优化DIS实验习题落实核心素养考察

2019-12-20姚勇

中学物理·高中 2019年11期

关键词：习题实验核心素养

摘要：因为DIS系统与传统器材差异较大，所以传统的一些实验题，可能在考察通过DIS实验学习成长的学生时，不一定能培养、考查到应有的核心素养.本文通过改编传统实验等方面，讨论在采用DIS实验的背景下，如何改编和原创实验题.

关键词：DIS;实验;习题;核心素养

文章编号：1008-4134（2019）21-0031 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：姚勇（1981-），男，上海嘉定人，本科，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学.

1 问题提出

《普通高中物理课程标准（2017版）》（以下简称新课标）提出了物理学科的核心素养，其中之一是科学探究能力.而物理实验在培养、考察科学探究能力方面有重要作用.

上海市二期课改以来，数字化信息系统（以下简称DIS）给上海高中物理实验带来了巨大变革.但因地区差异，DIS替代传统实验器材在全国范围内各地的实验习题也差异很大，习题如果使用上不加选择，可能无法起到恰当的培养和考察素养的作用.

例1 （2014北京卷）在“测量电源电动势”实验中，得到了如图1所示的端电压-总电流图象，则该电源的电动势和内阻是多少？

错误率非常高的错解是用1.5V/0.6A得到内阻阻值，原因是学生没有看到坐标原点是（0A，1.0V）.

为什么要设计这样的坐标系？因为在传统实验中，电流表一般用0.6A的量程进行实验，导致实验数据点集中在I<0.6A的范围.如果以（0A，0V）为坐标原点进行描点作图，很可能出现图2所示的情况，纸张的利用率很低，坐标的最小刻度较大，导致描点的误差较高.将坐标原点改为（0A，1.0V），一般会出现图3所示的结果.从纸张的利用率、描点的难度和精确程度等方面考虑，没有观察到原点（0A，1.0V）的学生，合理处理数据的科学素养可能是有欠缺的.

然而运用DIS实验系统采集数据后，点击“直线拟合”就出现U-I图象，部分计算机显示图象的坐标原点固定（0A，0V），所以在DIS实验环境下学习的学生基本不需要在意原点的坐标值.

例1本意考察科学探究中的数据处理能力，但如果考生是通过DIS实验学习成长的学生，那么例1更像是考查了数学知识.作为对比，2014年上海高考物理试卷中的实验题，就采用了与教材上相同的DIS界面坐标系，如图4，回避了上述问题.

新课标在命题角度明确提出“试题所涉及的知识内容应具有代表性”，所以DIS实验习题的设计也应当与传统实验有所区别.如何更好地落实核心素养？这是因实验技术的进步而对教师提出了新要求.

2 优化策略

2.1 改编传统实验作业中涉及器材的问题

器材是DIS相比传统实验最直观的变动，所以实验习题中首先要变化的就是器材.如果拿传统器材考察学习DIS实验的学生，很可能会“水土不服”.

2.1.1 原理相似，改变器材

传统向心力演示仪和DIS系统的配套演示仪外观差异比较大，但原理都是利用重物以一定半径的转动过程，测量向心力与其他物理量的关系.传统器材左右两个小球对比，而DIS系统可以多次改变条件测量数据进行对比.

例2 如图5所示的向心力演示仪，左右两小球质量相同，皮带绕在左右半径相同的圆盘上，左侧小球转动半径是右侧小球转动半径的两倍.在缓慢增加转速的过程中，竖直杆上依次显示出刻度2∶1，4∶2，6∶3…….根据上述过程可得.

改编后：如图6所示的向心力演示仪，不改变物块质量，用3cm、6cm、9cm的半径分别实验，得到了如图7所示的F-ω图象.添加竖直辅助线后，发现对应的力近似为1∶2∶3，根据上述过程可得.

传统的向心力实验基本习题例2经过上述修改后，虽然器材变动，但题目中划线部分的条件都是“质量”和“角速度”不变，考察内容仍然是“质量和角速度相同时，向心力与半径成正比”，符合对数据进行整理得到初步结论的科学探究要求.

