真實情境實驗試題的“一面旗”功能

姚中化 黃正玉

(1. 深圳市教育科學研究院，廣東 深圳 518021； 2.深圳市第二實驗學校，廣東 深圳 518021)

教育部考試中心指出,高考命題將繼續堅定正確的政治方向,緊緊圍繞高考的核心功能,上好“立德樹人一堂課”、做精“服務選才一把尺”、樹好“引導教學一面旗”．本文通過幾個實際案例分析,真實情境實驗試題如何引導教學的．

1 真實情境實驗試題可以引導學生走出死記硬背

案例1.小車與滑板間的摩擦還是小車與桌面間的摩擦?

(2021年深圳一模)(7分)圖1為“驗證加速度與質量關系” 的實驗裝置,圖2為同時釋放小車甲、乙后打出的兩條紙帶(相鄰計數點間均有4個點并未畫出)．忽略繩子的質量以及滑輪與繩子間的摩擦．

圖1

圖2

(1) 測量得到各相鄰計數點間的距離如表1所示(單位:cm).

表1

可以判斷桌面上運動的小車______(填“甲”或“乙”)的加速度較大．請通過定量分析,說明你的判斷依據:

(2) 測得甲、乙兩車質量分別為M1、M2,加速度分別為a1、a2,若在誤差允許范圍內滿足____________(用a1、a2、M1、M2表示),則驗證了加速度與質量的關系．

(3) 欲得到(2)中的實驗結論,下列操作必要的有________

(A) 連接小車的細繩與桌面平行.

(B) 平衡兩小車和桌面間的摩擦力.

(C) 用天平測量動滑輪和鉤碼的總質量.

實驗創新點: (1) 第1問設置的加速度判斷屬于重點必考,但是增加的“通過分析說明判斷依據”這一空,考核的是學生的“推理論證能力”,屬于“新高考”新增“關鍵能力”,要求學生“用數據說話”,樹立“證據意識”,利用“控制變量”思想．因而評分細則規定,“因為甲速度變化快,所以加速度大”,這樣的回答并不符合要求,也不能給分．考生可以直接算出兩個點的速度,并比較速度相同時間的速度變化大小,也可以通過相鄰相同時間內的位移差進行判斷,或者直接算出平均加速度進行比較．

(2) 實驗設置者有意將常規實驗中的滑板去掉,改為直接將小車放置在桌面上．學生如果不分析題意,直接記住“細線應該與木板平行”,不能“與桌面平行”,于是第3問只選(B),沒有選(A)．作為大規模的模擬考試來說,積極發揮了試題引導教學的功能．提醒物理教學必須注重具體問題具體分析,物理教學切忌死記硬背．題目大膽設置需要學生具備“創新思維”,敢于接受“通過傾斜桌子平衡摩擦”的大膽構想．題目(A)、(B)兩個選項實際上還具有自洽性,如果認為(A)選項錯誤,那么(B)選項也是錯的,因為描述的情境都是小車直接放置在桌面上的．

案例2.有或者沒有立柱的平拋儀.

(2000年天津、江西卷)(6分)某同學用圖3所示裝置通過半徑相同的A、B兩球的碰撞來驗證動量守恒定律,圖3中PQ是斜槽,QR為水平槽,實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開始滾下,落到位于水平地面的記錄紙上,留下痕跡,重復上述操作10次,得到10個落點痕跡,再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,讓A球仍從位置G由靜止開始滾下,和B球碰撞后,A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡,重復這種操作10次,圖3中O點是水平槽末端R在記錄紙上的垂直投影點,B球落點痕跡如圖4所示,其中米尺水平放置,且平行于G、R、O所在的平面,米尺的零點與O點對齊．

圖3

圖4

(1) 碰撞后B球的水平射程應為______cm．

(2) 在以下選項中,哪些是本次實驗必須進行的測量?答:________(填選項號).

(A) 水平槽上未放B球時,測量A球落點位置到O點的距離.

(B)A球與B球碰撞后,測量A球及B球落點位置到O點的距離.

(C) 測量A球或B球的直徑．

(D) 測量A球和B球的質量(或兩球質量之比).

(E) 測量G相對于水平槽面的高度．

參考答案: (1) 64.7； (2) (A)、(B)、(D).

