中学物理实验素养测评试题开发*——以“测量弹簧的劲度系数”为例

张书良

(梅州市教研室 广东 梅州 5140215)

物理学科核心素养作为后天习得的关键品格和必备能力，其每个方面的形成必然遵循独特的学习心理机制[1].为了激发学生的物理学习兴趣，提高学生的科学思维能力和实验探究能力，使学生的物理学科核心素养真正落到实处，为了准确考察中学生的物理实验操作能力，需要借助于物理实验[2].笔者作为地市教研员举办了7届“中学生物理实验能力操作比赛”和1届“中学物理教师常规实验操作比赛”，活动成效显著，对所在地区的物理实验教学与研究具有较大的影响.基于多年的物理实验素养测评试题命制的经验，本文以“测量弹簧的劲度系数”为例，阐述实验素养测评试题的开发策略，以供同仁参考.

1 选定命题范围 确定研究问题

物理实验教学是物理教学的重要组成部分，是培养学生操作技能的主要途径，更是培养学生科学探究能力的重要手段[3].根据《中学物理课程标准》的内容标准要求，“测量弹簧的劲度系数”属于高一必修1内容，根据《物理高考考纲》要求，“测量弹簧的劲度系数”属于高考13个必考实验之一，其在中学物理课程中的地位非常重要.因此，从不同角度以不同的能力要求对该实验进行考查，既符合课程标准和考纲要求，又具有较好的命题价值与学术价值.

2 根据研究问题 设计实验方案

2.1 分析物理量的具体属性和试题场景

围绕研究问题所涉及的物理量，分析该物理量的物理性质与物理意义，寻找与该物理量相关的物理概念和规律，再根据物理概念和规律的具体属性，构建物理量的相关试题场景.然后考虑是否存在直接测量该物理量的工具？如果没有，通过其他什么物理量或规律可以间接测量该物理量？下面以如何测量弹簧的劲度系数作为案例，按照上述流程设计如下：

(1)确定实验目的：测量弹簧的劲度系数.

(2)确定实验研究对象：本实验测量弹簧的劲度系数，实验的研究对象即为弹簧.

(3)确定实验研究对象的属性和试题场景.

要测量弹簧的劲度系数，不妨先回忆相关的弹簧场景(比如：弹簧测力计、用弹簧弹射小球、弹簧振子等……)；确定待测物理量——弹簧的劲度系数；是否存在直接测量读取弹簧劲度系数的仪器——没有；确定弹簧的劲度系数可能与其他物理量之间的关系……

结合中学物理实验教学场景可知：弹簧测力计、弹簧弹射小球等场景中，弹簧都受到了外力作用，并且弹簧都发生了形变.弹簧的劲度系数与弹簧的受力与形变程度有关.

基于上述场景，可以用胡克定律描述弹簧的劲度系数与受力、形变程度的定量关系，也可以根据简谐运动的回复力公式描述弹簧的劲度系数与受力、形变程度的定量关系.

2.2 根据属性和场景 形成不同的实验原理和对应方案

根据物理量的物理属性以及物理场景，分析不同物理场景涉及的实验原理，形成对应的实验方案.

方案一：通过让弹簧受力伸长(原理：胡克定律)；

方案二：构成弹簧振子，让弹簧振子做简谐振动(原理：弹力使物体做简谐振动).

……

2.3 根据不同实验原理 确定各方案的待测物理量

实验原理是依据各物理场景改造后的物理概念或规律.那么，如何根据实验原理使物理量的测量更可行与方便呢？根据上述实验方案，确定其待测物理量如表1所示.

2.4 形成各待测物理量的测量方案 确定测量原理 器材和数据处理方法

确定待测物理量后，如何具体测量这些物理量则构成了新的子任务，这些待测物理量的测量同样可以运用上述各方案进行再分析：待测物理量是否直接测量，可否利用物理量的相关属性进行间接测量；确定测量方法后，如何确定最终的测量仪器；如何根据测量方案确定数据处理的方法.根据上述分析思路，对物理量的测量方案细化后如表2和表3所示.

表2 测量方案一

表3 测量方案二

3 根据实验方案 确定考查的必要技能

根据上述实验方案，确定各实验方案所需的必要技能，该技能包括理解层次与运用层次两个方面.

理解层次包括：物理概念和规律的理解；仪器使用原理和操作方法的理解；实验数据处理方法的理解等.

运用层次包括：能够运用场景涉及的物理概念和规律；能利用相应的物理公式进行运算；能根据实验仪器的操作原理进行科学操作；对实验数据进行分析、处理等.下面分别对两个方案进行说明，如表4和表5所示.

表4 测量方案一说明

表5 测量方案二说明

4 根据实验类型及考查技能 设置考试内容与提示卡

知道各方案所需要具备的必要技能之后，教师可选择期望考查的必要技能，确定实验类型及内容，并设置相应的提示卡,如表6所示.实验类型可分为仪器操作、实验方案设计和物理实验设计(综合)3种.