类似的情况还出现在“一定质量的气体，压强与体积的关系”“测定电动势和内阻”等实验中，其共同特点是DIS都采用了传感器测量实验数据，但实验的原理基本没有变化，所以对相应实验习题应采用修改器材但不修改考察内容的方式.

2.1.2 原理不同，重新设计

在“测定匀变速直线运动的加速度”实验中，DIS用位移传感器测量位移随时间的变化，然后计算机求解得到速度和时间的关系，最终在v-t图中用斜率求加速度;打点计时器（或频闪照相）则用逐差法求加速度.如果用打点计时器来考察学习DIS器材的学生显然不合适.

例3 （2016年天津卷，因篇幅原因，题干有所省略）某同學利用图8所示装置研究小车的匀变速直线运动.

他实验时将打点计时器接到频率为50Hz的交流电源上，得到一条纸带，打出的部分计数点如图9所示（每相邻两个计数点间还有4个点，图中未画出）;s1=3.59cm;s2=4.41cm;……

则小车的加速度a=m/s2（要求充分利用测量数据），……

为了改编，应将传统器材的操作改为DIS器材的操作，变成作v-t图象求解加速度以适应DIS器材的数据处理方式.

改编后：有一个小车从轨道下滑做匀变速直线运动，传感器记录下部分速度与时间的关系（见表1）.

（1）实验中，应在释放小车（选填“前”或“后”）点击“开始记录”.

（2）作v-t图.

（3）质点的加速度a=m/s2，小车在0.9s时间内的位移是m;（结果均保留两位有效数字）

第3问，两空分别考察v-t图中利用斜率求解加速度和利用面积求位移，体现知识内容具有代表性.但除了考察的核心素养仍是数据处理能力外，整个题目基本找不到与原题太多的联系.所以这类实验题，基本需对应新的实验原理重新设计.

2.2 编制体现DIS实验中创新点的习题

DIS系统带来的实验新操作和创新点有很多，如传感器调零、实时数据、传统器材中难以测量的物理量和过程……随之而来考察学生科学探究能力的观测点也增多了，下面选取几个主要的问题加以说明.

2.2.1 仪器调零

使用基本器材的能力是科学探究的前提.传统器材也需要调零，如弹簧秤.但弹簧秤调零完毕后，多次测量中基本可以不用再调零.DIS实验器材中有差异，首先传感器可能有初始信号（有一定读数）.如力传感器、电压传感器、电流传感器、磁传感器等都需要调零，每次重启系统后必须再次调零.

上海已经在2015年高考中考察了类似问题.

例4 （2015上海卷）在“用DIS研究通电螺线管的磁感应强度”实验中：

（1）在对螺线管通电（选填“前”或“后”）必须对磁传感器进行调零.

如果在接通電源后再调零，那将把螺线管产生的磁场也忽略掉，造成实验在原理上发生错误.所以正确调零在DIS实验中非常重要.类似在测定电动势和内阻实验中，可以编制如下习题.

例5 在测定电动势和内阻实验中，某同学按照如下步骤进行实验.

（1）正确连接实验器材，打开计算机实验界面.

（2）将滑动变阻器滑片移动到电阻最大处.

（3）闭合电键，点击屏幕“传感器调零”，点击“记录数据”.

（4）移动滑片，再次点击“记录数据”，重复操作，获得5组数据.

（5）点击“停止采集”，进行作图等数据分析步骤.

最终获得了如图10所示过原点的倾斜直线，造成上述现象的原因是步骤中存在错误操作，应改为.

（参考答案：3，先调零，后闭合电键并记录数据）

因为闭合电键后，电压传感器和电流传感器有一定读数，此时再调零，会将闭合电键时的电流、电压值以零来处理，导致第一个数据点变为（0A，0V），之后测量的所有数据都被减少了特定的值，U-I直线被平移到了I轴下方.此外，在上述操作中电动势无法测量，但内阻的值，即斜率不受影响，可进一步编制在题目中.

2.2.2 实时的图象

DIS的特点是实时实验捕捉数据，通过计算机软件可以作图展示很多数据的关系.可以在实验作业中设计一些引起思考的问题，以培养学生分析数据、分析结论的习惯.

