高考物理实验试题的特征分析与教学启示——以2022年高考物理实验试题为例

荆 鹏，刘雨欣，侯 恕

(东北师范大学 物理学院，吉林 长春 130024)

2019年11月，教育部发布的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》明确指出：实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径，要加强和改进中小学实验教学工作[1].

实验教学是高中物理课程的重要组成部分，是引导学生独立思考、自主探究、合作交流的有效路径，能够发展学生物理学科核心素养，对于培养学生的科学思维、提升学生的科学探究能力具有重要作用. 自《中国高考评价体系》发行以来，高考实现了由单一考试评价体系向立德树人重要载体和素质教育关键环节的转变[2]，其育人功能和积极导向作用愈发凸显. 为此，本文选取了2022年全国甲卷、全国乙卷、河北卷、山东卷、湖南卷、广东卷和浙江卷7套高考物理试题中的实验试题为研究对象，从题型设置、步骤环节、教材关联、情境创设、绝对难度、科学探究等多个视角探析了实验试题的特征，并予以实验教学建议，以期为“双减”背景下深入落实课程标准的物理实验教学提供参考．

1 高考物理实验试题的特征分析

1.1 实验试题的题型设置形式

对2022年高考7套物理实验试题的设问方式、考查实验能力、实验内容等方面进行统计，结果如表1所示.

由表1可知，高考实验试题能够从多维度考查学生的实验操作能力、数据处理能力、实验设计能力、实验解释能力等实验素养，检验了《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》(简称“新课标”)对物理实验要求的成果落实. 学生只有在物理学习过程中亲历实验设计与动手操作、观察现象与记录数据、分析归纳得出结论等环节[3]，并具备一定的科学探究能力，才能在考试中正确作答. 实验试题在整套物理试卷中的分值占比约为15%，整体稳定，对学生知识、能力及科学素养的考查也较为综合. 实验试题的题型稳定、统一，考查形式呈现多元，以填空、选填和选择为主，作图、简答和排序等设问方式次之，具体题型设置情况如图1所示.

表1 2022年高考物理实验试题的题型设置

图1 2022年高考物理实验试题的题型设置

1.2 实验试题的步骤环节

将2022年高考7套物理实验试题的步骤环节考查划分为原理方法、仪器选择、仪器读数、操作步骤、数据处理、误差分析和结论评价7个方面进行统计，如表2所示. 可以看出，数据处理在7套实验试题中均有涉及，形式包括通过图像获取描述实验数据、通过实验器材直接获取数据、通过数学运算得出数据等. 其中部分省份试卷(如河北卷、广东卷、浙江卷)的实验步骤考查环节覆盖面广，涉及对学生多个维度的能力探查.

表2 2022年高考物理实验试题的考查内容

1.3 实验试题与教科书的关联程度

对2022年7套物理实验试题与人教版物理教科书(简称“教科书”)实验的关联、内容(知识点)、章节对应的情况进行统计，结果如表3所示.

表3 2022年高考物理实验试题与教科书实验的关联

将表3中试题与教科书实验的关联类型分为教材实验、教材改编实验和非教材实验3种类型，其统计占比分别为14.3%，35.7%和50.0%. 例如，河北卷中电学实验试题以人教版选择性必修二第五章第2节“练习与应用”中电饭煲结构图为原型进行了创新设计，利用废弃电饭煲的部分器材自制简易电饭煲，通过选用器材让学生设计电路、诊断故障以考查多用电表的使用和温度传感器的工作原理及应用. 由此可见，高考物理实验试题在深化基础考查，立足教材实验的同时，对教材实验进行了创新设计，要求学生在深刻理解的基础上进行融会贯通、灵活运用. 另外，高考物理实验试题还注重考查学生应用物理知识解决真实问题的探究能力.

1.4 实验试题的情境创设统计

基于高考评价体系将7套试卷中的物理情境横向划分为科学探究、生产生活和科技发展[4]；依据试题与情境的关系将其纵向划分为情境分离型、情境嵌入型和情境结合型[5]，并进行了统计分析，如图2所示. 物理实验试题的情境创设多为结合型，旨在考查学生的科学探究能力，其中全国乙卷、河北卷、山东卷及湖南卷4套试卷中的物理实验试题均存在与时政热点、现实生活密切相关的情境. 例如，山东卷第13题以天宫课堂上航天员演示实验为启发进行实验方案设计；湖南卷第11题以测量冰墩墩质量为情境，有效引导学生关注时事热点和社会发展，增强学生的民族归属感和认同感，旨在落实立德树人的根本任务.

