基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高考物理實驗題的研究*

袁衛(wèi)民

(保定市第二中學(xué) 河北 保定 071000)

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗不僅是中學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)容，也是教學(xué)的一種重要方式、手段．物理實驗題作為高考的必考題目，既考查了基礎(chǔ)知識的掌握情況即物理觀念，又考查了科學(xué)探究過程，同時也考查了學(xué)生設(shè)計性思維和創(chuàng)新性思維等科學(xué)思維．高考全國Ⅰ卷物理實驗試題幾乎沒有一個照搬課本中的實驗，命題都是本著“來源于教材而不拘泥于教材”的原則，因此高中物理實驗教學(xué)要更加注重對學(xué)生的實驗探究能力以及設(shè)計性思維、創(chuàng)新性思維等科學(xué)思維的培養(yǎng)．

本文以2019年高考全國Ⅰ卷理綜物理實驗試題為例，對考查的物理學(xué)科核心素養(yǎng)以及對物理實驗教學(xué)的啟示做一分析．

1 高考試題分析

【例1】(第22題)某小組利用打點計時器對物塊沿傾斜的長木板加速下滑時的運動進行探究．物塊拖動紙帶下滑，打出的紙帶一部分如圖1所示．已知打點計時器所用交流電的頻率為50 Hz，紙帶上標(biāo)出的每兩個相鄰點之間還有4個打出的點未畫出．在A,B,C,D,E5個點中，打點計時器最先打出的是______點．在打出C點時物塊的速度大小為______m/s(保留3位有效數(shù)字)；物塊下滑的加速度大小為______m/s2(保留2位有效數(shù)字)．

圖1 例1題圖

解析:物塊沿傾斜的長木板加速下滑，速度開始小，所打的點密，因此打點計時器最先打出的是A點；根據(jù)勻變速直線運動的中間時刻瞬時速度等于平均速度，可求得C點速度大小為 0.233 m/s；根據(jù)Δx=aT2可求得物塊下滑的加速度大小為0.75 m/s2．

評析:本題將刻度尺的使用與測定物塊的速度和加速度融合在一起，考查獲取實驗數(shù)據(jù)、分析處理實驗數(shù)據(jù)、得出結(jié)論的基本實驗?zāi)芰Γ?/p>

考查的必備知識：基本儀器刻度尺的讀數(shù)、研究勻變速直線運動.

關(guān)鍵能力：基本儀器的讀數(shù)、實驗數(shù)據(jù)的處理.

核心素養(yǎng)：定性分析與定量計算相結(jié)合進行科學(xué)推理，獲取實驗數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)得出結(jié)論進行科學(xué)探究．

【例2】(第23題)某同學(xué)要將一量程為250 μA的微安表改裝為量程為20 mA的電流表．該同學(xué)測得微安表內(nèi)阻為1 200 Ω，經(jīng)計算后將一阻值為R的電阻與微安表連接，進行改裝．然后利用一標(biāo)準(zhǔn)毫安表，根據(jù)圖2(a)所示電路對改裝后的電表進行檢測(虛線框內(nèi)是改裝后的電表)．

圖2 例2題圖

(1)根據(jù)圖2(a)和題給條件，將圖2(b)中的實物連線．

(2)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)毫安表的示數(shù)為16.0 mA時，微安表的指針位置如圖2(c)所示，由此可以推測出改裝的電表量程不是預(yù)期值，而是______．(填正確答案標(biāo)號)

A．18 mA B．21 mA

C．25 mA D．28 mA

(3)產(chǎn)生上述問題的原因可能是______．(填正確答案標(biāo)號)

A．微安表內(nèi)阻測量錯誤，實際內(nèi)阻大于1 200 Ω

B．微安表內(nèi)阻測量錯誤，實際內(nèi)阻小于1 200 Ω

C．R值計算錯誤，接入的電阻偏小

D．R值計算錯誤，接入的電阻偏大

(4)要達到預(yù)期目的，無論測得的內(nèi)阻值是否正確，都不必重新測量，只需要將阻值為R的電阻換為一個阻值為kR的電阻即可，其中k=______．

解析:(1)將一量程為250 μA的微安表改裝為量程為20 mA的電流表, 需將一阻值為R的電阻與微安表并聯(lián)，連線如圖3所示．

圖3 電表改裝連線圖

(2)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)毫安表的示數(shù)為16.0 mA時，微安表的指針位置在160，因此滿偏示數(shù)為250時，對應(yīng)為25.0 mA，因此選項C正確．

