關注基本實驗技能 彰顯核心素養(yǎng)考查
——2018年高考天津理綜物理實驗試題評析與教學建議

江西省九江市第一中學(332000) 許冬保

1 試題與解析

2018年高考天津理綜物理實驗試題共2道,下面以試題1、試題2示出。

1.1 試題1

某研究小組做 “驗證力的平行四邊形定則”的實驗,所用器材有：方木板1塊、白紙、量程為5N的彈簧測力計2個、橡皮條 (帶2個較長的細繩套)、刻度尺、圖釘 (若干個)。

(1)具體操作前,同學們提出了如下關于實驗操作的建議,其中正確的是________。

A.橡皮條應和兩繩套夾角的角平分線在一條直線上

B.重復實驗再次進行驗證時,結點O的位置可以與前一次不同

C.使用測力計時,施力方向應沿測力計軸線；讀數(shù)時視線應正對測力計刻度

D.用兩個測力計互成角度拉橡皮條時的拉力必須都小于只用一個測力計時的拉力

(2)該小組的學生用同一套器材做了4次實驗,白紙上留下的標注信息有結點位置O,力的標度、分力和合力的大小及表示力的作用線的點,如圖1所示。其中對于提高實驗精度最有利的是________。

解析： (1)做 “驗證力的平行四邊形定則”的實驗時,兩分力夾角不宜過大也不宜過小,但沒有要求合力一定要在角平分線上,故選項A錯誤；某一次實驗時,要保證橡皮條的形變效果不變,因此結點O的位置不能改變。而重復實驗再次進行驗證時,結點O的位置可以與前一次不同,故選項B正確；根據(jù)測力計使用規(guī)則,故選項C正確；測力計拉力不宜過小,否則誤差大。合力不一定比每一個分力大,故選項D錯誤。綜上,正確選項為BC。

(2)可通過作圖來回答。選項A,力的標度

圖1 實驗標注信息

不合適,其次表示力的作用線的點與結點位置O間的距離過小,導致確定分力方向時作圖誤差大；選項D標度不合適,且兩分力夾角過小,實驗誤差大；選項B、C相比較,標度合適,確定力的方向時作圖誤差小,而且選項B中的測力計示數(shù)較大,實驗誤差小。因此,對于提高實驗精度最有利的是選項B。

1.2 試題2

某同學用伏安法測定待測電阻Rx的阻值(約為10kΩ),除了Rx,開關S、導線外,還有下列器材供選用：

A.電壓表(量程0～1V,內(nèi)阻約為10kΩ)；

B.電壓表(量程0～10V,內(nèi)阻約為100kΩ)；

C.電流表(0～1mA內(nèi)阻約為30Ω)；

D.電流表(0～0.6A,內(nèi)阻約為0.05Ω)；

E.電源(電動勢1.5V,額定電流0.5A,內(nèi)阻不計)；

F.電源(電動勢12V,額定電流2A,內(nèi)阻不計)；

G.滑動變阻器R0(阻值范圍0～10Ω,額定電流2A)。

(1)為使測量準確,電壓表選用________,電流表選用________,電源選用________。(均填器材的字母代號)。

(2)畫出測量Rx阻值的實驗電路圖。

(3)該同學選擇器材、連接電路和實驗操作均正確,從實驗原理上看,待測電阻的測量值會________其真實值 (填 “大于”“小于”或 “等于”),原因是________________。

解析：(1)由電壓表量程及Rx的阻值 (約為10kΩ),可估算電路中最大電流分別為0.1mA、1mA。儀表選擇時,注意讀數(shù)越大越好。因此,電流表選用C,相應的電壓表選用B,電源選用F。

(2)被測電阻較大,宜用電流表內(nèi)接法。電源電動勢較大,滑動變阻器R0阻值相對Rx的阻值過小,無法限流。因此,滑動變阻器按分壓連接方式供電,如圖2所示。

圖2 實驗電路圖

(3)由于電流表有內(nèi)阻,在電路中會分壓,引起電壓表示數(shù)增大。由歐姆定律知,待測電阻測量值大于其真實值。其中的原因就是由于電流表分壓,電壓表的讀數(shù)大于待測電阻兩端實際電壓所致。