图2 2022年高考物理实验试题的情境设置

1.5 实验试题的绝对难度分析

1.5.1 实验试题的绝对难度统计

高考实验试题绝对难度评估工具由阅读量、背景、内容量、推理、数学技能、开放度、阶梯性7大指标和多级水平构成，可以获得不同实验试题各难度指标的数值[6]，根据绝对难度评估工具中的实验试题难度评估指标及量化标准分别对7个指标进行赋值，并通过SPSS 25.0将不同量级的数据转化为统一量度的Z-Score分值进行比较，以提高数据的可比性.

以山东卷第13题为例：该题目以科技成果转化为背景，背景处于水平3，赋值3；题目只存在基本技能与简单数值运算(不包括任何字母符号)，因此数学技能处于水平2，赋值2；题目无开放性，为封闭题，故开放度处于水平1，赋值1. 其余指标同样依据此标准进行赋值，如表4所示，均值表示各级评价指标水平赋值的平均值.

表5为表4中水平赋值进行Z标准化处理后得到的指标难度值，均值表示各级指标难度的平均值，如山东卷阅读量难度为0.19；难度(ΣZ)表示题目的总难度，取各指标难度之和，例如山东卷第13题的难度为0.74，试卷总难度则为1.04，剩余6套试卷同样依据此方法进行处理. 最终分析结果显示：河北卷和广东卷实验试题的考查内容多元，难度较高；全国甲卷和全国乙卷的实验试题难度较低.

表4 2022年高考实验试题评价指标的水平赋值

1.5.2 实验试题的绝对难度顺序分析

试题不仅能够检测学生学科知识的基本功底，还具有测量心理抗压能力的功用. 如图3所示，对7套物理实验试题的难度顺序进行统计，试题总体呈现先易后难的顺序，难度层层递进，题目顺序设置合理，能较好地考查学生在答题过程中的心理素质水平.

图3 2022年高考物理实验试题的绝对难度

1.5.3 实验试题的各指标难度分析

通过对7套高考物理实验试题的各级指标难度进行分析，发现各省份对实验试题的难度设置各有侧重，如表5所示.

表5 2022年高考实验试题Z标准化后的难度分析

从表5中可以看出：河北卷的阅读量指标难度相对较高，平均字符数约为每题450个；山东卷的背景难度相对较高，第13题以天宫课堂的演示实验为背景，背景指标难度处于水平3；在内容量维度中，广东卷2道实验试题均涉及实验原理的应用，需要进行原因分析，难度较高. 多数实验试题的各步骤间存在关联,即阶梯性指标难度相差不大，其中浙江卷在此方面进行了改进创新，17题中分别考查了3个实验，使得阶梯性难度偏高，推理难度偏低. 湖南卷的数学技能难度较高，需要绘制图像，数值运算也较为复杂. 全国乙卷、河北卷和浙江卷设有简答题，答案不固定，即开放度指标难度相对较高.

1.6 实验试题对科学探究的考查

物理实验在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要地位[3]. 对科学探究的考查是衡量实验试题质量好坏的重要依据.

结合“新课标”可将科学探究划分为提出问题、猜想与假设、明确目的、选取方法、制定步骤等10个要素，对7套高考物理实验试题进行分析，如表6所示. 绝大部分试题将明确目的、选取方法、制定步骤、收集证据、描述处理数据和论证解释数据6个要素融入实验试题，对科学探究进行了较为全面地考查. 受考试时间和形式的限制，高考实验试题对猜想与假设和交流、评估与反思考查较少.

表6 2022年高考物理实验试题对科学探究的考查

2 结论分析与教学启示

2.1 重视教材实验内涵，引导教学回归教材

2022年高考物理实验试题与教材紧密关联，既包含了显性关联，如试题中的题图源自教材，实验流程环节与教材基本一致；也包含了隐性关联，如全国甲卷的第23题取材于教材中动量守恒实验器材，创新了实验方案，考查了完全弹性碰撞的验证，体现了试题对教材内容的创新设计和精心改编. 这对于教师的实验教学设计提出了新的要求：1)要立足于教材实验，注重渗透物理概念、规律和方法，深化实验教学的基础性和实践性，学习落实课程理念，灵活设计教学过程,做到“用教材教”而不是“教教材”[7]；2)要在关注教材实验文本的基础上，认真研读“新课标”与教材，领会课程标准中对实验部分的核心要义，发掘教材实验中的底蕴精神，进行实验创新设计. 教材是支撑教师和学生互动沟通的桥梁、媒介或资源[8]，教师对教材实验理解的深度和广度会直接影响实验教学效果，对引领学生的方向性和启发设问的适切性具有重要作用.

