高考实验题的命制要基于学生的实验探究分析

钟志鹏 袁寿根

摘要：实验是物理学的基础和重要的教学手段，历年高考命题都非常重视对物理实验的考查。文章从学生实验探究的实践体验出发，就2019年高考理综卷（全国卷Ⅲ）第22题，从命题的教材情境溯源、实验数据合理性、实验方案的开放性进行分析，并就实验教学的策略提出了思考和建议。

关键词：高考命题;物理实验;学习实践;教学策略

一、  原题赏析

题目，甲乙两位同学设计了利用数码相机的连拍功能测重力加速度的实验。实验中，甲同学负责释放金属小球，乙同学负责在小球自由下落的時候拍照，已知相机每间隔0.1s拍1幅照片。

1. 若要从拍得的照片中获取必要的信息，在此实验中还必须使用的器材是。（填正确答案标号）

A. 米尺

B. 秒表

C. 光电门

D. 天平

2. 简述你选择的器材在本实验中的使用方法。

答：

3. 实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5cm、ac=58.7cm，则该地的重力加速度大小为g=m/s2。（保留2位有效数字）

参考答案：（1）A;（2）将米尺竖直放置，使小球下落时尽量靠近米尺;（3）9.7。

解析：此实验用数码相机替代打点计时器，故实验原理是相同的，仍然需要米尺来测量点与点之间的距离;本实验要针对不同照片，如图1所示，通过读取三张照片上小球所处位置a、b、c在米尺上对应的刻度值，进而作差得到小球位置之间的距离;加速度求解仍然用逐差法计算，注意是bc与ab之间的距离差。

本题命制有以下特点，（1）内容和方法具有代表性，作为实验题着重考查了加速度的概念，自由落体的规律，逐差法处理数据等高中物理学习的核心内容，内容和方法具有代表性，融合在实验命题中综合性较强。（2）基于学情来创设情境，作为匀变速直线运动规律在生活中的典型例子，小球的自由落体运动情境在教材中、习题中、实验中都反复出现和使用，以此作为实验探究的情境便于学生进入问题解决的状态、便于考查学生物理思想、方法的应用迁移能力。（3）指向核心素养突出问题解决。

本实验问题的设置分为仪器的选择、仪器的使用、数据的处理三个层次，问题和题干相互支撑，突出了匀变速直线运动规律来测量重力加速的思想方法，同时在时间维度上注重打点计时器计时方式在数码相机拍摄特点上的迁移，空间维度上也把一条纸带的处理变化为三张照片的处理，迁移和变化目的还是为了更好地考查学生面对复杂的真实情境，来探究和解决问题的能力，深刻地反映了题目命制的核心素养导向，但是学生早已熟悉的问题情境和教材中反复出现的关于自由落体运动的照片，也对学生在面对本题时产生了困扰和误导。

二、 情境溯源

自由落体运动作为匀变速直线运动规律在生活中的典型例子，在人教版物理教材（必修一）多次出现，必修一教材封面上如图2所示的苹果下落的照片;教材开篇赵凯华教授的《走进物理课堂之前》中，为解决学生们的疑惑“苹果下落，速度是正比于落下的距离还是正比于落下的时间？”，老师介绍了‘频闪仪，并提供了频闪仪拍出的落体照片，如图3所示;如图4所示，在《自由落体》一节的课后习题中也提供了由频闪摄影获取的小球自由下落时的频闪照片。在必修二教材中也有以重锤下落作为情境来实验验证机械能守恒定律的范例和第22题相比较，这些样例当中呈现了两个突出特点。一是都使用的是‘频闪仪，并介绍了‘频闪仪的摄影原理，二是都只用一张照片来呈现自由落体运动的全过程，这些课本的呈现的素材既是教学的载体，也是学生面对高考题，知识和方法赖以迁移转化的基础。

三、 问题商榷

基于以上分析，本实验题值得商榷的地方有两点。

其一，基于学生实验操作的学习体验，提供的数据要更能体现真实性。如图5参照打点计时器在纸带上打点的读数规则，以

a为起点在刻度尺上先后读出b和c点对应的刻度值x1和x2。第22题显然参照了这一规则，提供的数据是ab=24.5

cm、ac=58.7cm，这组数据的设置虽然和纸带的读数规则是相符合的，但是和本题提供的情境一结合，就显得有些突兀，或者说是不符合实验的实际操作情况。原因在于本题提供给考生的是各包含一个位置读数的三张照片，合理的数据处理，当然是先分别读取a、b、c各自对应的刻度值，然后刻度值作差计算ab段的长度和bc段的长度，而不是通过ac与ab段作差再去求bc的长度。高考实验题的命制首要坚持的是实验实践性考查的导向，以此为要求，本题所给出的实验数据还是有值得商榷的地方。

