中英中學物理實驗考題支架構建特點的分析與啟示

蔣昱宸 陳航燕

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215006)

1 問題的提出

實驗是物理學研究的基礎，實驗教學是高中物理課程教學的重要組成部分[1].在高中畢業時，考生還不能獨立進行實驗，這使得學生在進入大學后會感到跨度很大，在大學物理實驗中常常碰壁.筆者在研究時發現，我國的中/高考中均設有實驗題，且實驗題是以問答題的形式出現.與之相比，英國劍橋委員會設立的IGCSE考試(相當于我國的中考)和A Level考試(相當于我國的高考)中設有專門的實驗筆試卷及操作卷.由于英國的物理考試十分重視對實驗技能的培養，因此通過對比分析兩類考試實驗考題，對我國實驗教學的考核會有所啟發.

2 理論建構

在最初接觸到物理實驗操作時，學生離不開教師的指導；在進行實驗類題目答題過程中，也需要根據題干的指引才能順利完成.這些“幫助”，都屬于教育學中的“支架”.這些支架是為了讓學生在學習知識時，能夠擁有一個不斷向上的平臺[2]，從而在心中構筑起知識的高樓大廈.支架的設立最終目的是為了拆除支架后，學生能夠自主“搭建”支架，構建完整的知識體系，學會自問自答，找到解題思路，并能舉一反三，真正融會“支架”思想[3].

根據J Ferreira-Bautista and M Pifarré 的支架理論，支架的類型有概念支架、程序性支架和策略性支架[4].在物理實驗中，概念支架一般為知識支架，即物理量的含義、理論、公式等；程序性支架一般為過程支架，即實驗步驟的設計、為數據處理搭建好的表格等；策略性支架為幫助培養學生思維的支架，如誤差分析支架.

3 國內中考到高考的支架搭建進階

3.1 蘇州中考題支架構建分析

【例1】(蘇州市2019年中考題第30題)題目略.該題涉及的主要知識點及問題如下.

(1)將電路圖連接完整(圖1);

(2)判斷閉合開關前，滑動變阻器滑片所處位置;

(3)給出故障現象，判斷故障原因;

(4)判斷電壓表量程的選取范圍;

(5)求出待測電阻阻值.

圖1 蘇州中考題圖

該題原題有4問，支架構建分析如下：

第(1)問中，搭建了電路圖的概念支架，引出實驗方法.

第(2)問中提供實驗策略支架，引導學生有意識地關注實驗安全事項.

第(3)問中，題干搭建了故障檢驗的過程支架.

第(4)問中搭建好了程序性框架，旨在讓學生脫離定勢思維，拓展學生的思考模式.

這里，提出的方法屬于策略性支架，“均勻電阻絲阻值與長度成正比”屬于知識支架.題干要求利用表中“所有”數據求出電阻阻值，是一個誤差分析支架.題目測量數據表中的3組數據求出的電阻值并不相同，這說明實驗中有隨機誤差，需要多次測量取平均值來提高實驗的準確度.

3.2 江蘇省高考題支架構建分析

【例2】(2020年高考江蘇第10題)題略.該題中的實驗電路圖如圖2所示.題目主要問題表述如下：

(1)將實物電路連接完整;

(2)調節滑動變阻器，在方格紙上作出I-U圖線;

(3)根據I-U圖線，判斷該元件是否為線性元件;

(4)若用導線代替R0，選出可能會導致的后果.

圖2 江蘇高考題圖

不難發現，與中考題相似.

在第(1)問中，給出了實驗圖的概念支架，實驗方法明確.

與中考題相比，在第(2)問中加入了數據處理的要求，但數據直接給出，數據處理表的坐標軸與標度也已經標好，為學生搭建好了數據分析的支架.

在第(3)問中“根據作出的I-U曲線可知”給出了判斷依據，屬于分析支架的搭建.

在第(4)問中搭建了誤差分析和電路安全分析的支架.

3.3 我國中考題與高考題的對比分析

對比我國中考與高考的實驗題，可以發現有以下特點.

3.3.1 都重視電路安全和誤差分析

中考和高考題都考查了電路安全和誤差分析的知識點，這對于考生的實操非常重要.由于中考學生年齡小，思維接受能力有限，所以只考查了隨機誤差的減小方式，但“多次測量取平均值”這一考點頻繁出現，使學生可以通過“死記硬背”的方式解題.高考題對減小誤差的措施沒有考到，可見誤差分析的考查還沒有到位.電路安全方面，中考和高考題都給出了明顯的支架，學生只需要做出判斷.這樣的考查方式并不能讓學生在實際操作時自主地實行保護實驗安全的操作.