例6 （区县模拟卷）图11为“研究一定质量气体在体积不变时，其压强与温度的关系”的实验.采用逐渐加热水升高水温的办法测量压强和温度.

某同学记录下了初始时封闭气体压强p0和摄氏温度t0，随后逐渐升高温度，并记录下每次测量结果与初始值的差值Δp和Δt.在实验中出现试管木塞脱落，他重新接上后继续加热水实验，其余操作无误.Δp-Δt的关系图应是

学生知道实验中不能漏气，但很少有学生会追问漏气对实验结果到底是什么影响？例6就展示了这一变化关系——漏气后内外压强又相等了，内外压强差Δp突变为零.

类似的问题还有如“通电螺线管内部一定是匀强磁场吗？”，作业中可以设计一道用自制短螺线管进行实验的结果图，如图12，螺线管内没有匀强磁场区域的存在，引发学生对此强烈的好奇，并进一步分析原因.

2.2.3 完整的物理过程

对物理过程的分析也是核心素养科学探究中的一个环节，DIS实验中展现的完整过程可以设计成课后习题.

如竖直平面内的圆周运动，传统实验只能演示有足够速度才能越过最高点，而DIS实验则可以做到全程实时采集.

例7 如图13所示，某同学利用二维位移传感器（可记录被测物体的位置），记录下小物体从轨道上静止释放后下滑进入圆轨道的过程.小物体经过圆轨道过程中，传感器每隔相同时间记录下小物体的位置数据，下列四个图象中有可能出现的是根据机械能守恒和圆周运动相关知识，小球在高处速度小.但要沿圆轨道运动，最高点速度至少是gR（R为轨道半径）而不是趋向零，所以应选择A.这一习题通过小球的位置数据，全程显示了小球在圆轨道的运动情况，考察了学生建立合理模型、分析实验数据的探究能力.

还有很多类似过程，如超重与失重过程、液体蒸发致冷过程、电容充放电过程等等都适合用DIS全程展现后由学生做出分析.

物理教学要“重过程”，在一节课中可以用DIS实验展示很多过程，因为教学理念发生了变革，所以习题也应该体现这种变革，才能更好地提供学生学习情况的反馈信息.

2.3 对已编制的DIS实验作业再次进行验证和修改

试题的真实性始终是一条底线，在新课标中也强调试题要科学、规范.DIS以及配套实验器材很多，如果编制成习题，就要注意各方面细节，确保实验符合学生认知特点.

例8 （区县模拟题）如图14所示是运用DIS实验的位移传感器测定小车在斜面上自由滑动规律的实验装置图.通过传感器、数据采集器，再经过计算机所绘制的小车运动的速度—时间图象（如图15）.……

上述习题初看没有问题，小车以一定初速度从左向右滑向高处，做匀减速运动.但实际操作后就能发现，速度结果为负，图线应该在时间轴下方，原因是小车靠近位移传感器接收器部分，传感器测量的距离（认为是位移）越来越小，所以由计算机自动求导后得到速度为负.因而，本题中的速度-时间图象应改为如图16所示.

例9 如图17所示，利用磁传感器测量导线一侧的磁感应强度……

利用磁传感器进行拓展实验的时候，注意磁传感器使用时探头应与磁场方向平行.图示的使用方式有误，本方案适合测量导线正上方或正下方的磁场.

其他如力传感器对拉力方向有要求，在研究单摆绳子拉力时，一个力传感器因为绳子侧拉的缘故，误差会很大.如果要编制习题，应利用两个传感器求合力.

包括曾经在高考，研究平抛运动实验题目中，光电门传感器的安装位置可以改变（实际学生实验中的安装位置是固定的）也引起了一定争议.因而对已编制的DIS新实验新习题，一定要确保经过实验重现，避免给学生错误的引导.

2.4 难度符合新课标

DIS系统非常强大，从学生实验到演示实验，从课外拓展到IYPT學术竞赛，DIS提供了很大的探究空间.那是不是所有的实验结果都值得编制成习题让学生探索呢？新课标提出“要从知识内容等方面科学合理地设计试题难度”.