考生的關(guān)鍵能力和學(xué)科素養(yǎng)進行了全面考查.

3 2023年高考物理實驗試題創(chuàng)新性考查統(tǒng)計分析

為更全面了解高考物理實驗試題的創(chuàng)新性考查情況,本文選取了具有代表性的全國甲、乙卷、新課標卷及廣東、湖南、湖北、遼寧、江蘇、浙江(6月)、山東等省份試卷中的19道實驗試題,對每道題的創(chuàng)新性類型進行分析統(tǒng)計,體現(xiàn)創(chuàng)新性考查要求的試題題號及頻次統(tǒng)計如表3所示.

表3 實驗試題創(chuàng)新性統(tǒng)計

從表3的數(shù)據(jù)可知,這19道試題中體現(xiàn)創(chuàng)新性考查要求的共有12道,并以情境素材和考查方式的創(chuàng)新為主,思維方法創(chuàng)新涉及較少,大多數(shù)試題對創(chuàng)新性的考查往往只涉及1～2個方面,只有湖南卷第11題全部涉及,這可能是命題者出于難度控制或避免閱卷產(chǎn)生爭議等因素的考慮.10份試卷中,3套全國卷在實驗題創(chuàng)新性考查上略顯保守,另外7套自主命題的地方卷則大膽嘗試、各具特色,例如廣東卷近3年全部的實驗試題均只在情境素材上創(chuàng)新,考查方式和思維方法仍偏傳統(tǒng)和基礎(chǔ),而遼寧卷、湖南卷的試題不滿足于情境素材的創(chuàng)新,還在其他兩個方面積極探索,尤其是湖南卷的第11題做到了3者的巧妙融合,是創(chuàng)新性考查的典范.同時,也應(yīng)該注意到思維方法創(chuàng)新性試題偏少,而最能甄別考生創(chuàng)新能力、選拔創(chuàng)新人才的恰好是這類問題,因此,這類試題的命制還有待探索.

4 教學(xué)啟示

4.1 夯實基礎(chǔ)知識和技能,培養(yǎng)實驗探究能力

知識技能是創(chuàng)造的前提和基礎(chǔ),個體知識經(jīng)驗不廣不深,創(chuàng)造就成了無本之木、無源之水.[4]高考創(chuàng)新性實驗試題雖然創(chuàng)新維度各異,但所考查的知識和方法基本源于課內(nèi)所學(xué),因此,教學(xué)應(yīng)將夯實基礎(chǔ)擺在首位,特別是課標規(guī)定的必做實驗,不僅要讓學(xué)生親身經(jīng)歷每個實驗的方案設(shè)計、操作實施、數(shù)據(jù)處理及誤差分析,而且要充分利用實驗過程中出現(xiàn)的如電路故障、誤差較大等各種問題,引導(dǎo)學(xué)生自主解決,使之在實踐中遷移運用知識,發(fā)展觀察、動手操作及問題解決等實驗技能,培養(yǎng)形成探究能力.

4.2 經(jīng)歷挑戰(zhàn)性任務(wù),促成高通路遷移

遷移是指把在一個情境中學(xué)到的東西遷移到新情境的能力,當新任務(wù)與原任務(wù)不相似時,稱為“高通路遷移”,創(chuàng)新就是指遷移至高度不相似的現(xiàn)實世界場景,面對現(xiàn)實世界的復(fù)雜問題,需要自己找到線索,綜合所學(xué)形成解決方案,[5]正是在解決挑戰(zhàn)性任務(wù)的過程中促使學(xué)生不斷經(jīng)歷高通路遷移,形成創(chuàng)新意識和創(chuàng)造性解決問題的能力,如江蘇卷第12題第(5)問即是典型案例.因此,實驗教學(xué)中也要多設(shè)置這樣的挑戰(zhàn)性學(xué)習任務(wù),例如讓學(xué)生自主設(shè)計探究方案,然后再對不同的方案給出優(yōu)缺點的評價并提出改進建議等;再例如某些課內(nèi)實驗?zāi)繕耸欠窨梢栽诩依镎业教娲云鞑暮头桨竿瓿?當然,若任務(wù)的挑戰(zhàn)性太大也容易讓學(xué)生放棄,因此任務(wù)的進階性和教師引導(dǎo)尤為重要.

4.3 激發(fā)創(chuàng)新思維,鼓勵實際和創(chuàng)新應(yīng)用

創(chuàng)新性實驗試題常涉及新穎的實驗方案設(shè)計、非常規(guī)的實驗方法和獨特的思路,這要求學(xué)生必須具備創(chuàng)新思維,教學(xué)中教師應(yīng)創(chuàng)造機會和空間給學(xué)生思考、提問及討論,如探究結(jié)束后讓學(xué)生討論:該探究方案有哪些不足之處?是否有更好的實驗方法彌補?還能提出其他方案嗎等等,通過質(zhì)疑討論、思維碰撞激發(fā)創(chuàng)新意識和創(chuàng)造力.另外,創(chuàng)新性實驗試題常涉及物理知識的實際和創(chuàng)新應(yīng)用,如今年湖南卷第12題就極具STEM特征,教師可以通過案例分析、實際問題解決等方式,激發(fā)學(xué)生將所學(xué)物理知識運用于實際創(chuàng)造發(fā)明的興趣,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力.