真实情境实验试题的“一面旗”功能

姚中化 黄正玉

(1. 深圳市教育科学研究院，广东 深圳 518021； 2.深圳市第二实验学校，广东 深圳 518021)

教育部考试中心指出,高考命题将继续坚定正确的政治方向,紧紧围绕高考的核心功能,上好“立德树人一堂课”、做精“服务选才一把尺”、树好“引导教学一面旗”．本文通过几个实际案例分析,真实情境实验试题如何引导教学的．

1 真实情境实验试题可以引导学生走出死记硬背

案例1.小车与滑板间的摩擦还是小车与桌面间的摩擦?

(2021年深圳一模)(7分)图1为“验证加速度与质量关系” 的实验装置,图2为同时释放小车甲、乙后打出的两条纸带(相邻计数点间均有4个点并未画出)．忽略绳子的质量以及滑轮与绳子间的摩擦．

图1

图2

(1) 测量得到各相邻计数点间的距离如表1所示(单位:cm).

表1

可以判断桌面上运动的小车______(填“甲”或“乙”)的加速度较大．请通过定量分析,说明你的判断依据:

(2) 测得甲、乙两车质量分别为M1、M2,加速度分别为a1、a2,若在误差允许范围内满足____________(用a1、a2、M1、M2表示),则验证了加速度与质量的关系．

(3) 欲得到(2)中的实验结论,下列操作必要的有________

(A) 连接小车的细绳与桌面平行.

(B) 平衡两小车和桌面间的摩擦力.

(C) 用天平测量动滑轮和钩码的总质量.

实验创新点: (1) 第1问设置的加速度判断属于重点必考,但是增加的“通过分析说明判断依据”这一空,考核的是学生的“推理论证能力”,属于“新高考”新增“关键能力”,要求学生“用数据说话”,树立“证据意识”,利用“控制变量”思想．因而评分细则规定,“因为甲速度变化快,所以加速度大”,这样的回答并不符合要求,也不能给分．考生可以直接算出两个点的速度,并比较速度相同时间的速度变化大小,也可以通过相邻相同时间内的位移差进行判断,或者直接算出平均加速度进行比较．

(2) 实验设置者有意将常规实验中的滑板去掉,改为直接将小车放置在桌面上．学生如果不分析题意,直接记住“细线应该与木板平行”,不能“与桌面平行”,于是第3问只选(B),没有选(A)．作为大规模的模拟考试来说,积极发挥了试题引导教学的功能．提醒物理教学必须注重具体问题具体分析,物理教学切忌死记硬背．题目大胆设置需要学生具备“创新思维”,敢于接受“通过倾斜桌子平衡摩擦”的大胆构想．题目(A)、(B)两个选项实际上还具有自洽性,如果认为(A)选项错误,那么(B)选项也是错的,因为描述的情境都是小车直接放置在桌面上的．

案例2.有或者没有立柱的平抛仪.

(2000年天津、江西卷)(6分)某同学用图3所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证动量守恒定律,图3中PQ是斜槽,QR为水平槽,实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下,落到位于水平地面的记录纸上,留下痕迹,重复上述操作10次,得到10个落点痕迹,再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,让A球仍从位置G由静止开始滚下,和B球碰撞后,A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹,重复这种操作10次,图3中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点,B球落点痕迹如图4所示,其中米尺水平放置,且平行于G、R、O所在的平面,米尺的零点与O点对齐．

图3

图4

(1) 碰撞后B球的水平射程应为______cm．

(2) 在以下选项中,哪些是本次实验必须进行的测量?答:________(填选项号).

(A) 水平槽上未放B球时,测量A球落点位置到O点的距离.

(B)A球与B球碰撞后,测量A球及B球落点位置到O点的距离.

(C) 测量A球或B球的直径．

(D) 测量A球和B球的质量(或两球质量之比).

(E) 测量G相对于水平槽面的高度．

参考答案: (1) 64.7； (2) (A)、(B)、(D).

