注重科學(xué)思維考查 提升學(xué)生科學(xué)探究能力*——以 2021年1月浙江省選考物理實(shí)驗(yàn)題為例

葉晟波 戎 杰 陳 瓊

(浙江省慈溪中學(xué) 浙江 寧波 315300)

物理學(xué)是基于觀察和實(shí)驗(yàn)的一門自然學(xué)科，高中物理課程提倡學(xué)生具有科學(xué)探究意識，了解和掌握探索自然科學(xué)的科學(xué)思維與方法，而物理實(shí)驗(yàn)是訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的最佳途徑，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ彩俏锢怼陡呖伎荚嚧缶V》明確要求考查的“五種能力”之一.2021年1月浙江省物理選考試題中的兩個實(shí)驗(yàn)題，既強(qiáng)調(diào)基本知識、基本方法和基本規(guī)律，又適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生拓展創(chuàng)新和變式訓(xùn)練，考查了學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)基本技能和科學(xué)思維，提升了學(xué)生物理核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究能力.

1 探究性實(shí)驗(yàn)考查學(xué)生思維

1.1 基于教材的力學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)

高中物理實(shí)驗(yàn)可以大致分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)和測量性實(shí)驗(yàn)，其中探究性實(shí)驗(yàn)是人類探索未知的重要手段，它側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的思維方式和方法.

【例1】(2021年1月浙江省普通高校招生選考物理試題第17題力學(xué)實(shí)驗(yàn)題[1])(1)用如圖1所示裝置進(jìn)行“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn).裝有砝碼的盤用繞過滑輪的細(xì)線牽引小車，盤和砝碼的重力可當(dāng)作牽引力.小車運(yùn)動的位移和速度可以由打點(diǎn)紙帶測出，以小車為研究對象，改變砝碼質(zhì)量，便可探究牽引力所做的功與小車速度變化的關(guān)系.

(1)關(guān)于這個實(shí)驗(yàn)，下列說法正確的是______；

A.需要補(bǔ)償小車受到阻力的影響

B.該實(shí)驗(yàn)裝置可以“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”

C.需要通過調(diào)節(jié)定滑輪使細(xì)線與長木板平行

D.需要滿足盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量

圖1 “探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置圖

(2)如圖2所示是兩條紙帶，實(shí)驗(yàn)時打出的應(yīng)是第______條(填寫“Ⅰ”或“Ⅱ”)紙帶；

圖2 實(shí)驗(yàn)打出的兩條紙帶

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上畫出的W-v2圖像是一條過原點(diǎn)的直線，據(jù)此圖像______(填“能”或“不能”)求出小車的質(zhì)量.

“探究功與速度變化的關(guān)系”是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理2第七章中的一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課，課程目標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生認(rèn)識功和速度變化的關(guān)系，為下節(jié)課定量描述動能和動能定理打下基礎(chǔ).教材中提供了兩種實(shí)驗(yàn)方案：分別從“恒力做功與速度變化的關(guān)系”和“變力做功與速度變化關(guān)系”兩個角度對這一規(guī)律進(jìn)行探究，本次選考的力學(xué)實(shí)驗(yàn)從恒力做功的角度進(jìn)行了測試.功的大小等于小車所受的合力與小車位移的乘積，當(dāng)盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量及補(bǔ)償小車受到阻力后，功的大小等于盤和砝碼的重力與小車位移的乘積即W=Fx≈mgx[2].

那么如何改變恒力做功？采用控制變量法：(1)不改變小車?yán)Γ瑴y量不同位移下的速度變化，在拉力確定的情況下，功與位移成正比，測出砝碼和盤的質(zhì)量m，測出不同位移x及其對應(yīng)的小車速度v.這種方案可以分兩種，在表1中具體討論.(2)通過改變質(zhì)量m改變小車?yán)，測出小車不同拉力F下功W與所對應(yīng)的速度v.這節(jié)實(shí)驗(yàn)課重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，下面從實(shí)驗(yàn)原理、是否平衡摩擦、如何減小系統(tǒng)誤差、圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、如何形成合理結(jié)論5個方面，分析此實(shí)驗(yàn)對學(xué)生科學(xué)思維的考查，如表1所示.

表1 分析學(xué)生科學(xué)思維的考查表

1.2 高于課本的電磁學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)

【例2】(2021年1月浙江省普通高校招生選考物理試題第18題電學(xué)實(shí)驗(yàn)題[1])(2)在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，可拆變壓器如圖3所示.為了減小渦流在鐵芯中產(chǎn)生的熱量，鐵芯是由相互絕緣的硅鋼片平行疊成.硅鋼片應(yīng)平行于______(單選).