3.3.2 在數據處理的要求和電路的復雜程度方面有進階

中考題中的待測電阻是一個定值電阻，而高考題中的待測電阻是一個非線性元件，學生需從I-U圖像的性質中得到所需結論.從數據處理的進階方式可以看出，考題尊重了學生思維發展的特點，高中生處理數據的方式更加抽象.中考題中的電路圖是一個簡單的串聯電路，而高考題中的電路圖是一個混聯電路，這對學生對電路圖原理的掌握程度的要求加深了.

3.3.3 支架沒有明顯減少

中考題中每一問前都有一個支架，高考題中的支架也十分明顯，從電路連接到作數據分析圖，題干都給了明確的指示和要求，尤其是作圖時，坐標標度已經給出.在判斷電路安全與誤差分析時，給出了具體步驟，并指明了選擇的范圍.

4 英國劍橋委員會考試的支架搭建進階

4.1 IGCSE階段試題支架構建分析

【例3】(IGCSE2020年夏季考試第5卷第1題)題目涉及測量白熾燈的電阻.電路圖如圖3所示.主要問題如下：

圖3 IGCSE考試題圖

(2)將燈泡L2與L1串聯.測量電路中的電流I2和燈泡L2兩端的電勢差V2.

(3)將燈泡L3與L1，L2串聯.測量電路中的電流I3，燈泡L3兩端的電勢差V3.

(4)計算R1+R2+R3.

(5)學生們對實驗結果做出了評論.

評論A：R1+R2+R3應當等于3R1；

評論B：R1+R2+R3應當小于3R1；

評論C：R1+R2+R3應當大于3R1.

哪個評論與你的結果吻合？根據你的結果證明你的答案是正確的.

(6)一名學生想要研究第(5)問中的陳述對于3個相同的串聯的燈泡是否總是正確的.請說明他應該改變的變量，以及如何改變.

IGCSE的考試給出了非常明確與細致的過程支架，對學生所有的操作步驟都有著明確的指示.

在第(6)問中要求在支架的指引下對實驗進行設計.

通過對題目的分析可以總結出IGCSE具有以下特點.

4.1.1 重視測量

這一道考題中出現了6次測量，對學生的動手能力以及數據的讀取有著要求.測量能力是物理學中最基礎的能力，若是沒有掌握測量的方法，則很難獲得科學的數據，也無從得出科學的實驗結論.IGCSE對基礎性實驗能力的重視值得引起我們的關注.

4.1.2 讓學生在實驗中感受實驗安全

與國內中考題相似，IGCSE在考查中也涉及到了實驗安全.但不同的是，國內中考是采取讓學生判斷如何操作才能保證實驗安全，而IGCSE考試是利用明確的操作指示，讓學生在實驗中感受到實驗規范，在做實驗時處處牢記實驗安全.

4.1.3 重視實驗過程而不是理論

在(5)問中，由于實驗中必然存在誤差，且小燈泡也并非嚴格的線性原件，導致了實驗測出的數據很難得出理論上的相等結論.但評分標準上明確寫著，只要寫出的評論與實驗數據相符即可.這種沒有所謂的“正確而唯一”的答案的評分方法，能夠培養勇于嘗試的科學精神.

4.2 AS階段試題支架構建分析

【例4】(AS學年段2020年實驗考試第1題)題目略.實驗圖如圖4所示.主要問題表述如下.

圖4 AS考試題圖

(1)記錄電阻阻值R.接通開關，記錄電壓表的讀數V后，斷開開關.

(2)改變R處的電阻，重復(1)，直至得到6組R和V的讀數.自行設計記錄表記錄結果.

利用你在第(3)問(ⅲ)中得到的結果，求出A和B.

AS考試相當于我國高二結束后參加的考試.AS階段電學實驗考試具有以下特點.

4.2.1 電路復雜程度與數據處理進階

AS考試的電路圖是混聯電路，電路的復雜程度升高也直接影響了電路連接的難度.學生從測量中得到的數據，需設計出合適的表格來記錄.并且，此階段的考試加入了作圖要求，作圖的坐標標度未知，學生需根據自己記錄的數據找到誤差最小的作圖方法.這說明，在數據處理部分，題干給出的支架已經十分有限.

