创新实验情景 突出证据获取 彰显核心素养

许冬保　朱文惠

摘 要：2019年高考海南物理实验试题，通过创新实验情景，考查实验原理的理解，突出实验证据的获取以及基于证据的推理、论证.试题有效地考查了实验能力及学科核心素养.教学启示：坚持以实验为基础，树立正确的课程观与教学观;重视实验技能训练，促进学生实验能力发展;发展科学探究能力，提升物理学科核心素养.

关键词：海南高考;物理实验试题;解析;分析;启示

文章编号：1008-4134（2019）19-0047中图分类号：G633.7文献标识码：B

物理实验是重要的课程资源，是教学的目标也是学生重要的学习内容，是学生学习物理学的一种基本方法和途径，也是教师教学的一种重要手段.实验能力是高考能力考查的重要方面.多年来海南高考实验试题与全国卷一样，坚持“1力+1电”的命题风格.由于海南试题是国家考试中心命题，因此，研究海南高考试题，对深度研究全国卷试题具有重要的参考价值，对于其他省市的物理教学具有借鉴和启示作用.

1 高考真题与解析

2019年高考海南物理实验试题共2道，对应的题号分别为11、12.分析如下.

1.1 试题11与解析

用实验室提供的器材设计一个测量电流表内阻的电路.实验室提供的器材为：待测电流表A（量程10mA，内阻约为50Ω），滑动变阻器R1，电阻箱R，电源E（电动势约为6V，内阻可忽略），开关S1和S2，导线若干.

（1）根据实验室提供的器材，在图1所示虚线框内将电路原理图补充完整，要求滑动变阻器起限流作用;

（2）将图2中的实物按设计的原理图连线;

（3）若实验提供的滑动变阻器有两种规格：

①10Ω，额定电流2A;

②1500Ω，额定电流0.5A.

实验中应该取_____.（填“①”或“②”）

解析 （1）将电源、开关、滑动变阻器与已知的部分电路连接为闭合电路，原理图如图3所示;

（2）根据图3所示原理图，将实物图进行连线，如图4所示;

（3）由闭合电路欧姆定律知，S2断开时，电路的总电阻为R + RA= E/Ig，则R≈600Ω，因此滑动变阻器应选择②.

1.2 试题12与解析

某同学利用图5的装置测量轻弹簧的劲度系数.图中光滑的细杆和直尺水平固定在铁架台上，一轻弹簧穿在细杆上，其左端固定，右端与细绳连接;细绳跨过光滑定滑轮，其下端可以悬挂砝码（实验中，每个砝码的质量均为m=50.0g）.弹簧右端连有一竖直指针，其位置可在直尺上读出.实验步骤如下：

①在绳下端挂上一个砝码，调整滑轮，使弹簧与滑轮间的细线水平且弹簧与细杆没有接触;

②系统静止后，记录砝码的个数及指针的位置;

③逐次增加砝码个数，并重复步骤②（保持弹簧在弹性限度内）：

④用n表示砝码的个数，l表示相应的指针位置，将获得的数据记录在表格内.

回答下列问题：

（1）根据表1的实验数据在图6中补齐数据点并做出l-n图象.

（2）弹簧的劲度系数k可用砝码质量m、重力加速度大小g及l-n图线的斜率α表示，表达式为k=.若g取9.80m/s2，则本实验中k=N/m（结果保留3位有效数字）.

解析 （1）补充数据点，在坐标系中描点作图并拟合直线，如图7所示;

（2）设弹簧的原长为l0.由胡克定律及平衡条件得，nmg=kl-l0，图象的斜率为 α=ΔlΔn=l-l0n，因此，弹簧的劲度系数为 k=mgα.

在图7中可求出图象的斜率为

α = Δ lΔ n = 12.90-10.00×10-26-0m ≈4.83×10-3m .

代入劲度系数表达式得

k = mgα = 0.050×9.804.83×10-3N/m≈101N/m.