2.2 优化实验设计形式，提升科学探究能力

2022年高考物理实验试题对科学探究各个要素的考查频率较高，在实验原理的阐释、实验方案设计制定、实验仪器选择使用、实验数据处理优化、实验结论解释论证等方面进行了多维考查，如湖南卷第11题测量冰墩墩玩具的质量，要求学生利用生活化的简易材料，根据实验目的和实验素材绘制图表和设计测量，具有一定的探究性；广东卷第11题验证机械能守恒定律，要求学生能够对误差进行合理的解释和分析，明确实验操作对实验产生的影响，注重对学生科学探究能力的考查.

科学探究能力的形成不是一蹴而就的，借助物理实验这一学习环节，学生亲历实验操作过程，思考实验现象的原理本质，不断优化实验环节流程，才能切实提高实验能力和科学探究能力[3]. 为此，应强化学生实践操作，完善实验教学体系，让实验课“少一点演示，多一份亲历”，以教学实验为立足点开展样态多元化的科学探究拓展活动，丰富实验教学内容，优化实验教学形式，注重学生对实验设计的参与，着力提升学生的科学探究能力. 以“探究小车速度随时间变化的规律”的实验教学为例，除按照课本上实验操作流程教学外，教师可以设计分组实验、误差分析、评估反思等探究活动，使学生在实践中不断发现问题、解决问题，培养科学思维，认识科学本质，养成科学态度. 此外，开发地方课程和校本课程，加强实验教学与其他学科和教育社会实践等领域的有机融合[1]，有利于激发学生的探究兴趣，培养学生的创新精神，提升学生的科学素养.

2.3 创设真实实验情境，突出价值观念引领

2022年高考物理实验试题注重生活情境和探索情境的有机融合，选取与社会热点和现实生活相关的素材，考查学生解决真实情境问题的综合能力. 例如山东卷以“天宫课堂”的演示实验为情境，与科学热点紧密结合的同时也体现了新时代我国重大科技发展成果，从而有助于提升学生的民族自信心和自豪感，对发展学生核心素养、实现物理学科育人价值具有重要作用[9]，并以此启发学生发现问题、设计方案、完善实验，提升学生的实验创新能力. 此外，全国乙卷的“雷达探测高速飞行器的位置”、湖南卷的“测量冰墩墩的质量”等情境设置，素材新颖独特，紧跟时事热点，注重理论联系实际，关注考查学生的实验探究能力和思维品质. 此类具有新情境的实验试题是对物理知识学习的迁移应用，解答此类题目需要学生具有一定的生活常识并能关注时事热点.

物理实验教学为学生在认知活动过程中学习知识和探索新事物创造了条件，有助于学生主动获取知识，发展自身能力. 情境化试题是考查学生物理学科素养的重要载体，高考物理命题注重试题情境的设计,反映了当代科学技术发展的思想成果,凸显了物理学科在解决实际问题中的应用价值[10]. 因此，建议教师在实验教学中融入社会热点和生活相关素材，一方面能还原实验本身源自生活，让学生在实验过程中，体验学以致用、求真探索的探究乐趣，而非依照书本就实验论实验，机械固化的流水线操作；另一方面以真实情境为实验设计载体，考查了学生运用知识和解决问题的能力，同时把社会主义核心价值观有机融入到学科教学实践中，彰显了学科育人价值. 学生在解决此类实验试题时，要形成对试题“去情境化”的追本溯源和“再情境化”的反思归纳的意识，真正做到“从生活走向物理，从物理走向社会”.

3 结束语

高考向教师和学生传递了“什么是教与学最重要的内容”,对教育教学有重要的牵引和拉动作用[11]. 综合并全面分析高考物理实验试题，有助于进一步归正实验教学方向和优化实验教学设计，对促进实验教学作为发展学生学科素养的重要路径和环节具有重要作用. 2022年高考物理实验试题坚持素养导向，聚焦科学探究能力和实验综合能力探查，精筛细选真实问题情境，密切联系生活，紧扣时代脉搏，凸显立德树人的价值关切. 在物理实验教学实践中，教师角色也应由“演示者”转向“引导者”和“研究者”，提升高中物理实验教学的有效性与针对性，帮助学生建构清晰的物理知识图景，培养学生对物理实验学习的浓厚兴趣，促进学生核心素养的发展.