圖3 可拆變壓器

A．平面abcdB．平面abfe

C．平面abghD．平面aehd

“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-2第五章中的一節(jié)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究課.實(shí)驗(yàn)考查的角度比較新穎，通過可拆變壓器硅鋼片的疊放位置考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)儀器的熟悉程度和如何減小渦流.教材中有“可拆變壓器零部件”和“組裝后的變壓器”兩幅圖[3]，如果學(xué)生親自拆裝過變壓器，那么自然會知道變壓器的硅鋼片如何疊放，也會在實(shí)驗(yàn)情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問題，硅鋼片為什么這么疊放？能讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想，萌發(fā)出科學(xué)問題，這有利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).學(xué)生解決問題能力的高低，取決于學(xué)生將實(shí)驗(yàn)情境與知識相聯(lián)系的水平，本題中學(xué)生需要立足教材的基本概念與規(guī)律，分析鐵芯中的磁路，用能量觀念思考并運(yùn)用科學(xué)思維分析，當(dāng)鐵芯疊放和磁路方向垂直時，產(chǎn)生的渦流通過的電阻面積最小，電阻最大，從而使渦流引起的能量損耗最小.

高考探究性實(shí)驗(yàn)題對科學(xué)思維的考查，對中學(xué)教師課堂教學(xué)有積極導(dǎo)向作用.它促使教師設(shè)計(jì)高階學(xué)習(xí)活動培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力和素養(yǎng)，對提高學(xué)生科學(xué)思維、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理實(shí)際問題的能力以及創(chuàng)新思維有極大的益處.

2 設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查提升科學(xué)探究能力

電學(xué)實(shí)驗(yàn)的測量方法具有多樣性、開放性、探究性的特點(diǎn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和科學(xué)探究能力，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

【例3】(2021年1月浙江省普通高校招生選考物理試題第18題電學(xué)實(shí)驗(yàn)題[1])(1)在“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”實(shí)驗(yàn)中：1)用如圖4所示的電路圖測量，得到的一條實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合線如圖5所示，則該電池的電動勢E=______V(保留3位有效數(shù)字)；內(nèi)阻r=______Ω(保留2位有效數(shù)字).

圖4 實(shí)驗(yàn)電路圖

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合線

2)現(xiàn)有如圖6所示的實(shí)驗(yàn)器材，照片中電阻箱阻值可調(diào)范圍為0～9 999 Ω，滑動變阻器阻值變化范圍為0～10 Ω，電流表G的量程為0～3 mA、內(nèi)阻為200 Ω，電壓表的量程有0～3 V和0～15 V.請?jiān)趫D6中選擇合適的器材，在答題紙相應(yīng)方框中畫出兩種測定一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻的電路圖.

圖6 實(shí)驗(yàn)器材

2.1 突出電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性 鼓勵學(xué)生探究

“伏安”法測電阻，是高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題常見的一類試題，它注重考查學(xué)生基礎(chǔ)知識的掌握情況和應(yīng)變能力.類比伏安法測定值電阻，本實(shí)驗(yàn)(1) 中的第1)題采用“伏安法”測電源的電動勢和內(nèi)阻.試題給出了實(shí)驗(yàn)電路圖和體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的U-I圖像，學(xué)生需要理解相關(guān)概念，搞清楚實(shí)驗(yàn)所根據(jù)的物理知識，再用物理知識把物理問題通過U-I圖像轉(zhuǎn)譯成物理規(guī)律，賦予斜率、截距圖像元素內(nèi)阻和電動勢的物理意義，從而簡捷、合理地測出干電池的電動勢和內(nèi)阻.第1)題考查的問題能很好地體現(xiàn)學(xué)生對基本方法的掌握情況，該題重視實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，積極鼓勵學(xué)生掌握物理基本理論，引導(dǎo)教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注重基本實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和實(shí)踐操作的指導(dǎo)，從而提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)用能力和科學(xué)探究能力.此題還考查了有效數(shù)字，任何測量都是有誤差的，有效數(shù)字運(yùn)算的確定原則比較復(fù)雜[4]，中學(xué)階段不做要求，但其對學(xué)生養(yǎng)成正確記錄與計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究的素養(yǎng)有重要作用，所以高中階段需要學(xué)生理解誤差和有效數(shù)字概念，而實(shí)驗(yàn)運(yùn)算結(jié)果一般取2位或3位有效數(shù)字就可以了.