其二，基于教学实际情况，本题的命制还应该更具开放性，日常教学中，无论是教材呈现的图片，还是学生实验得到的打点纸带，都是体现连续运动过程一张照片、一条纸带，同时频闪仪和数码相机在高中实验研究中毕竟使用很少，在拍摄自由落体照片时，其特点和差异学生也并不清楚，命题时没必要在此处设置障碍，而应立足教材和教学实际情况，设置更开放的实验情境，提供更开放的解决方案。

方案一，可提供记录沿米尺下落小球连续三个位置的一张完整照片，来展开实验探究的考查，考查米尺的标尺功能，突出将米尺竖直放置，作为记录a、b、c三个位置的标尺;考查米尺的测量功能，突出科学准确的在米尺上读取数据;然后由逐差法计算重力加速度。

四、 思考建议

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，实验命题着重要对学生实验技能、科学探究能力和创新实践能力进行考查，因此实验情境的选取必须来自学生有切身体验的学习经历，而不能脱离学生学习的实际，实验的数据呈现必须是基于实践的，真实的、科学的，要符合学生实验探究中的认知规律，实验的操作步骤必须是符合学生实验探究实践的，而不能为了增加题目的难度，不顾真实操作的合理性来人为设置陷阱，实验的设计思想、方案更应该在已有的方法、方案上，突出面对新的问题的应用迁移，突出思维方法的灵活性、实验方案的开放性和问题解决能力考查的立意，凸显核心素养的导向。

要积极开发与利用信息技术手段来拓宽实验教学的途径，频闪仪能精确地实现对运动过程的记录与探究。在人教版物理教材的多个章节也都出现了使用频闪仪来进行实验探究的情境，但实际情况是专业的频闪相机比较昂贵，一般学校很少配备;另外，实际使用中照片的冲洗处理过程极为烦琐，费时较多，限制了学生对实验的参与和课堂使用。随着科技进步，数码相机已成为常用工具，普通的数码相机也具备连拍和视频拍摄功能，这两个功能结合图片和视频分析软件完全可以实现“频闪”的效果，实现运动过程合成到一张照片的功能。在教学中把数码相机运用到物理学习，尤其是实验探究中去，既拓宽了实验教学的途径，又增强了学生物理学习的兴趣。

实验教学要通过“一问多解”“一物多用”来设计项目任务，开展项目学习，高考实验命题总是在一定的物理情境中来寻求问题的解决，在问题的解决中达成创新实践能力的考查。实验教学中提供开放性的学习任务来组织项目学习，让学生在参与解决任务的学习活动中熟悉实验仪器的使用、采用科学探究的方法、体验解决问题的流程、感受合作学习的氛围。

倡导“一问多解”“一物多用”的方式来设计项目任务，即围绕一个实验目的来设计不同的实验方案进行科学探究，或者是围绕一件实验器材，按照不同的实验原理来设计不同的实验。以重力加速度的测量为项目任务，组织学生用弹簧秤悬挂重物平衡的方法，用打点计时器和重锤来研究自由落体的过程，用频闪仪、数码相机等获取自由落体运动照片分析的方法等来进行实验探究。以刻度尺在力学实验中的使用为项目任务，组织学生设计方案用刻度尺来测量长度、测量反应时间、测量重力加速度、测量摩擦系数。在实验主题的项目学习过程中，要着重实验方案的设计和基于实验过程体验的项目评价。在实验方案的论证和项目评价的交流中实现方案的分享、行为的规范、思维的碰撞和能力的提升，最终以项目学习为个性化学习平台，在开放性任务的完成过程中使学生有更多动手做实验的机会，更多亲历实验演示的机会，更好地培养和发展学生的实验技能、创新实践能力。

参考文献：

[1]陈海深.新课改背景下如何利用现代技术研究物理实验[J].教学仪器与实验，2016（2）.

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

作者簡介：钟志鹏，袁寿根，江苏省无锡市，无锡市玉祁高级中学。