中學物理實驗素養測評試題開發*
——以“測量彈簧的勁度系數”為例

張書良

(梅州市教研室 廣東 梅州 5140215)

物理學科核心素養作為后天習得的關鍵品格和必備能力，其每個方面的形成必然遵循獨特的學習心理機制[1].為了激發學生的物理學習興趣，提高學生的科學思維能力和實驗探究能力，使學生的物理學科核心素養真正落到實處，為了準確考察中學生的物理實驗操作能力，需要借助于物理實驗[2].筆者作為地市教研員舉辦了7屆“中學生物理實驗能力操作比賽”和1屆“中學物理教師常規實驗操作比賽”，活動成效顯著，對所在地區的物理實驗教學與研究具有較大的影響.基于多年的物理實驗素養測評試題命制的經驗，本文以“測量彈簧的勁度系數”為例，闡述實驗素養測評試題的開發策略，以供同仁參考.

1 選定命題范圍 確定研究問題

物理實驗教學是物理教學的重要組成部分，是培養學生操作技能的主要途徑，更是培養學生科學探究能力的重要手段[3].根據《中學物理課程標準》的內容標準要求，“測量彈簧的勁度系數”屬于高一必修1內容，根據《物理高考考綱》要求，“測量彈簧的勁度系數”屬于高考13個必考實驗之一，其在中學物理課程中的地位非常重要.因此，從不同角度以不同的能力要求對該實驗進行考查，既符合課程標準和考綱要求，又具有較好的命題價值與學術價值.

2 根據研究問題 設計實驗方案

2.1 分析物理量的具體屬性和試題場景

圍繞研究問題所涉及的物理量，分析該物理量的物理性質與物理意義，尋找與該物理量相關的物理概念和規律，再根據物理概念和規律的具體屬性，構建物理量的相關試題場景.然后考慮是否存在直接測量該物理量的工具？如果沒有，通過其他什么物理量或規律可以間接測量該物理量？下面以如何測量彈簧的勁度系數作為案例，按照上述流程設計如下：

(1)確定實驗目的：測量彈簧的勁度系數.

(2)確定實驗研究對象：本實驗測量彈簧的勁度系數，實驗的研究對象即為彈簧.

(3)確定實驗研究對象的屬性和試題場景.

要測量彈簧的勁度系數，不妨先回憶相關的彈簧場景(比如：彈簧測力計、用彈簧彈射小球、彈簧振子等……)；確定待測物理量——彈簧的勁度系數；是否存在直接測量讀取彈簧勁度系數的儀器——沒有；確定彈簧的勁度系數可能與其他物理量之間的關系……

結合中學物理實驗教學場景可知：彈簧測力計、彈簧彈射小球等場景中，彈簧都受到了外力作用，并且彈簧都發生了形變.彈簧的勁度系數與彈簧的受力與形變程度有關.

基于上述場景，可以用胡克定律描述彈簧的勁度系數與受力、形變程度的定量關系，也可以根據簡諧運動的回復力公式描述彈簧的勁度系數與受力、形變程度的定量關系.

2.2 根據屬性和場景 形成不同的實驗原理和對應方案

根據物理量的物理屬性以及物理場景，分析不同物理場景涉及的實驗原理，形成對應的實驗方案.

方案一：通過讓彈簧受力伸長(原理：胡克定律)；

方案二：構成彈簧振子，讓彈簧振子做簡諧振動(原理：彈力使物體做簡諧振動).

……

2.3 根據不同實驗原理 確定各方案的待測物理量

實驗原理是依據各物理場景改造后的物理概念或規律.那么，如何根據實驗原理使物理量的測量更可行與方便呢？根據上述實驗方案，確定其待測物理量如表1所示.

2.4 形成各待測物理量的測量方案 確定測量原理 器材和數據處理方法

確定待測物理量后，如何具體測量這些物理量則構成了新的子任務，這些待測物理量的測量同樣可以運用上述各方案進行再分析：待測物理量是否直接測量，可否利用物理量的相關屬性進行間接測量；確定測量方法后，如何確定最終的測量儀器；如何根據測量方案確定數據處理的方法.根據上述分析思路，對物理量的測量方案細化后如表2和表3所示.

表2 測量方案一

表3 測量方案二

3 根據實驗方案 確定考查的必要技能

根據上述實驗方案，確定各實驗方案所需的必要技能，該技能包括理解層次與運用層次兩個方面.

理解層次包括：物理概念和規律的理解；儀器使用原理和操作方法的理解；實驗數據處理方法的理解等.

運用層次包括：能夠運用場景涉及的物理概念和規律；能利用相應的物理公式進行運算；能根據實驗儀器的操作原理進行科學操作；對實驗數據進行分析、處理等.下面分別對兩個方案進行說明，如表4和表5所示.

表4 測量方案一說明

表5 測量方案二說明

4 根據實驗類型及考查技能 設置考試內容與提示卡

知道各方案所需要具備的必要技能之后，教師可選擇期望考查的必要技能，確定實驗類型及內容，并設置相應的提示卡,如表6所示.實驗類型可分為儀器操作、實驗方案設計和物理實驗設計(綜合)3種.