2 实验能力与核心素养考查分析

关于实验能力，物理考试大纲[1]指出：能独立完成“考试内容与要求”中所列的实验，能明确实验目的，能理解实验原理和方法，能控制实验条件，会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录处理实验数据，并得出结论，能对结论进行分析和评价;能发现问题、提出问题，并制订解决方案;能运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题，包括简单的设计性实验.物理学科核心素养主要包括：物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任4个方面.从实验能力与核心素养的视角进行分析，结果如下：

2.1 试题11分析

试题11分析结果见表2.

表2 试题11实验能力与核心素养考查分析

试题11设问实验能力素养表现素养类型素养水平

（1）设计测量电流表内阻的电路（给出部分电路及滑动变阻器起限流作用）简单的设计性实验能力具有物理观念.理解闭合电路中电荷定向运动与电源相互作用;从能量视角认识闭合电路的有关规律，以此设计测电流表内阻的电路物理观念（运动与相互作用、能量）水平3

能对已知的比較简单的实验电路进行分析和推理，完成实验设计科学思维（推理）水平2

（2）根据原理图，实物连线基本实验技能能根据已经设计的电路为直接的证据，完成实物图连线科学思维（论证）水平2

确保实验操作安全，具有严肃认真、实事求是的态度科学态度与责任（科学态度）水平2

（3）滑动变阻器的选择实验器材选择能对闭合电路进行分析和推理，获得结论并作出解释;能使用证据选择规格为1500Ω滑动变阻器科学思维（推理、论证）水平4

能分析数据，发现特点，形成结论，尝试用闭合电路欧姆定律进行解释科学探究（证据、解释）水平3

2.2 试题12分析

试题12分析结果见表3.

表3 试题12实验能力与核心素养考查分析

试题12设问实验能力素养表现素养类型素养水平

（1）补齐数据点并做出l-n图象.描点作图，拟合曲线补齐数据点，具有实事求是的态度，严谨规范描点作图.科学态度与责任（科学态度）水平2

（2）弹簧的劲度系数k理解实验原理;根据图象，分析处理数据的能力具有清晰的物理观念，从平衡的角度理解测弹簧劲度系数的原理物理观念（运动与相互作用）水平4

能使用简单和直接的证据写出劲度系数的表达式科学思维（推理、论证）水平2

能分析图象，发现其中规律，求出斜率.用力的平衡条件进行解释，并按有效数字要求表达探究结果科学探究（证据、解释、交流）水平4

3 教学启示

物理学是以实验为基础的学科，物理实验是物理课程的重要组成部分，在培养学生的创新能力、实践能力及科学素养等方面具有非常重要的作用.2019年海南省物理实验试题带给我们哪些启示呢？

3.1 坚持以实验为基础，树立正确的课程观与教学观

实验是物理学形成与发展的基石，实验是物理学文化的重要组成部分，实验方法是探索自然规律的重要方法.研究结果表明，物理实验在促进学生认知结构转化方面具有独到的作用.由于科学实验的本质特征是探究性，因此，实验在培养学生探究能力方面具有得天独厚的教学功能[2].

2019年高考海南物理实验试题共2道小题，计18分，权重18.0%，稍高于全国卷实验题的权重（13.6%）.这一数据表明，物理单科考试，实验题权重增大.这对于当前或将来进入课改省份的考试命题，可能具有一定的参考作用.

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力.物理学科核心素养引领着物理课程与教学改革的走向.以核心素养统领物理教学，必须树立以实验为基础的课程观与教学观.在课程理念上，增加学生动手实验的机会，着重培养学生的实验技能与实验能力;在实验类型上，将部分验证性实验修改为设计性实验，以体现科学探究的精神，顺应科学教育发展的趋势;在实验方式上，将演示实验与学生实验结合起来，定性与定量实验相结合;在实验时空上，从课堂实验向课外实验拓展，做到课内与课外相结合;在实验配备上，重视采用简单仪器做实验，同时注意应用现代化实验手段，做到常规器材与创新器材有机结合，为实验教学开展创设良好环境[3].