2 試題評價

理解能力、推理能力、分析綜合能力、應用數(shù)學處理物理問題的能力以及實驗能力,是高考物理考查的5個方面的能力。顯然實驗能力不可或缺。在核心素養(yǎng)理念下,科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗和制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)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、評估、反思的能力,主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素。可見,在核心素養(yǎng)統(tǒng)領下,科學探究能力已涵蓋物理實驗能力。2018年天津物理實驗試題難度小,但不失區(qū)分功能。能力考查主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 完成基本實驗的能力

基本實驗是指考綱規(guī)定的實驗內(nèi)容,其中“驗證力的平行四邊形定則”是一個基本的實驗。試題要求考生獨立地、認真地完成這個實驗,否則很難得到滿分。伏安法測電阻是一個基本的電學實驗,涉及器材的選擇、電流表內(nèi)接與外接的確定以及滑動變阻器連接方式的選擇。兩道考題,均是對基礎實驗題的考查,試題較好地鑒定了考生是否親自動手完成相關實驗以及完成實驗的水平。

2.2 提出問題的能力

我們知道,在應用某種能力處理或解決具體問題的過程中往往伴隨著發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的過程,因而高考對考生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并加以論證解決等探究能力的考查滲透在考綱規(guī)定的5個方面能力的考查之中。提出問題的前提是發(fā)現(xiàn)相關有價值的問題。試題1,根據(jù)已知的信息(結點位置O,力的標度、分力和合力的大小及表示力的作用線的點)提出問題：什么樣的數(shù)據(jù)處理 (作力的平行四邊形矢量圖)其實驗精度才是最高的?試題2,伏安法測電阻的實驗中,如何選擇合適的器材來制訂實驗方案?涉及以下3個問題：首先是器材選擇,其次是電流表連接 (內(nèi)接、外接)的確定,最后是電源供電方式 (變阻器分壓、限流)的選擇。

2.3 設計實驗的能力

設計實驗的能力是實驗能力的重要方面。要求考生能靈活地運用已經(jīng)學過的理論、實驗方法、選擇合適的儀器去處理、分析、研究某些未做過的實驗,包括設計某種比較簡單的實驗。試題2測量電阻的實驗方案要求考生自主設計實驗。當然,伏安法測電阻是考生較熟悉的一個實驗,設計點集中在電流表及滑動變阻器的連接方式上。

2.4 基于證據(jù)得出結論的能力

證據(jù)是能夠做證明用的事實依據(jù)。實驗證據(jù)是通過實驗觀察到的現(xiàn)象或得到的原始數(shù)據(jù),也包括對實驗現(xiàn)象進行解釋或對實驗結果進行分析的物理理論。簡言之,任何實驗結論的解釋必須言之有理。試題1,關于實驗操作的建議,需要理解實驗原理及掌握測力計的正確使用方法。而4次實驗的圖示中,對提高實驗精度最有利的是哪一個的回答中,需要的是推理的證據(jù)。試題2,測電阻的實驗中要求選擇器材,那么選擇的證據(jù)是什么?畫電路圖的證據(jù)及誤差分析的證據(jù)等又是什么?這些均要求考生面對具體問題要有理有據(jù),同時也滲透了對考生 “科學態(tài)度與責任”素養(yǎng)的考查。

2.5 對探究結果進行反思的能力

反思是分析與評價的過程。要求能對給出的或獲得的物理理論、實驗結論、實驗條件等進行分析,并進行評價與完善。驗證力的平行四邊形定則實驗,如何使探究結果精度高?涉及力的方向的畫圖誤差、力的大小的畫圖誤差、規(guī)范畫圖對圖示中的矢量大小以及矢量夾角的要求等。伏安法測電阻,從實驗原理上看,電流表內(nèi)接時,由于電流表的分壓,使得待測電阻的測量值大于其真實值。實驗原理不完善而帶來的誤差,理論上屬于系統(tǒng)誤差。對于實驗結論的反思,本質上就是從系統(tǒng)誤差及偶然誤差的角度去分析問題的過程。