4.2.2 不拘泥于學過的知識

在題目的后半部分，題干給出的理論沒有在書本上出現過，這使得實驗試題不僅僅是將學習過的知識重演.當學生發現自己測出的實驗數據經過分析可以得出新的物理量之間的關系時，可以大大增強其學習信心，激發學生探索新知識的積極性和學習興趣.

4.3 A Level階段試題支架構建分析

【例5】圖5所示為發光二極管.某學生正在研究LED發光所需電勢差V和發出光的波長λ之間的關系.

有人認為這種關系是：

V=kλn

請設計一個實驗來測試V和λ之間的關系.解釋如何用你的結果來確定k和n的值.畫圖表示你對實驗儀器的擺放方式.在你的設計中，需特別注意：應遵循的程序、要進行的測量、控制變量、數據分析、任何要采取的安全預防措施.

圖5 發光二極管及其符號

A Level階段的實驗考題主要考查實驗規劃、分析與評估.有以下特點.

4.3.1 支架基本全部拆除

該題要求學生自己根據題意，設計實驗步驟.此時，題干中已經沒有對該實驗的操作步驟提示，只給出了實驗目標.這說明，在參加這場考試前，學生對實驗的流程與方法應當已經充分掌握.題干中提到的5點注意事項就是曾經考試中(IGCSE和AS階段考試)搭建過的支架，學生需要將曾經的支架內化，才能完成A Level階段的挑戰.

4.3.2 與實際問題貼近

此題的實驗背景是測量二極管的特性，二極管是我們生活中常見的電路元件，因此問題的設置與實際情境相似.并且，在實際的物理探究問題中，我們也是先找到要探究的問題，再查詢相關資料，找到可能合適的理論，再設計實驗，最終進行實驗.本題的探究過程和實際物理探究的過程是相符的.

5 國內考試與英國劍橋委員會考試的對比

5.1 我國中學階段的實驗考試缺少支架拆除階段

國內的中考和高考題的模式是相似的，學生可以沿著題目的支架前進，讓學生產生了依賴性，這也是高考后學生并沒有掌握自主實驗能力的可能原因之一.而A Level階段的考試，將支架全部拆除，讓學生自己設計實驗，這種方式讓學生對完成實驗的整個過程都有了自己的思考，有助于學生實驗能力的升級.

5.2 我國的考試沒有動手操作模塊

相比于英國的IGCSE考試與AS階段的考試都考核了動手操作部分，我國在實驗操作部分就顯得有些薄弱.在理論層面上，我國考試的要求是高于英國的考試要求的，但理論知識的掌握程度并不能完全替代實驗操作的重要性.當理論沒有實驗佐證時，物理學習就會脫離實際.

5.3 我國考試的背景較書本化

我國考試題目的背景都是學生經過平時反復訓練的物理模型.這使得實驗題充滿了“套路”.學生面對實驗題不再思考“實驗技巧”而是“解題模板”，這樣當他們接觸到物理實驗時，實驗情境與套路不相符了，他們的知識庫就無法調動了.而A Level階段的考試會選擇生活中的“實驗器材”，沒有固定的套路，學生就只能注重于培養自己的實驗能力了.

6 啟示

從評價的特點來看，實驗考核的目的是為了提高學生的實驗技能.從支架教學的原理來看，只有拆除了支架才能代表學生真正掌握了知識.我國中考對實驗的整個流程都搭建了完整的支架，這說明我國在初中階段對培養學生的實驗素養十分重視，“搭支架”的過程考慮全面，且不失趣味性.而我國的高考對實驗的重視程度有所下降，實驗題形式單一，且難度較低.特別是支架的設立依然很多，對學生的要求停留在了初級階段.相比之下，IGCSE的考試支架設立完整，難度遠低于我國中考的難度，但其對基本物理能力——“測量”的重視，值得引起我們的關注.IGCSE考試給學生傳達的思想，即實驗數據比理論更加可靠的思想，也是我國沒有涉及到的.AS考試和我國的高考題難度類似，但我國沒有對實驗操作的要求，使得AS考試考查的實驗題的含金量更高.從IGCSE到AS階段，學生的實驗能力進步更快，這說明對基本實驗操作的培養是有助于實驗教學和學生實驗能力的進階的.A Level考試相當于我國的高考，但A Level考試對考生的要求已經相當于我國大學普通物理的要求.這樣的安排使得學習A Level課程的學生在進入大學后更容易適應大學的物理課程.