实验创新点： 本试题的设置体现高考试题命题的“考查基础,变换情境,设问科学,注重创新”的基本原则．第1问考核数据处理和读数的基本技能,属于考查基础,只有经历过真实情境的学生才能准确答出．第2问属于变换情境,如果对原有实验中的带立柱的平抛实验仪器不清楚,不知道“两个小球抛出点不同”,也就无法理解“为什么需要测量小球直径”．因而势必死记硬背,于是在本题的回答中也错误的选择了(C)选项．

这个实验试题的创新情境完全来自于真实情况,原有带立柱的实验装置(图5),立柱的安放是一个操作难点,往往达不到竖直放置,或者导致两球不在同一水平面．而且立柱装置容易损坏,于是学生们便常有将被碰小球放置在斜槽末端的操作．本实验题作为高考题,在发挥高考试题“引导教学的一面旗”的功能方面,可以说是载入物理高考史的经典案例．实验题设置充分“体现公平公正,以生考熟,直击软肋”．

图5

2 真实情境实验试题可以培养创新能力

案例3.单摆悬点固定的另类模式.

(改编创新实验)在“用单摆测定重力加速度”的实验中,(1) 如图6取细线一根,两端各连接一个带孔的钢球,将钢球1用铁架台夹紧固定．测摆长时,测量的________长度为l和摆球直径d,则摆长为________; (2) 测周期时,当摆球经过________位置时开始计时并计数1次,测出经过该位置N次(约60～100次)的时间为t,则周期为________．

图6

此外,请你从下列器材中选用所需器材,再设计一个实验,粗略测出重力加速度g,并参照示例填写表1、表2(示例的方法不能再用)．

表1

表2

A.天平； B.刻度尺; C.弹簧秤; D.电磁打点计时器; E.带夹子的重锤; F.纸带; G.导线若干; H.铁架台; I.低压交流电源; J.低压直流电源; K.小车; L.螺旋测微器; M.斜面(高度可调,粗糙程度均匀).

实验创新点：摆球是中学物理实验的基本仪器,可以在不同实验中用到,如单摆测定重力加速度,摆球在竖直平面运动的机械能守恒,摆球间碰撞的动量守恒．然而摆球的悬线怎么固定,却是一个令众多学生困扰的难题．

专用的单摆装置有一个专门固定悬线的卡扣,只需将线穿进去,再用旁边的螺旋装置固定细线便可,如图7所示．

图7

然而,很多实验室没有配备这种专门装置,只有配套的悬线和小球,这种情况下需要配合常规的铁架台进行固定,于是就有了各种悬线的绕法．

本实验设计巧妙地取两个带孔小球(图8),并用细线将两者连接,将其中的一个小球用铁架台固定,于是便解决了悬点无法固定的难题．这可能是最具创意的摆球固定方式．带来的问题是,摆长的测量仍然是摆线加上摆球半径．答题中发现很多学生误认为是两球球心间距离为摆长,完全脱离了真实情境．考核的是学生的创新能力,就是在新情境下,以摆长的基本概念为基础,如何创造性的完成任务．

图8

案例4.没有大头针怎么测定折射率？

插针法测定玻璃砖折射率,是中学物理基本实验,需要仪器有玻璃砖、大头针和白纸．

参考答案：如图9,其中大头针是用来确定光路的．

图9

实验创新点： 如果没有大头针,实验怎么完成呢?2020年中学生物理竞赛广东省复赛实验试题,实验设计就没有为考生提供大头针．

那怎么办呢?创造性能力就在这个时候可以激发出来．华南师大王笑君教授对核心素养考核的描述:“不追求题目的结构完整,目标指向半开放,追求临场思考”．

笔者在探究课上布置了这个作业,没有提供大头针,让学生们在实验室真实环境下,完成玻璃砖的折射率测定．实践中,学生有用三角板的边当作入射光的,有直接用明亮的黑笔画的直线当作入射光线的,也有用笔尖替代大头针的．总之不完整实验反而将学生思维打开,创造力得到极大地激发．