一道“物理范”實驗題的成題依據分析及反思

黃正玉　姚中化

摘 要：模擬考試實驗題的編制需要體現“物理范”.“范”者亦為“fun”也，“物理范”應表現為“有趣”的，讓人愉悅的.“物理范”，首先是指物理學科教學需要遵循的法則和規律，也可以指具有物理風采、物理氣質和物理風格.

關鍵詞：物理范;核心素養;大規模考試;實驗題

文章編號：1008-4134（2019）19-0060中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

新課程標準首次凝練了物理學科核心素養.然而，有些素養是可以考核的，有些素養在筆紙考試中還是不方便考核的.因而怎樣較好地考核學生的核心素養，是大規模考試命題中必須考慮的核心問題.

1 模擬原題再現

[深圳 2018第二次模擬試題]22.某同學從實驗室天花板處自由釋放一鋼球，用頻閃攝影手段驗證機械能守恒，頻閃儀每隔相等的時間短暫閃光一次，照片上記錄了鋼球在各個時刻的位置.

（1）操作時比較合理的做法是

A.先打開頻閃儀再釋放鋼球 B.先釋放鋼球再打開頻閃儀

（2）頻閃儀閃光頻率為f，拍到整個下落過程中的頻閃照片如圖1（a）所示，結合實驗場景估算f的可能值為

A.0.1HzB.1HzC.10HzD.100Hz

（3）用刻度尺在照片上測量鋼球各位置到釋放點O的距離分別為s1、s2、s3、s4、s5、s6，及鋼球直徑，重力加速度為g.用游標卡尺測出鋼球實際直徑D，如圖1（b）所示，則

D=cm.計算出實際直徑與照片上鋼球直徑之比為k.

（4）選用以上各物理量符號，驗證從O到A的過程中鋼球機械能守恒成立的關系式為

2gs5=.

2 成題依據分析

（1）“范”者法也，指的是規律和法則，因而“物理范”首先是指物理學科教學需要遵循的法則和規律.

物理學科是一門以實驗為基礎的自然科學，因而實驗題最能反映物理學科性質和特點.本題的設問方式要求學生必須具有一定的實踐意識和一定的實驗情景還原能力.

游標卡尺的讀數屬于基本儀器的使用，試題設置了為解決照片放大率而需要做的一個步驟，具有一定的任務驅動.

起初的打點計時器的考核題目設置在第一問，設問顯得純粹為了讀數而讀數.設問如下.

問1 右圖游標卡尺的讀數為.

本題第二問的解答需要學生一定的實踐經驗和實踐意識.比如說要求學生對教室的高度有一定了解，知道教室高度大約是2.5-5m，再估算出下落時間大約是0.7s-1.0s.因而知道若頻率為1Hz，則最多只能有一個空中的像點;若頻率為10Hz，則剛好有7-10個空中小球，與題目提供的照片吻合，故答案為10Hz.

同樣的，對第一問的回答，要求學生對自由落體運動之快，或者說下落時間之短有一個基本認識.如果知道下落時間短，自然就知道應該先打開頻閃儀再釋放紙帶了，也就是第一問答案為A.

物理學史上，伽利略利用斜面研究自由落體運動，也就是認識自由落體時間之短和計時儀器的缺乏之間的矛盾，所采取的“稀釋”重力的可行方法.對物理學史的了解和尊重，實際上就是認識到科學是邏輯和想象相結合的產物，認識到科學研究試圖確定和避免偏見、反對權威的功能.從這個角度來看，本題體現了科學態度和責任的核心素養維度.

本題的設問區別于常見的已知高度算時間的題目.起初的設問方式如下，就缺乏物理氣質和物理風格，設問方式俗套.

問2 已知頻閃儀閃光頻率f=10Hz，拍到整個下落過程中的頻閃照片如圖1（a）所示，求A點對應的速度vA=.

（2）“有范兒”指的是有風度、有風采和有格調，故此“物理范”可以指具有物理風采、物理氣質和物理風格.

新課程標準的核心素養之一—科學思維，本題的物理范體現在解答本題需要分析和綜合、抽象與概括以及邏輯推理等科學思維.

先需要分析照片中的尺寸與實際距離存在一定的比例，也就是用題目中給定的k來表示.平時教學是對下落物體抽象為自由落體，而解答問題實際上是一個還原過程，需要清楚地認識整個實驗操作過程.最后利用邏輯推理，完成最后一問的解答.邏輯推理過程如下：

動能增量ΔEk=12mks6-ks42T2=18mk2（s6-s4）2f2.勢能減小量ΔEp=mgks5，需要驗證ΔEp=ΔEk.整理可得2gs5=kf2（s6-s4）24.

這種嚴密的邏輯推理是數理學科獨有的思維方式，是最能體現物理風采和氣質的核心素養.

（3）“范”者亦為“fun”也，物理范應該是“有趣”的，讓人愉快的.

物理老師實際教學中應該創設各種創新物理實驗，為學生提供各種可能的實踐機會.也可以借鑒目前網上的一些公開資源.如網易公開課上有一個視頻，沃爾特·略文（Walter Lewin） 教授在MIT物理學科教室做的自由落體頻閃照片（如圖2），由同學回答看到小球空中下落過程的球的個數，整個課堂趣味盎然，學生在愉悅的心情下體驗自由落體真實情景，體驗頻閃攝像的等時性.實驗過后，那句“See you next Friday！”，讓物理學生在接下來的學習中都會沉浸在愉悅的心情和對未知世界的期待之中.“物理范”表現在讓學生保持一顆對未知世界的好奇心和探索欲望.所以命題過程中命題者需要有一個有趣的真實的情景，努力體現物理學科“fun”的特征.

3 測后反思改進

測試結果反映前三問的難度在0.5-0.65之間，比較理想.遺憾的是最后一問創新性不足，但是作為大規模考試試題真正測試下來，發現效度和難度都沒有達到理想狀態.建議作如下改動，就可以大大提高得分率，克服情景過于新穎而對試題難度帶來的不利影響，體現該題對優秀學生的選拔功能.

問4 驗證從O到A的過程中鋼球機械能守恒成立的關系式為：2gs5=.（用s4、s6、k和f表示）

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2019-01-25）