AP物理实验设计题初探及实例分析

谭晓琴

摘 要：本文介绍了美国的大学先修课程（AP课程）的物理实验设计题，并结合考试实例讨论了其特点。然后，论述了这种物理实验考查方式的可借鉴之处，以期对国内高中物理实验的教学和考查形式提供一些思路。

关键词：AP课程；实验设计题；实例分析

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）2-0011-3

大学先修课程（Advanced Placement Program，简称AP）是由美国大学理事会（College Board）组织的在高中开设的大学先修课程，目的是让学生能在高中期间有机会学习大学程度的学术课程。目前，AP课程与A Level课程、IB课程是中国最热门的三大国际课程。

AP物理课程设置上分为：AP物理1， AP物理2，AP物理C-力学和AP物理C-电磁学。其中，AP物理1和AP物理2是“基于代数”的基础物理课程，需要使用简单的数学计算和三角函数的知识。AP物理C是“基于微积分”的大学物理课程，需要使用一些基础的微积分。AP物理1和AP物理2的内容和难度类似于我国高中物理，在AP物理1和AP物理2的考试中均有一道单独的实验设计题。本文将结合考试实例来介绍AP物理实验设计题，以及如何通过实验考查让学生理解和运用物理知识，经历科学探究过程，培养学生的科学探究能力。

1 实验考查的重要性

物理学是一门以实验为基础的自然科学，实验是物理定律的基础，也是检验物理理论的一种手段和方法。物理实验是物理教学的重要组成部分，提高学生的实验能力是物理教学中一项非常重要的任务。我国普通高中物理课程标准的物理核心素养第三点即为实验探究。其详细表述是具有科学探究意识，能发现问题、提出合理猜测；具有设计实验探究方案和获取证据的能力，能正确实施实验探究方案，使用各种科技手段和方法收集信息；具有分析论证的能力，会使用各种方法和手段分析、处理信息，描述、解释实验探究结果和变化趋势；具有合作與交流的意愿与能力，能准确表述、评估和反思实验探究过程与结果[1]。好的物理实验的评价方式不仅可以考查学生对物理原理的理解和实验探究能力，还可以促进学生科学能力的培养。

2 AP物理实验设计题实例分析

（2016年AP物理1考试）一种新的玩具球的广告号称球在撞击到硬表面时能够“完全弹性反弹”。但是一个学生对此表示怀疑，因为没有碰撞是真正的完全弹性碰撞。这个学生假设在低速情况下的碰撞非常接近完全弹性碰撞，但当碰撞速度增大时碰撞将越来越偏离完全弹性碰撞。

（a）设计一个实验来验证学生关于玩具球与硬表面碰撞的假设。这位学生将使用通常在学校物理实验室能够找到的实验器材。

i.需要测量哪些物理量？

ii.需要使用哪些实验器材来测量物理量，怎么使用这些实验器材来测量 ？

iii.描述学生验证其假设的步骤。给出足够多的细节，让另外一个学生能够重复这个实验。

（b）描述你将怎么通过图像或者表格形式将实验数据呈现出来，解释如何用图像或表格来确定数据是否跟学生的假设一致。

（c）一个学生完成了（a）和（b）描述的实验和分析。这个学生立即得出这个实验有错的结论，因为图像或表格显示低速情况下的碰撞是弹性的，但是高速情况下的碰撞违反了这个基本的物理定律。

i.给出一个图像或者表格的例子，这个例子显示了低速情况下的碰撞是弹性的，但高速情况下的碰撞违反了这个基本的物理定律。

ii.说出（c）i.中的图像或表格违背的一个物理定律。违反的物理定律可能不止一个，你只需要说出其中的一个。简要解释并说明这个图像或者表格的哪方面违背了该物理定律。

这道实验设计题从生活中的一个广告着手，将生活中玩具球和硬表面碰撞这一实际问题简化为物理中的碰撞问题来进行研究。日常生活中学生都有球反弹的高度达不到初始时下落高度的体会，而通过物理的学习也知道导致这一现象的原因是因为碰撞过程中有能量损耗。这个实验将学生的日常生活实践和物理知识很好地结合起来，让学生运用物理原理、通过物理实验来解决生活实际问题。学生可以结合能量守恒定律，从比较球初始时的下落高度和反弹高度来进行实验的设计和讨论。

从实验的类型上来看，这是一个非常典型的探究性实验。整个题目体现的是一个完整的科学探究性实验的过程：（1）提出问题；（2）作出假设；（3）制定探究方案，包括需要用到什么器材，需要测量哪些物理量，实验的具体操作步骤和方法等；（4）收集和处理实验数据；（5）分析和评估。解题的过程其实就是一个完整的科学探究过程，通过这个过程可以培养严谨的科学态度，学会用科学探究的方法来研究问题。

