稳中有变 变中求新 有迹可循——恢复高考以来高考物理全国卷实验试题统计分析

王 丽 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006)

高考是我国选拔优秀人才的一种衡量方式,实验是高考物理考查的重点,成为师生教与学需突破的重难点.从1978年恢复高考全国命题至今,高考从全国统一命题走向自主命题又分批回归全国统一命题,2019年使用全国卷的省份高达80%.以恢复高考全国命题以来67套全国卷实验试题的分类统计为依据,系统性研究恢复高考以来全国卷实验试题结构特点,考查内容与能力立意变化,以期对教师与学生探寻变化规律,做到“以不变应万变”有所裨益.

1 实验试题分值和比例统计分析

统计实验试题分值和数量的试卷占比,发现除了1978年至1980年以外,其余年份的高考实验试题占总分比例均在11%-15%范围内,与考试大纲规定实验考查比例11%-13%基本相符.1978年至1981年的高考物理试卷未出现实验题型,这与高考尚且处于恢复时期有关,这一时期的试卷结构在变化,试题的评价功能也不断在摸索,到1980年才在试卷中增加实验题[1].随着高考评价机制逐渐成熟,实验的考查也稳中有进,在2000年之前高考实验试题所占比例普遍集中在11%左右,但在2000年之后高考实验题的比例大多集中在14%,说明高考对实验考查的重视程度日趋提升,且逐渐趋于稳定;实验试题个数普遍集中在1-3个之间,早期的实验试题个数普遍是3个,而到2002年之后实验试题1-2个居多,早期的3个实验中每个实验试题就考查一个知识点,知识针对性较强,而近几年考查的1个实验中往往涵盖知识系统性考查,知识点间关联性较强,由知识立意走向能力立意,逐渐趋于注重对学生综合实验能力的考查.

2 实验试题题型分布统计分析

实验试题的题型多元,包括选择题、填空题、作图题、简答题.如表1所示,历年高考全国卷实验试题中,填空题占比最大,作图题次之,选择题最少,主要以填空题和作图题的题型呈现,两者相加所占比例高达75%.不同实验题型在考查内容上的差异性决定了实验试题题型结构的多样性,选择题一般考查实验原理、方法、仪器的选择、实验结果的评价与分析的正误判断;填空题一般考查实验仪器的读数、实验步骤的排序、实验的简单计算、实验方法、实验原理或重要步骤的补空等,既包括学生对于实验过程的记忆性知识,又涵盖一些把解题过程隐形的小计算题;作图题主要考查电路原理图的设计、实物图的连接、图像法处理数据等;简答题主要考查学生对实验结果的评价分析和科学表述,难度较大.

表1 历年高考全国卷实验试题题型分布统计表

3 实验试题考查内容统计分析

实验试题命题依据考试大纲与教材,高中物理教材内容由力、电、热、光、近代物理这几大部分所组成,对于高中物理而言,尚未涉及到近代物理学板块的实验,但又涉及一个特殊的板块即物理量的测量,将高考实验试题按力、电、热、光、物理量测量五个方面的数据统计如表2所示.

表2 历年高考全国卷实验试题结构分布统计表

由表2可知,历年高考实验试题中,电学实验所占比重最大,高达54%,其次是力学实验25.18%,物理测量类试题次之11.76%,热学和光学实验试题都相对较少.热学和光学实验在前二十年的高考试题或大纲卷高考试题中呈现较多,近几年鲜少出现,其考查比例小与课程改革、课程标准有关,课程改革实行模块化教学,电学实验和力学实验都属于必修模块范畴,考查力度较大,而热学和光学实验属于选修模块范畴,某些省份学生不选择学习此模块的知识,为实现全国卷实验考查的统一,考查比例自然很小;同时电学和力学是物理的两大重要的基础分支,高中物理课程标准更侧重对电学和力学两大知识系统的要求.对考查较频繁的电学、力学、物理量测量三个版块的实验内容进行具体统计分析.

3.1 电学实验

图1可见,历年电学实验中考查最多的是电阻测量类试题,其中包括对普通电阻、电表内阻、电源内阻、特殊元件如二极管、热敏电阻的测量,测量的方法多元化,包括伏安法、安安法、安阻法、伏阻法、半偏法、替代法、电桥法等,虽形式创新,但仍根基于原型实验伏安法测电阻.从与考试大纲的相关程度的角度来看,电阻的测量、多用电表的使用、电表改装均在考试大纲要求实验之列,说明高考命题与考试大纲具有较高的一致性;不在大纲考查实验行列的一类实验均来源教材,如通电导线在磁场中受到的力,电源的输出功率与外电路的电阻关系、电路故障检测、模拟电场等势线、示波器的使用等,一定程度上说明了虽然考试大纲是命题依据,但教材仍是第一参考,教材实验同样不可小觑;还有一类实验源于教材,却又高于教材,如热敏电阻控制的报警系统、组装简易多用电表、验证楞次定律、测量电流表的实际量程,这些实验属于创新性设计实验,但还是千篇一律地考查教材核心知识,只是创新了考查形式与情境,对于这类相对陌生的实验,要求学生灵活迁移应用知识,洞悉新情境下的基本实验原理,同时需具备创新意识和解决实际问题的能力.