3.2 重视实验技能训练，促进学生实验能力发展

基本的实验技能包括：会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据等.学生实验技能的提高，要求通过实验让学生正确使用高中物理实验项目中的仪器和工具，并能独立获得较准确的实验信息.实验能力的内涵是丰富的，主要包括实验技能、实验设计能力以及实验方法、实验思想乃至实验精神等方面的内容.

2019年海南省物理实验试题，均不是考纲规定的实验内容.但是，去伪存真，不难发现试题设计的源头仍在考纲规定的实验范围之内.试题11是“测定金属的电阻率”实验的拓展，试题对测电流表内阻的电路设计要求很简单，并未对用比较法测电表内阻的方法进行深入考查，试题侧重基本实验技能（闭合电路的构成、实物连线、器材选择）的考查;试题12是“探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系”实验的变形，由弹簧的竖直悬挂改为水平牵引，考查了用图象法处理实验数据的能力.描点作图、由图象斜率求出相关物理量，考查的是最基本的实验技能.但是，这类问题的错误发人深思.如直接跳过图上缺少的数据点画图;用折线代替直线画图;不用直尺徒手画直线;所画直线误差太大等.

综上所述，实验技能是实验能力发展的基础，实验技能的提高会促进实验能力的发展，但实验技能不等于实验能力.实验能力的提高不是一蹴而就的，需要在长期的实验教学中不断培养、逐步发展.

3.3 发展科学探究能力，提升物理学科核心素养

实验是物理学习的重要环节，是培养学生物理学科素养的重要途径和方式.《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：“在高中物理课程中，尤其应重视科学探究，应注重物理实验，这在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要地位.”科学探究能力是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素[4].

长期以来，由于纸笔测试的局限，教师讲实验，学生背实验的教学之风盛行，学生的实验能力普遍较低.2019年海南省物理实验试题带给我们的启示是，做过实验与没有做过实验效果是不相同的;认真做过实验与没有认真做过实验的效果也是不相同的.尽管试题的整体难度不大，但试题在考查实验技能的同时，更加重视基于证据的推理与论证.试题11表现在，根据电动势的大小、电流表的量程这些数据为证据，结合闭合电路的欧姆定律进行论证，从而选择滑动变阻器的大小;试题12表现在，由表格中的数据（缺失的2个）在l-n坐标系中描点、拟合为直线、由图象中的斜率以及平衡条件、胡克定律得到劲度系数表达式及其数值，这一系列的推理过程均源于证据.

实验证据包括实验现象、数据、图象、理论等.在高中阶段学生科学论证水平的表现重点体现在对证据的认识和使用上，重点从证据的收集、分析、解释和使用方面进行发展和提升[5].有鉴于此，物理实验的目的绝不仅仅是为了培养动手能力、实验技能，实验思想、实验方法、实验结论的质疑与反思等是更为重要的教学内容.证据是实验的核心，是做出推论的直接基础[6].基于证据意识的实验教学，是融物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任于一体的教学.让学生多方面获取证据、经历科学论证的过程，有助于学生深化对科学本质的认知和理解，有利于科学态度的养成，有利于促进科学素养的形成与发展.

参考文献：

[1] 教育部考试中心.2019年普通高等學校招生全国统一考试大纲 理科 [M].北京：高等教育出版社，2018.

[2] 廖伯琴.物理教育学[M].北京：高等教育出版社.2012.

[3] 王耀村.面向核心素养的科学课程建构与教学建议[J].物理教学，2018（8）：4.

[4] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[5] 马朝华.对物理教学中科学论证的认识与实践[J].物理教学，2018（11）：10.

[6] 袁建林，刘红云.核心素养测量：理论依据与实践指向[J].教育研究，2017（7）：26.

（收稿日期：2019-08-01）