高考物理实验试题“创新性”考查的内涵及教学启示——以2023年全国各省市高考物理实验试题为例

周 浩 万全红 高逸湘

(1. 广州市第六十五中学,广东 广州 510450;2. 广州市第六十六中学,广东 广州 510460; 3. 长沙麓山国际实验学校,湖南 长沙 410003)

中共中央、国务院的《深化新时代教育评价改革总体方案》在“深化考试招生制度改革”部分指出要“加强科研创新能力和实践能力考查”.[1]因此,高考必须承担评价创新能力、选拔创新人才的任务.2019年,教育部考试中心发布了中国高考评价体系,即“一核四层四翼”,其中“四翼”明确提出了“创新性”考查要求:“创设合理情境,设置新颖的试题呈现方式和设问方式,促使学生主动思考”“要求学生多角度、开放式地思考问题”“考查的是学生的创新思维和意识的创新性”.[2]物理是一门以实验为基础的学科,物理实验在培养和评价学生的创新能力上发挥着不可替代的作用,那么,物理高考实验试题是怎样体现“创新性”考查要求的呢?对教学又有怎样的启示?本文从相关文献梳理高考实验试题“创新性”考查的具体内涵,并以2023年全国各省市高考物理的实验试题为例分析阐述,以期对教学提供借鉴.

1 物理高考实验试题“创新性”考查要求的内涵

情境是实现“四层”考查内容和“四翼”考查要求的载体,“创新性”的情境活动命题“要求学生在正确思想观念引领下,在开放性的综合情境中创造性地解决问题,形成创造性的结果或结论”.[2]对物理学科而言,物理科考试的创新性主要包括创造性的问题解决、创造性的实验设计等方面.通过创新试题的呈现方式和设问方式,要求学生从不同角度分析和思考问题,能提出个性化、创造性的思路和见解.在实验题的设计中,要求学生根据实验目的自主挑选实验仪器、设计实验步骤、处理实验数据、反思实验结果、提出改进措施.在新情境中,要求学生运用提供的信息和已具备的知识、能力、素养分析解决新的问题.[3]可见,实验试题是实现物理高考“创新性”考查的重要载体.上述文献还表明,高考物理实验试题“创新性”的内涵应包括情境素材的创新、考查方式的创新及思维方法的创新3个维度.情境素材的创新是指实验目标、器材或方案等超出了课标或教材范围,情境是全新的但考查的落脚点仍在课内,这就要求考生必须把握新旧信息的联系、准确理解新信息的实质,主要指向“理解掌握”“研究探索”学科素养和理解能力的考查;考查方式的创新体现为新的呈现方式和设问方式,例如关键信息用图像或表格呈现、半开放或开放式设问等,考生需要对知识和信息概括整合,通过思维加工后按要求输出,突出“知识整合”“语言表达”学科素养和推理论证能力的考查;思维方法的创新则要求考生能对实验结果质疑批判、独立自主设计方案及发表创造性见解的能力,强调“科学思维”“创新思维”学科素养和创新能力的考查.各创新维度及考查指向的关系如表1所示.

表1 创新维度及考查指向

显然,思维方法的创新是所有创新性维度中最高阶的,前两个维度往往是思维方法创新的基础,例如开放式的设问方式能激发考生的发散思维和创新思维,而扎实的课内知识和实验技能是以上各创新性维度的共同基础,因此,实验探究能力是解决创新性实验题的基石.以下按照创新性考查的不同维度,分别以2023年全国各省市高考物理试卷中的典型实验试题为例分析阐述.

2 创新性考查典型试题分析

2.1 情境素材的创新性

例1.(2023年湖北卷第11题)某学生利用测质量的小型家用电子秤,设计了测量木块和木板间动摩擦因数μ的实验.如图1所示,木板和木块A放在水平桌面上,电子秤放在水平地面上,木块A和放在电子秤上的重物B通过跨过定滑轮的轻绳相连.调节滑轮,使其与木块A间的轻绳水平,与重物B间的轻绳竖直.在木块A上放置n(n为0～5)个砝码(电子秤称得每个砝码的质量m0为20.0 g),向左拉动木板的同时,记录电子秤的对应示数m.

(1) 实验中,拉动木板时______(填“必须”或“不必”)保持匀速.

(2) 用mA和mB分别表示木块A和重物B的质量,则m和mA、mB、m0、μ、n所满足的关系式为m=________.

(3) 根据测量数据在坐标纸上绘制出m-n图像,如图2所示,可得木块A和木板间的动摩擦因数μ=________(保留2位有效数字).

图2 m-n函数图像

解答:(1) 木块与木板间的滑动摩擦力与两者之间的相对速度无关,则实验拉动木板时不必保持匀速;(2) 对木块、砝码以及重物B分析可知μ(mA+nm0)g+mg=mBg.解得m=mB-μ(mA+nm0).

评析:该题的情境素材极具创新性,主要表现在3个方面:其一是实验目的——测量动摩擦因数不是课标规定的学生实验;其二是实验器材——将常用的弹簧测力计改为测质量的电子秤;最后,摩擦力通过连接体的平衡关系巧妙转换成质量的测量,再通过图像法处理得到实验结果,这一设计思路正是间接测量法的妙用.对比之下,本题的设问和思维方法均比较常规,实验中的线性图像处理无论在课标实验还是往年高考中多次出现,考生应该比较熟悉.解答的关键在于克服陌生情境带来的认知障碍,准确把握实验思路与所学知识的联系,考查了考生的理解辨析能力和“理解掌握”素养.