表6 提示卡设置关系表

下面以方案二(利用简谐振动)作为考查方案，根据3种不同实验类型设置不同的考试题与提示卡.

4.1 仪器操作

4.1.1 考查技能

考查学生对实验仪器的使用步骤以及学生对装置的连接等.例如：在不提供使用说明的情况下学生是否能使用光电门？在不提供装置连接图时能否根据给出的方案设计装置图？

4.1.2 实验内容(第七届比赛第1题)

(1)实验器材：劲度系数待测的弹簧1个,挡光片1块,12007型数字计时器(带光电门)1台,200 g重锤1个,固定夹和铁夹各1只,铁架台1个.

(2)实验原理：物体在平衡位置附近做往返周期性的运动叫简谐振动，如图1所示.

图1 简谐振动示意图

下端挂物体的弹簧沿竖直方向悬挂，称为弹簧振子.如果物体只受重力及弹力的作用，它会以平衡位置O点为中心，在AB间做往返运动(简谐振动)，振动周期为

式中π为圆周率，当弹簧质量忽略不计时，m为振子(物体)的质量，κ为弹簧的劲度系数.可以通过使物体做简谐振动来对弹簧的劲度系数进行测量.

(3)实验要求：

1)列出弹簧劲度系数κ的表达式及大小.根据以上实验原理，画出实验装置图；

2)根据实验装置图，将各实验仪器组装成实验装置，运用连接好的实验装置收集数据；

3)对收集的数据进行分析和处理，并分析实验可能存在的误差及其对测量结果的影响.

4.1.3 提示卡设置

(1)提示卡1：装置图的连接如图2所示.

图2 装置连接图

(2)提示卡2：光电计时器的使用说明(光电计时器的使用是实验实施过程中的核心，也是题目主要考查的技能.因此将光电计时器的使用说明设置为提示卡2).

4.2 实验方案设计

4.2.1 考查技能

侧重理解层次的考核，考查对胡克定律、弹簧回复力等概念的理解以及依据相关原理进行实验设计的能力；同时，也对器材的使用原理进行考查.

4.2.2 实验内容

(1)实验器材：刻度尺、弹簧一根、质量为m的重物、秒表、光电门.

(2)实验要求：请你根据提供的实验器材，设计出至少两种你认为可行的、测量原理不同的测量弹簧劲度系数的实验方案.

4.2.3 提示卡

提示卡可以对提供的实验器材的用途进行说明.

4.3 物理实验设计(综合)

4.3.1 考查技能

关注理解、运用层次内容的综合考查，对学生的要求更高，例如：如何就给出的实验仪器进行设计实验方案，并对设计好的实验方案进行实施.需要学生熟悉弹簧振子的简谐振动，了解简谐振动周期与劲度系数的关系，并能够设计出相应的实验方案.需要学生能根据实验方案，会操作各实验仪器，并能够收集数据、处理数据.

4.3.2 实验内容

(1)实验器材：劲度系数待测的弹簧1个,挡光片1块,12007型数字计时器(带光电门)1台,200 g重锤1个,固定夹和铁夹各1只,铁架台1个.

(2)实验要求：

1)根据提供的实验器材(提供各仪器的使用说明)，设计一个能测出劲度系数κ的实验方案，阐明实验原理；

2)写出弹簧劲度系数κ的表达式，画出实验装置图，并根据实验装置图将各实验仪器组装；

3)运用连接好的实验装置收集数据，对收集到的数据进行分析和处理，并分析实验可能存在的误差及其对测量结果的影响.

4.3.3 提示卡设置

当学生对该题没有思路时，可以申请使用提示卡，但使用提示卡会扣一定的分数.

(1)提示卡1：实验原理.

物体在平衡位置附近做往返周期性的运动叫简谐振动.如图1所示，下端挂物体的弹簧沿竖直方向悬挂，称为弹簧振子，物体受重力及弹力的作用，以平衡位置O点为中心，在AB间的往返运动就是简谐振动.其振动周期为

式中π为圆周率，当弹簧质量忽略不计时，m为振子(物体)的质量，κ为弹簧的劲度系数.

(2)提示卡2：实验装置图的连接如图2所示.

5 结束语

中学物理实验素养测评试题的命制是一项有高难度的工作，命题应符合科学性、可操作性、时代性等基本原则.本文以“测量弹簧的劲度系数”为例阐述了实验素养测评试题的开发策略，主要包括：选定命题范围，确定研究问题；设计实验方案；确定考查技能；设置考试内容与提示卡等4个方面.其他实验素养测评试题的命制也可以类似的方案进行.当然，试题的可靠性必须经过实际操作测试，本文不再作详细阐述.