3 AP物理实验设计题的特点与启示

（1）来源于教材和教学。通过研究近三年的AP物理1和AP物理2的考试实验设计题，可以发现所有的题目都是与教材和教学内容紧密相连的。2015年AP物理1的实验设计题为学生想知道在一个与单个电阻串联的小灯泡中被耗尽的是电流还是能量，还是两者兼有，以此设计一个实验并进行相应的解释和回答。2015年AP物理2的实验设计题为学生观看了一个有关北极的科学节目，节目中的解说员说北极附近的冷空气下沉导致了高气压。根据解说员的解说，一个学生说“因为北极附近的冷空气处于高压状态，所以温度和压强成反比关系”。根据学生的观点来设计实验并对题目中已经给出的数据进行处理。2016年AP物理1的实验设计题为上述玩具球与硬表面碰撞的问题。2016年AP物理2的实验设计题为测量玻璃块的光的折射率。2017年AP物理1的实验设计题为测量一个平直的木板和一个小木块之间的静摩擦系数。2017年AP物理2的实验设计题为给一组学生同样材料做成的不同长度、直径的圆柱形导体棒，让学生通过实验，使用作图的方法来测量材料的电阻率。给定的实验器材为一个电压表，一个电流表，一些导线，一个可变直流电源和一根米尺。从上面这些历年考题中可以发现，实验设计题的表达形式和切入点虽然有所不同，但究其本质，考查的内容都来源于教材和教学，有的甚至是“照搬”学生实验。这样的题目设计看似难度并不高，但学生必须在充分理解相应的物理原理、熟悉相应的处理方法的基础之上才能完成。

值得一提的是，AP物理实验考试中对实验器材的要求并不高，反而希望学生使用一些较为简便、容易操作的器材。实验设计题中通常都会提到实验器材取自于学校实验室中常用的器材。如上述小球与硬表面碰撞的题目，学生需要用到的一个主要器材就是实验室和生活中非常常见的米尺。笔者认为，这样设计的初衷是让学生体会到“简单中出大原理”，即便是用生活中最常见和简单的物品，也可以研究物理中看似复杂的大问题。

（2）贴近生活，理论联系实际。物理知识在日常生活中有着广泛的应用，物理实验教学应该让学生学会在日常生活中进行观察、提出问题去进行验证和分析，让学生把学到的物理知识运用到生活中去。如2016年的玩具球与硬表面是否发生完全弹性碰撞、2015年的科学节目中提到的北极附近的高压冷空气等，这些题目皆来源于生活，研究这类问题有助于提高学生的观察能力和借助物理知识来解决生活实际问题的能力。

（3）具有开放性和发散性。AP物理实验设计题的模式为给出一个基本的问题或假设，具体的实验方案、分析和总结需要学生自己来完成。这样很好地体现了题目的封闭性和开放性结合的特点[2]，既让学生在规定的框架内答题，又给予了学生自由发挥的空间。学生可以根据自己对物理知识的理解，从不同的角度、用不同的方法来进行思考和呈现。只要学生的方法是可行的，且言之有理，表达清楚即为正确，并没有传统意义上的标准答案。以第2部分所述实验设计题为例，学生在回答问题时可以从小球与硬表面碰撞前的下落高度和碰撞之后反弹的高度作比较，通过能量守恒来答题，也可以通过使用光电门来测量碰撞之前和碰撞之后瞬间的速度。

（4）渗透对探究能力的培养。AP物理实验设计题基本上都是探究性实验题，解决此类问题能够对学生探究问题的能力进行潜移默化的培养。学习科学探究的方法，提高科学探究的能力，对学生其他学科的学习和日常生活都很有益处。收集数据，分析数据进而得出结论，这样的过程有助于提升学生的逻辑推理能力。 玩具球與硬表面的碰撞这一例子就是对科学探究的能力和方法进行渗透的很好的例子。

4 结 论

AP物理实验设计题这种考查形式有许多值得我们借鉴和学习的地方。略感缺憾的是它是纸上的笔答题，对于实验动手操作能力的考查还是有所欠缺。笔答实验只是在脑海中的设想和规划，无法解决实验动手操作中可能会碰到的问题和困难。但实验操作类考题对考前布置等各个环节要求较高，在无法进行实验操作类考题的情况下，AP物理实验设计题也是一种不错的考查形式。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2016.

[2]沈俊妮，周延怀.美国高中物理教材的学生实验分析与借鉴[J].教育学报，2004（12）：46-48.

（栏目编辑 赵保钢）