图1 历年高考全国卷电学实验频次统计图

3.2 力学实验

图2可见,历年高考全国卷考查的力学实验较分散,其中考查最多的是牛顿第二定律实验,包括教材原型实验探究加速度与力、质量的关系和拓展应用类实验如测量动摩擦因数、测量凹形桥最低点速度.从与考试大纲契合程度来看,历年的高考力学实验主要分为两类:一是实验与考试大纲规定实验相同,例如验证牛顿第二定律、验证力的平行四边形定则、验证机械能守恒定律、验证动量守恒定律、探究轻弹簧的弹性势能等,这类实验在历年试题中频繁出现,是高考复习的重点;二是基于考纲考查知识的创新应用类力学实验,例如2011年光电门测量物体加速度、2015年测凹形桥最低点速度和测量物块与斜面的动摩擦因数、2017年自制“滴水计时器”计量时间,根基于基础知识,创设新情境,着重深层能力考查.值得注意的是,创新应用类力学实验普遍出现在近10年高考试题中,早年的力学实验试题多以教材原型实验考查形式呈现,说明高考实验考查由纯粹的学科知识化走向丰富的情境多元化,更注重学生科学思维与实验探究能力的培养,彰显高考命题的素养导向[2].

图2 历年高考全国卷力学实验频次统计图

3.3 物理量测量

历年全国卷考查读数的实验仪器主要有游标卡尺、螺旋测微器、电流表、电压表、天平、多用电表、弹簧测力计等,如图3所示,考查频次最高的实验仪器是游标卡尺和螺旋测微器.早年常以单独小问的填空形式来考查,但在近几年里常被包含在某些实验中,如在测量金属的电阻率实验中可以同时考查螺旋测微器的读数.实验仪器读数是要求学生具备基本的实验技能,是笔试外显学生操作性实验技能的有效途径,对中学生需正确使用的仪器、有效数字的要求均在考试大纲的实验说明中有所体现.无论未来实验试题如何变化,实验仪器的读数必不可少,因为精密科学的数据测量是物理实验的基础.

图3 历年高考全国卷实验仪器读数频次统计图

4 实验能力考查的统计分析

根据高考物理考试大纲的实验能力要求,将实验试题命题要求分为四个能力层次: (1) 认识与理解:明确实验目的,能理解实验原理和方法; (2) 操作与实践: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; (3) 分析与评价: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; (4) 设计与创新: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.

根据历年高考考查的具体内容,将实验要素分为以下五个方面:基本仪器;实验原理(图)、方法;实验操作、步骤(实物图);数据处理、误差分析;实验设计、分析评价.其中前四个要素属于基础认知能力层次:认知与理解、操作与实践,最后一个要素属于高阶思维能力层次:分析与评价、设计与创新.

表3 历年高考全国卷实验试题考查要素统计表

4.1 基本仪器、实验原理方法的认知与理解是实验基础

实验基本仪器的考查主要包括对仪器的准确使用,实验仪器的读数,实验仪器的选择三方面.从历年高考试题的统计发现,仪器读数和仪器选择深受高考命题者青睐.仪器读数与使用是基本的实验技能要求,实验仪器的选择处于实验基本技能和实验原理的交叉地带,既考查学生对实验仪器认知程度,又考查学生对实验原理、方法、思想的理解程度.

实验原理与方法是物理实验的起点与基础,实验原理为理论与实验架起了桥梁,是实验科学性的依据.实验原理一直是考查重点,其中渗透学生对基础理论知识的实验迁移应用能力考查,属于基本的认知与理解层次.

4.2 实验步骤、数据处理的操作与实践是关键能力

实验步骤的考查是学生动手实践能力和实验素养的直观体现,属于操作层次,在实验试题中实验步骤的排序或补空描述、电路实验实物图的连接呈现居多,其中电路实物图的连接在67套试题中出现了26次,说明高考侧重对实物图连接的考查,因笔试形式的限制,只能通过实物图“以笔代线”侧面反映学生的动手操作能力.

数据处理分析是实验的关键,高考主要考查图像法和公式法分析处理数据,体现学生应用数学解决物理问题的能力,统计发现近几年高考实验试题频繁考查实验数据处理,说明高考对学生基本的实验信息加工处理能力的重视度逐渐提高.

4.3 分析与评价、创新实验设计为素养导向

分析与评价、创新实验设计属于高考实验试题的高阶思维能力层次,对于学生的综合实验能力要求很高.从整体来看,高考实验考查基础认知层次能力居多,而高阶思维能力考查比例较小,仅占16.63%,但统计发现在近几年考查力度较大,主要考查学生对于实验整体的评价,对探究活动中未解决的问题提出优化实验的建议和措施及简单性的实验设计,主观性较强,要求学生从基本认知层次跨越到复杂思维层次,体现高考命题逐渐趋于灵活开放,由知识、能力立意逐渐走向素养立意[3].