實驗創新點： 本試題的設置體現高考試題命題的“考查基礎,變換情境,設問科學,注重創新”的基本原則．第1問考核數據處理和讀數的基本技能,屬于考查基礎,只有經歷過真實情境的學生才能準確答出．第2問屬于變換情境,如果對原有實驗中的帶立柱的平拋實驗儀器不清楚,不知道“兩個小球拋出點不同”,也就無法理解“為什么需要測量小球直徑”．因而勢必死記硬背,于是在本題的回答中也錯誤的選擇了(C)選項．

這個實驗試題的創新情境完全來自于真實情況,原有帶立柱的實驗裝置(圖5),立柱的安放是一個操作難點,往往達不到豎直放置,或者導致兩球不在同一水平面．而且立柱裝置容易損壞,于是學生們便常有將被碰小球放置在斜槽末端的操作．本實驗題作為高考題,在發揮高考試題“引導教學的一面旗”的功能方面,可以說是載入物理高考史的經典案例．實驗題設置充分“體現公平公正,以生考熟,直擊軟肋”．

圖5

2 真實情境實驗試題可以培養創新能力

案例3.單擺懸點固定的另類模式.

(改編創新實驗)在“用單擺測定重力加速度”的實驗中,(1) 如圖6取細線一根,兩端各連接一個帶孔的鋼球,將鋼球1用鐵架臺夾緊固定．測擺長時,測量的________長度為l和擺球直徑d,則擺長為________; (2) 測周期時,當擺球經過________位置時開始計時并計數1次,測出經過該位置N次(約60～100次)的時間為t,則周期為________．

圖6

此外,請你從下列器材中選用所需器材,再設計一個實驗,粗略測出重力加速度g,并參照示例填寫表1、表2(示例的方法不能再用)．

表1

表2

A.天平； B.刻度尺; C.彈簧秤; D.電磁打點計時器; E.帶夾子的重錘; F.紙帶; G.導線若干; H.鐵架臺; I.低壓交流電源; J.低壓直流電源; K.小車; L.螺旋測微器; M.斜面(高度可調,粗糙程度均勻).

實驗創新點：擺球是中學物理實驗的基本儀器,可以在不同實驗中用到,如單擺測定重力加速度,擺球在豎直平面運動的機械能守恒,擺球間碰撞的動量守恒．然而擺球的懸線怎么固定,卻是一個令眾多學生困擾的難題．

專用的單擺裝置有一個專門固定懸線的卡扣,只需將線穿進去,再用旁邊的螺旋裝置固定細線便可,如圖7所示．

圖7

然而,很多實驗室沒有配備這種專門裝置,只有配套的懸線和小球,這種情況下需要配合常規的鐵架臺進行固定,于是就有了各種懸線的繞法．

本實驗設計巧妙地取兩個帶孔小球(圖8),并用細線將兩者連接,將其中的一個小球用鐵架臺固定,于是便解決了懸點無法固定的難題．這可能是最具創意的擺球固定方式．帶來的問題是,擺長的測量仍然是擺線加上擺球半徑．答題中發現很多學生誤認為是兩球球心間距離為擺長,完全脫離了真實情境．考核的是學生的創新能力,就是在新情境下,以擺長的基本概念為基礎,如何創造性的完成任務．

圖8

案例4.沒有大頭針怎么測定折射率？

插針法測定玻璃磚折射率,是中學物理基本實驗,需要儀器有玻璃磚、大頭針和白紙．

參考答案：如圖9,其中大頭針是用來確定光路的．

圖9

實驗創新點： 如果沒有大頭針,實驗怎么完成呢?2020年中學生物理競賽廣東省復賽實驗試題,實驗設計就沒有為考生提供大頭針．

那怎么辦呢?創造性能力就在這個時候可以激發出來．華南師大王笑君教授對核心素養考核的描述:“不追求題目的結構完整,目標指向半開放,追求臨場思考”．

筆者在探究課上布置了這個作業,沒有提供大頭針,讓學生們在實驗室真實環境下,完成玻璃磚的折射率測定．實踐中,學生有用三角板的邊當作入射光的,有直接用明亮的黑筆畫的直線當作入射光線的,也有用筆尖替代大頭針的．總之不完整實驗反而將學生思維打開,創造力得到極大地激發．