(3)微安表與阻值為R的電阻并聯(lián)，則兩者的電壓相等，即IgRg=(I-Ig)R,因此I偏大是由于Rg偏大或R偏小造成的，因此選項A，C正確．

(4)根據(jù)IgRg=(I-Ig)R，則

0.25Rg=(25-0.25 )R

0.25Rg=(20-0.25 )kR

評析:試題以電流表的改裝實驗為背景，依據(jù)原理設(shè)計電路，連接實物圖；然后對電表進行校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)基于現(xiàn)象與實際不符的問題，并給出科學(xué)的解釋；通過分析、推理論證，尋找產(chǎn)生問題的可能原因，并結(jié)合實驗原理提出解決問題的方案，給予修正；從而真正實現(xiàn)由解題向解決問題轉(zhuǎn)變．本題重點考查了科學(xué)探究中關(guān)于證據(jù)和解釋的要素，全面考查學(xué)生的實驗探究能力．

考查的必備知識：并聯(lián)電路電流、電壓的關(guān)系，電流表的改裝、校正.

關(guān)鍵能力：設(shè)計實驗、實驗操作、分析現(xiàn)象、問題的分析與排除.

核心素養(yǎng)：設(shè)計性思維和創(chuàng)新性思維等科學(xué)思維，以及問題、證據(jù)、解釋等科學(xué)探究要素．

2 教學(xué)啟示

(1)研讀課程標(biāo)準(zhǔn)，更新教學(xué)理念

高考物理實驗試題設(shè)置探究性或開放性的問題情境，創(chuàng)設(shè)真實的實驗環(huán)境，通過分析、討論或解釋，考查科學(xué)思維和科學(xué)探究等核心素養(yǎng)．

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中最重要的要素之一．在解答實驗題時，需基于實驗?zāi)康摹嶒炂鞑摹嶒炓蟮仁聦嵔?gòu)物理模型即實驗原理，需基于實驗數(shù)據(jù)等事實證據(jù)和科學(xué)推理對所得結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解．

通過設(shè)計新穎的實驗情境，以問題為導(dǎo)向，要求考生將物理實驗知識、方法和技能與新的情境相結(jié)合完成實驗,在較高的層次上考查考生的實驗探究能力．

(2)注重培養(yǎng)實驗方法，提高科學(xué)探究能力

實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，在實驗教學(xué)中不能僅重結(jié)論，要通過再現(xiàn)實驗設(shè)計、操作過程來滲透物理思想，啟發(fā)學(xué)生思路，培養(yǎng)概括、分析、推理能力．例如驗證動量守恒定律的實驗，實驗設(shè)計是利用“等高平拋”的等時性，把無法直接測量的物理量(速度)，轉(zhuǎn)化為可直接測量的物理量(位移)，蘊含了等效轉(zhuǎn)化的思維方法；用油膜法測分子直徑，就是把不能觀察到的微觀分子通過其自身的累積成為可觀察的宏觀油滴的體積和油膜面積的測量，運用了累積的思維方法．實驗的思想、方法是實驗的靈魂，在實驗教學(xué)中不僅要注重學(xué)生實驗操作技能的提高，更要重視實驗方法的指導(dǎo)和深化，有意識讓學(xué)生體會物理實驗的思想、方法．

近幾年的高考題重點考查學(xué)生設(shè)計實驗的能力，要求學(xué)生能根據(jù)要求靈活運用已學(xué)過的物理結(jié)論、實驗方法和儀器設(shè)計簡單的實驗方案并處理相關(guān)的實驗問題．對設(shè)計實驗，學(xué)生需要正確的理論分析，將理論與實驗相結(jié)合分析實驗原理和過程，突出考查了學(xué)生實驗設(shè)計和探究能力．物理實驗教學(xué)中可通過創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生思考應(yīng)怎樣設(shè)計實驗，為什么這樣設(shè)計，能否換一種方法，在此基礎(chǔ)上，通過不同的實驗方案，深刻理解實驗原理，培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．