5 高考实验试题的特点和未来命题趋势

5.1 实验试题结构特点

高考实验试题在全卷占比稳定在13%左右,题型“新颖、变化、灵活、多样”,填空题占比最高,但同时混合着选择题、作图题、简答题的考查,实现题型多样化,每类题型都有其特点,选择题和填空题具有简洁性、客观性、准确性、跨度大、覆盖面广的特点,但在一定程度上限制了学生的发挥;具有主观成分的简答题具备不确定性,可以考查学生的表述能力、创造能力;作图题是物理学科特色化考查形式,配合考查学生的简单电路设计能力.试题结构以电、力学模块实验为主,前期考查的实验较零碎,往往是几道相关性不强的独立小问,后期趋向“一力一电”两道实验大题的呈现形式,考查内容和能力更系统化和多元化,由零散走向系统,由简单的知识立意走向综合的能力立意.

5.2 实验试题内容特点

高考物理实验试题考查的内容覆盖面广,重点突出.一道实验试题可以涵盖基本仪器的读数、实验原理、实验步骤、实验数据处理、结果分析与评价、简单设计实验等多方面的考查,各个能力层次突出,彰显针对性和综合性.其次,实验命题有明显的侧重点,电学频考的基础性实验:电阻的测量、电表的改装、多用电表的使用;力学频考的基础性实验:牛顿第二定律实验、验证力的平行四边形定则、验证机械能守恒定律,命题有教材可循,有考试大纲可依.

实验试题在注重基础性的同时渗透创新性,在物理实验中,实验目的是核心,实验方法原理是基础,实际操作是关键,数据处理方法是基石,这些基本实验要素考查渗透于每年的高考试题之中,体现对基础知识和基础能力的重视程度[4].其次,高考实验试题不再是墨守成规的原型实验,呈现“年年新,年年变”的特点,命题往往在某些基本实验要素的考查上“下功夫”寻求创新变式,综合性考查学生真正灵活迁移的实验能力,而不是记忆层次的简单“背实验”能力,例如2019年高考全国卷Ⅰ和Ⅲ均考查电表的改装与校准,只有在平时动手实验的基础上加以独立思考才能解决,凸显培养学生分析评价与设计创新的高阶发散思维[5].

5.3 高考命题趋势

5.3.1 以考试大纲、课程标准为命题依据,源于教材却高于教材

考试大纲是为高考而量身定做的命题规范和标准,课程标准是教材编写、教学评估和考试命题的依据,虽然前者似乎更侧重于考试,但是后者也承载着考试命题的基本根据,特别是新课标提出的核心素养,也必将渗透于考试大纲的能力和内容要求之中,而教材是实现课程目标、实施教学的重要手段,高考命题的知识范围均源于教材,但不拘泥于教材原型实验,源于教材却高于教材.参透考试大纲和课程标准变化,回归教材,夯实基础,拓展思维,才是精准备考实验试题的第一要义.

5.3.2 加强实践操作的考查,强调“做”中“学”

高考以笔试的形式考查学生的实验能力,本身就存在一定的不足,以至于出现“钻实验操作空子”的现象,做实验变成背实验,观察实验现象变成记忆实验现象.实验操作的规范性也属于实验考查的范畴,但由于笔试的局限性而不得,学生的知识体系是有缺陷的,所以加强实践操作的考查、落实实验操作考试、渗透平时真正动手实验方可解决问题的命题思想将是未来高考的趋势所在.引导物理实验教学多实践、善观察、勤思考,在“做”中“学”,在“行”中“悟”.

5.3.3 与实际生活联系紧密,实验迁移、创新设计为重点

近几年高考实验试题逐渐摒弃考查一成不变的教材实验,衍生出许多实验变式、实验迁移、实验创新设计,具有一定的开放性和探究性,鼓励学生从多角度思考问题和发散思维,对学生综合实验能力培养具有重要的导向作用.未来实验命题将更趋于生活化、情境化,取材于生活,解决生活中实际问题,紧密联系社会生产生活实际,强调实验探究,培养实验创新意识.

5.3.4 融入新科学技术的实验元素,渗透素养立意

随着科学技术的不断发展,实验仪器不断先进化,数据处理也变得信息化,传感器的广泛应用,DIS系统的逐渐成熟,这些新的技术都带给中学物理实验新的变化,在近几年高考实验试题也有所体现,例如将传统的打点计时器替代成为位移传感器,光电门测速度等,说明新科学技术的融入成为实验试题的重要背景是未来命题的发展趋势,实现实验命题由能力立意走向核心素养立意,逐渐实现实验试题考查学生核心素养的评价目标.