高考物理試題中數字化實驗的考查情況探析

袁小堂

(重慶市求精中學校，重慶 400015)

1 問題的提出

為提升學生的物理實驗能力，《普通高中物理課程標準(2017年版)》建議有條件的地區為學校專門創建數字化實驗室，或引進教師演示用的數字實驗系統。學校要重視引導教師研究數字實驗系統對傳統實驗的改進方法，研究數字實驗系統的教學方式，促進教學手段與方式的現代化。數字化信息系統(DIS)是一種將傳感器、數據采集器和計算機組合起來，共同完成對物理量測量、處理的裝置。在DIS實驗中，可以利用傳感器測得實驗數據，并通過圖表、圖線等方式呈現實驗結果，十分直觀與簡便，大大簡化了以往實驗課上繁瑣的計算過程，既節約了時間又讓學生感到直觀易懂。DIS可以讓學生更直觀、更真實地理解較為抽象的物理原理和公式，幫助學生建構物理概念、探尋物理規律。

基于DIS的物理探究實驗的核心是改變學生的學習方式，強調學生的主動探究，學生通過使用不同類型的傳感器收集、分析和處理數字化信息來體驗知識的形成過程，進而學會學習，有助于培養學生分析問題、解決問題的能力。在新課程體系下，DIS實驗是教材中不可或缺的重要組成部分，在近年來的高考題中也有相應體現。筆者在梳理2015年至2021年全國物理高考DIS物理實驗的基礎上，分析其特點，以便教師在日常教學中充分挖掘DIS實驗的育人價值，利用DIS開展物理教學。

2 全國高考物理試題中DIS實驗分析

高考中關于傳感器的或者以傳感器為背景的題目逐年增多，筆者匯總了2015年至2021年全國高考試題中出現傳感器的情況(表1)。

表1

3 特點分析

對以上DIS高考題進行分析，發現有如下特點。

3.1 傳感器類型豐富

在全國各省市高考物理試題中出現的傳感器可分為力傳感器、光電傳感器、電壓電流傳感器、磁傳感器、溫度傳感器、光強度傳感器等，以力傳感器、位移傳感器為主。

3.2 傳感器涉及題型分布廣泛

高考題中多以傳感器作為測量工具，通常是以傳感器為背景，各種題型都有可能出現，實驗題的占比最大。

3.3 使用傳感器可提高實驗效率

在傳統實驗中，若要測量物體的加速度常采用打點計時器，運用“逐差法”或者圖像法測定加速度。但由于實驗操作過程中數據較多，難以避免繁瑣的計算過程。甚至有的學生認為本節課的實驗目的就是計算加速度，而忽視了科學推理過程。利用位移傳感器可以避開復雜的計算過程，而將重點放在思維能力和探究能力的培養方面。例如在2016年全國Ⅲ卷第23題中，要探究物體加速度與其所受合外力之間的關系，利用位移傳感器避開對加速度繁瑣的計算過程，利用傳感器測得的數據直接給出位移-時間圖像，要求學生對圖像進行分析與處理，得到加速度的數值，使實驗過程直觀、簡潔，將考查的重點放在科學探究和科學推理能力上。

3.4 使用傳感器使抽象概念的教學“可視化”

高中物理中有些概念較為抽象，容易造成學生思維障礙，例如力、壓力、壓強等。力具有瞬時性，當力變化時，我們很難用彈簧測力計示數反映這種變化，在氣體或液體中壓力的測量較難進行，如果使用傳感器就可以使數據可視化，例如在2016年上海卷第29題中，利用壓強傳感器直接測出氣體的壓強，給出壓強隨氣柱長度的關系圖像，使氣體壓強的變化直觀化。在2020年北京卷第11題中，利用力傳感器代替彈簧測力計，記錄力隨時間的變化情況，使任意時刻、任意位置對應的力的大小可以通過電腦直接讀取，加強了實驗的可視化，有效突破學生的思維障礙。

3.5 注重創新，訓練思維

傳感器的主要測量元件具有不同的物理特性，其材料的性質受外界因素(如溫度、壓強等)的影響，人們利用相應的特性制成了相應的傳感器。教材中對一些常見材料的特性做了一些介紹，而有的高考題又以實驗的方式來考查學生對元件物理特性的認識。在此基礎上，還可以進一步讓學生分析實驗原理，改進實驗方法，優化實驗過程，培養學生的創新能力。2019年全國理綜Ⅱ卷第23題運用閉合電路歐姆定律，利用電壓傳感器進行測量，分析了硅二極管兩端的電壓與溫度的關系，考查了學生的實驗探究能力和創新能力。

3.6 注重實驗操作能力的考查

物理學是一門以實驗為基礎的科學，物理實驗是物理教學的重要組成部分，在教學中要通過各種重要途徑、運用技術手段切實加強物理實驗教學，以達到培養學生實驗操作能力的目的。2016年上海卷第28題考查了描繪電場等勢線實驗操作原理和實際操作步驟，2015年第28題考查在測量磁感應強度時對磁傳感器調零的操作，兩道題的考查重點都涉及實際操作。如果在日常學習中對本實驗進行過操作，那么學生就會熟悉這個情境。

3.7 注重數形結合

數形結合是指在解決問題過程中，通過將具體的圖形、圖像與數學公式緊密聯系在一起，對問題進行簡化，以達到解決問題的目的，是物理學研究的重要方法。通過數形結合可以將抽象的物理概念轉化為具體表達形式，可以將難以用語言表達的物理過程轉化為定量關系式，在實踐中往往能夠幫助我們更好地解決物理問題。2019年全國Ⅲ卷第20題借助板塊模型考查牛頓運動定律，試題給出了力傳感器讀數、木塊的速度隨時間的變化圖像，運用數形結合方法展示了木塊與木板的受力情況和運動情況，DIS可以顯示出彈力隨時間的變化，若將本題中的傳感器改成彈簧測力計進行實驗操作，實驗較難完成。

3.8 注重與實際生產、生活的聯系

隨著科學技術的不斷進步，物理學取得的成果也日益豐富，物理知識已經滲透到生活的方方面面，現實生活中有很多問題要用物理學來解決，要培養學生成為具有終身學習能力的社會人，就需要幫助學生樹立科學意識，掌握科學方法，學有所獲并學以致用，為今后的工作、生活打下堅實的基礎。2016年全國Ⅰ卷第23題，借助閉合回路歐姆定律考查熱敏電阻在報警器中的應用，考查學生運用物理知識將解決實際問題的能力。

4 對高中物理教學的啟示

4.1 與時俱進，重視DIS實驗

新高考以DIS為背景的試題越來越多，在教材中的出現也越來越頻繁，這也是物理課程時代性的體現。實驗技術現代化是大勢所趨，在高考中應該重視，在日常教學中同樣應該重視，教學中要將DIS與物理實驗有效結合，培養學生的實驗創新能力。

4.2 整合資源，日常滲透

DIS傳感器的原理及使用是物理實驗的重要組成部分，對于教材中提及的DIS實驗，教師要有意識引導學生運用DIS進行實驗，提高他們的自主探究能力和創新能力。