3 教學建議

實驗能力的重要性,在《普通高中物理課程標準》中是這樣表述的：“在高中物理課程中,應注重科學探究,尤其應注重物理實驗,這在培養(yǎng)學生的探究能力和科學態(tài)度等方面具有重要的地位。”在高中物理課程中,應挖掘實驗在培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題能力方面的潛在價值。通過創(chuàng)設實驗情境或創(chuàng)設實驗中的問題,以提高學生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的能力。通過實驗提高學生制訂計劃的能力、科學表達的能力等。與此同時,還應通過實驗使學生在科學態(tài)度與科學精神方面得到熏陶和培養(yǎng)。

3.1 核心素養(yǎng)理念下的物理教學,必須堅持以實驗為基礎

物理教學必須以實驗為基礎,這已成為廣大教師的共識。實驗是物理學的重要內(nèi)容之一,是學生學習物理的一種基本方法和途徑,也是教師進行教學的重要手段。基于核心素養(yǎng)的物理教學,必須樹立“以實驗為基礎”的課程觀與教學觀。在課程內(nèi)容上,增加學生動手實驗的機會,培養(yǎng)學生的實驗技能和實驗能力；在實驗類型上,改部分驗證性實驗為設計性實驗,以體現(xiàn)科學探究的精神,順應物理教育發(fā)展的趨勢；在實驗時空上,從課堂實驗向課外實驗延伸,做到課內(nèi)、課外相結合；在實驗配備上,重視采用簡單儀器做實驗,同時注意應用現(xiàn)代化實驗手段(如DIS實驗),做到常規(guī)器材與創(chuàng)新器材相結合,為實驗教學創(chuàng)設良好環(huán)境。

3.2 通過設計簡單實驗和完成考綱規(guī)定實驗,提高科學探究能力

天津市 《考試大綱說明》在 “實驗”主題下,規(guī)定必考實驗15個,基本儀器12個。亦即考綱所列的實驗與儀器是考生必須掌握的實驗內(nèi)容,是最基本的考查要求。2018年天津實驗題,依托考綱規(guī)定的基本實驗,要求考生理解實驗原理、自主選擇器材、設計簡單電路以及進行誤差分析等。可見,命題導向鮮明,即重視完成規(guī)定實驗,力求考查考生的動手能力。對于驗證力的平行四邊形定則的實驗,作圖 (矢量圖)是處理數(shù)據(jù)、達成實驗目標唯一方法。顯然,動手做過該實驗與沒有做過該實驗,考查結果肯定不同。因此,在高三復習課教學中,安排學生的實驗活動,讓學生獨立進行操作,重溫實驗的目的要求、實驗原理、儀器使用、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理及誤差分析等過程。在帶有研究性完成實驗的過程中,通過發(fā)散思維、質疑問題、反思評價等思維的訓練,有利于提高學生的科學思維能力與科學探究能力。

3.3 通過理論與實驗分析有機結合,促進物理核心素養(yǎng)的發(fā)展

物理學是在長期實踐和大量實驗的基礎上產(chǎn)生、發(fā)展和逐漸完善起來的基礎學科。物理學是一門理論與實驗緊密結合的學科。觀察實驗現(xiàn)象、得出實驗結論,離不開理論的分析。實驗教學不能僅僅停留在培養(yǎng)學生的實驗技能上,而應該在實驗方法和實驗思想上,予以提高。因為實驗方法和實驗思想具有一定的隱蔽性,只有在對實驗原理與實驗結論的反思及評價中,才能體會實驗方法與實驗思想的魅力。試題1、試題2均包含等效思想與方法的應用,一個是形變效果 (橡皮條伸長量)的等效,一個是電阻的 (電壓與電流比值)等效。物理學科核心素養(yǎng)主要包括 “物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四4方面。其中,理性思維、科學探究、批判質疑等是核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。在實驗教學中,通過對實驗現(xiàn)象的分析,深入理解物理概念和規(guī)律,正確把握物理問題的本質特征,能夠提高學生理性思維的能力；通過提出問題、設計實驗方案、尋找證據(jù)、利用證據(jù)來解釋現(xiàn)象或得出結論,能夠培養(yǎng)學生的科學探究能力；通過實驗活動中科學問題的提出與討論,引導學生獨立思考,對實驗現(xiàn)象的觀察、質疑與分析,創(chuàng)造性地解決問題,能夠培養(yǎng)學生批判質疑能力。總之,在實驗活動中,將理論與實驗分析相結合,有利于物理核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。