2.2 增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的開放性 提升科學(xué)思維

第18題的第2)題是采用現(xiàn)場拍攝實(shí)驗(yàn)場景，將照片呈現(xiàn)在考生面前，讓學(xué)生身臨其境.照片給出7種電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材，讓考生選擇合適的器材，設(shè)計(jì)測定一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻的2種方案.與以往相比，除了注重對實(shí)驗(yàn)基本原理、數(shù)據(jù)處理的考查，新增了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的考查，此題學(xué)生的錯誤率還是比較高的，我們先來看一下學(xué)生出錯的幾個主要原因.

(1)由于滑動變阻器具體阻值未知，學(xué)生設(shè)計(jì)的電路無法測出E和r，最常見的滑動變阻器分壓接法如圖7(a)所示，流過滑動變阻器的電流未知如圖7(b)和(c)所示.這種錯誤，學(xué)生根本不理解實(shí)驗(yàn)的原理.

圖7 常見的錯誤電路圖

圖8 常見的錯誤電路圖

(3)在第18題第1)題中，由圖像得到電池的電動勢E=1.45～1.47 V；內(nèi)阻r=0.63～0.67 Ω.如圖8(b)，若G表兩端的電壓達(dá)到滿偏0.6 V，電源(假設(shè)E=1.45 V,內(nèi)阻r=0.65 Ω)內(nèi)阻分得的電壓約為0.85 V，那么G表和電阻箱的并聯(lián)電阻為0.45 Ω，電阻箱的電阻約為0.45 Ω，而照片中的學(xué)生用電阻箱最小擋位是1 Ω，不能調(diào)到零點(diǎn)幾歐，因此不符合實(shí)際情況.

(4)如圖8(c)把G表和變阻箱并聯(lián)，改裝成較大量程的電流表，再把滑動變阻器作為定值電阻使用進(jìn)行串聯(lián)，顯然學(xué)生沒有搞清楚滑動變阻器的工作原理，也無法測出電池的電動勢和內(nèi)阻.

(5)還出現(xiàn)的一些常見錯誤，如學(xué)生對滑動變阻器、電阻箱電路符號不會畫；電路原理圖上沒有加開關(guān)；沒有弄清題意，如電路圖中出現(xiàn)多個相同用電器；題中出現(xiàn)了沒有給的用電器；將G表畫成安培表等.

圖9 教材中的3種基本實(shí)驗(yàn)電路圖

再向“創(chuàng)新”要成績.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案源于教材但不拘泥于教材，將3個基本方案與題目中問題信息相互作用，利用題中已有信息，得出2種合理的方案.“伏安法”需要合適量程的電壓表和安培表，已給的G表的量程為3 mA可以并聯(lián)一個電阻箱，阻值約為1 Ω，改裝成量程為0.6 A的電流表，如圖10(a)所示.“伏阻法”可以根據(jù)教材基本電路圖用變阻箱和電壓表來測電源的電動勢和內(nèi)阻如圖9(b)所示，類比伏阻法，圖10中(b)、(c)、(d)也可以測量.那么此題能否用變阻箱和電流表利用“安阻法”來測定呢？從誤差角度來看，電學(xué)實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)方案需要考慮測量結(jié)果的精確度，“安阻法”可以準(zhǔn)確測定電動勢，但測得的內(nèi)阻r測實(shí)際為電源內(nèi)阻r真和安培表內(nèi)阻rg之和，而安培表內(nèi)阻為200 Ω，那么r真=r測-rg=r測-200，實(shí)驗(yàn)中由于儀器、讀數(shù)、數(shù)據(jù)處理方式等引起的誤差會全部降落在電源內(nèi)阻上，加之電源內(nèi)阻比較小，有可能為負(fù)值，此方法測量電源內(nèi)阻誤差可能會比較大，所以此題的電路圖用伏安法、伏阻法比較合適.學(xué)生如能對3種基本電路圖原理清楚，必能靈活遷移.

圖10 其他可行的電路圖

順應(yīng)教育發(fā)展的高中物理教育應(yīng)以發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標(biāo)[6]，我們的高考實(shí)驗(yàn)試題應(yīng)緊隨社會發(fā)展，順應(yīng)時代變化，指導(dǎo)教師結(jié)合學(xué)科核心素養(yǎng)要求開展科學(xué)探究活動.(1)堅(jiān)持物理概念、規(guī)律與方法的深度學(xué)習(xí)，理解知識的本質(zhì)，建構(gòu)知識的意義，形成科學(xué)探究的基本素養(yǎng).(2)把實(shí)驗(yàn)活動的思想、方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識能力和思維方式.(3)通過對探究性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的考查，使教師的物理教學(xué)過程成為學(xué)生科學(xué)探究能力的形成過程，使學(xué)生學(xué)會方法遷移，加強(qiáng)對知識的感悟，精心培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和高階思維能力，最終提升學(xué)生的物理素養(yǎng).