表6 提示卡設置關系表

下面以方案二(利用簡諧振動)作為考查方案，根據3種不同實驗類型設置不同的考試題與提示卡.

4.1 儀器操作

4.1.1 考查技能

考查學生對實驗儀器的使用步驟以及學生對裝置的連接等.例如：在不提供使用說明的情況下學生是否能使用光電門？在不提供裝置連接圖時能否根據給出的方案設計裝置圖？

4.1.2 實驗內容(第七屆比賽第1題)

(1)實驗器材：勁度系數待測的彈簧1個,擋光片1塊,12007型數字計時器(帶光電門)1臺,200 g重錘1個,固定夾和鐵夾各1只,鐵架臺1個.

(2)實驗原理：物體在平衡位置附近做往返周期性的運動叫簡諧振動，如圖1所示.

圖1 簡諧振動示意圖

下端掛物體的彈簧沿豎直方向懸掛，稱為彈簧振子.如果物體只受重力及彈力的作用，它會以平衡位置O點為中心，在AB間做往返運動(簡諧振動)，振動周期為

式中π為圓周率，當彈簧質量忽略不計時，m為振子(物體)的質量，κ為彈簧的勁度系數.可以通過使物體做簡諧振動來對彈簧的勁度系數進行測量.

(3)實驗要求：

1)列出彈簧勁度系數κ的表達式及大小.根據以上實驗原理，畫出實驗裝置圖；

2)根據實驗裝置圖，將各實驗儀器組裝成實驗裝置，運用連接好的實驗裝置收集數據；

3)對收集的數據進行分析和處理，并分析實驗可能存在的誤差及其對測量結果的影響.

4.1.3 提示卡設置

(1)提示卡1：裝置圖的連接如圖2所示.

圖2 裝置連接圖

(2)提示卡2：光電計時器的使用說明(光電計時器的使用是實驗實施過程中的核心，也是題目主要考查的技能.因此將光電計時器的使用說明設置為提示卡2).

4.2 實驗方案設計

4.2.1 考查技能

側重理解層次的考核，考查對胡克定律、彈簧回復力等概念的理解以及依據相關原理進行實驗設計的能力；同時，也對器材的使用原理進行考查.

4.2.2 實驗內容

(1)實驗器材：刻度尺、彈簧一根、質量為m的重物、秒表、光電門.

(2)實驗要求：請你根據提供的實驗器材，設計出至少兩種你認為可行的、測量原理不同的測量彈簧勁度系數的實驗方案.

4.2.3 提示卡

提示卡可以對提供的實驗器材的用途進行說明.

4.3 物理實驗設計(綜合)

4.3.1 考查技能

關注理解、運用層次內容的綜合考查，對學生的要求更高，例如：如何就給出的實驗儀器進行設計實驗方案，并對設計好的實驗方案進行實施.需要學生熟悉彈簧振子的簡諧振動，了解簡諧振動周期與勁度系數的關系，并能夠設計出相應的實驗方案.需要學生能根據實驗方案，會操作各實驗儀器，并能夠收集數據、處理數據.

4.3.2 實驗內容

(1)實驗器材：勁度系數待測的彈簧1個,擋光片1塊,12007型數字計時器(帶光電門)1臺,200 g重錘1個,固定夾和鐵夾各1只,鐵架臺1個.

(2)實驗要求：

1)根據提供的實驗器材(提供各儀器的使用說明)，設計一個能測出勁度系數κ的實驗方案，闡明實驗原理；

2)寫出彈簧勁度系數κ的表達式，畫出實驗裝置圖，并根據實驗裝置圖將各實驗儀器組裝；

3)運用連接好的實驗裝置收集數據，對收集到的數據進行分析和處理，并分析實驗可能存在的誤差及其對測量結果的影響.

4.3.3 提示卡設置

當學生對該題沒有思路時，可以申請使用提示卡，但使用提示卡會扣一定的分數.

(1)提示卡1：實驗原理.

物體在平衡位置附近做往返周期性的運動叫簡諧振動.如圖1所示，下端掛物體的彈簧沿豎直方向懸掛，稱為彈簧振子，物體受重力及彈力的作用，以平衡位置O點為中心，在AB間的往返運動就是簡諧振動.其振動周期為

式中π為圓周率，當彈簧質量忽略不計時，m為振子(物體)的質量，κ為彈簧的勁度系數.

(2)提示卡2：實驗裝置圖的連接如圖2所示.

5 結束語

中學物理實驗素養測評試題的命制是一項有高難度的工作，命題應符合科學性、可操作性、時代性等基本原則.本文以“測量彈簧的勁度系數”為例闡述了實驗素養測評試題的開發策略，主要包括：選定命題范圍，確定研究問題；設計實驗方案；確定考查技能；設置考試內容與提示卡等4個方面.其他實驗素養測評試題的命制也可以類似的方案進行.當然，試題的可靠性必須經過實際操作測試，本文不再作詳細闡述.