2.2 考查方式的创新性

例2.(2023年全国甲卷第22题)某学生用伏安法测绘一额定电压为6 V、额定功率为3 W的小灯泡的伏安特性曲线,实验所用电压表内阻约为6 kΩ,电流表内阻约为1.5 Ω．实验中有图3(a)和(b)两个电路图供选择.

图3 电路图及伏安特性曲线

(1) 实验中得到的电流I和电压U的关系曲线如图3(c)所示,该学生选择的电路图是图________(填“a”或“b”)

(2) 若选择另一个电路图进行实验,在答题卡所给图上用实线画出实验中应得到的关系曲线的示意图________.

(2) 若选用另一个电路图即图3(b)实验,会有U=U灯+IRA,则分别代入电流300 mA、500 mA,可知对应的电压应为2.45 V、6.75 V,大致描点连线可得图4.

图4 I-U图像

评析:伏安法测电阻的两种测量电路是考生非常熟悉的学习探索类情境,但该题摒弃了“根据器材数据选择测量电路”的常规考查方式,而是将实际测量结果以图像的形式呈现,并要求以此为证据对测量电路进行论证和判断,考生必须要抓住图像和题干中的关键信息,对比电表内阻对“内接法”和“外接法”的误差影响并作出判断,考查了科学探究中的证据意识、“理解掌握”素养及推理论证能力.第2空要求用绘图的方式来表达分析结果,对比“给出数据描点作图”的常规考法显得更加灵活,对思维能力要求更高.考生要先对“内接法”和“外接法”测量值进行对比分析,为了更准确地画出图线,还要从“外接法”的图线上找几个特殊数据点算出“内接法”的数据,这能更好地考查考生的证据意识、推理论证能力及“知识整合”“语言表达”素养.

例3.(2023年辽宁卷第11题节选)某学生为了验证对心碰撞过程中的动量守恒定律,设计了如下实验:用纸板搭建如图5所示的滑道,使硬币可以平滑地从斜面滑到水平面上,其中OA为水平段.选择相同材质的一元硬币和一角硬币进行实验.

图5 滑道示意图

测量硬币的质量,得到一元和一角硬币的质量分别为m1和m2(m1>m2).将硬币甲放置在斜面一某一位置,标记此位置为B(如图6).由静止释放甲,当甲停在水平面上某处时,测量甲从O点到停止处的滑行距离OP.将硬币乙放置在O处,左侧与O点重合,将甲放置于B点由静止释放.当两枚硬币发生碰撞后,分别测量甲、乙从O点到停止处的滑行距离OM和ON.保持释放位置不变,重复实验若干次,得到OP、OM、ON的平均值分别为s0、s1、s2.

图6 对心碰撞实验

(4) 由于存在某种系统或偶然误差,计算得到碰撞前后甲动量变化量大小与乙动量变化量大小的比值不是1,写出一条产生这种误差可能的原因________.

解答: (4) 根据实验方案,导致实验出现误差的因素可能有:碰撞时不完全是对心碰撞、质量或距离的测量不准确、空气阻力的影响、两枚硬币与桌面的动摩擦因数并不一致、碰撞中内力没有远大于外力、硬币未确保从同一高度释放等等.

评析:该题第(4)问没有唯一的标准答案,属于开放式设问,考生可从测量、操作过程、客观环境条件等多角度进行批判性和发散性思考,再经严密的分析论证得出合理解答.这种考查方式可以让回答者自由发挥,有利于评价考生是否具备推理论证能力、创新能力和“创新思维”素养.同时,回答者必须用精练、准确的科学术语表达输出答案,考查了“语言表达”素养.

2.3 “思维方法创新性”试题

例4.(2023年江苏卷第12题节选)小明通过实验探究电压表内阻对测量结果的影响．所用器材有:干电池(电动势约1.5 V,内阻不计)2节;两量程电压表(量程0～3 V,内阻约3 kΩ;量程0～15 V,内阻约15 kΩ)1个;滑动变阻器(最大阻值50 Ω)1个;定值电阻(阻值50 Ω)21个;开关1个及导线若干．实验电路如图7所示．

图7 实验电路图

(4) 在图7所示的电路中,若电源电动势为E,电压表视为理想电压表,滑动变阻器接入的阻值为R1,定值电阻的总阻值为R2,当被测电阻为R时,其两端的电压U=________(用E、R1、R2、R表示),据此作出U-R理论图线如图8中虚线所示．小明发现被测电阻较小或较大时,电压的实测值与理论值相差较小．

图8 U-R图像

(5) 分析可知,当R较小时,U的实测值与理论值相差较小,是因为电压表的分流小,电压表内阻对测量结果影响较小．小明认为,当R较大时,U的实测值与理论值相差较小,也是因为相同的原因．你是否同意他的观点?请简要说明理由________．

(5) 不同意;理由说明如下.

思路2:由题意可知,滑动变阻器接入的阻值R1为任意值均不影响实验结果,因此可设R1=0,而R增大至R2时,U的实测值与理论值完全相同,说明当R不断接近R2时,U的实测值与理论值相差也越来越小,但是电压表分流却在不断增大.

评析:对比第(5)问的两种解答思路,思路1通过严格的数学推导进行证明,虽然严谨但显得非常繁琐,似乎不是命题者的本意;思路2则抓住题中的滑动变阻器阻值R1对实验结果不影响的特点,采用极限法,将R1和R的值分别推向最小和最大,巧妙得出结论,这种思路回避了繁琐的运算过程,更具有创造性.本题要求考生能摆脱定式思维的束缚,通过质疑批判、大胆创新,得出独创性见解,凸显了“思维方法创新性”的考查要求.

2.4 情境素材、考查方式及思维方法的综合创新

例5.(2023年湖南卷第11题)某学生探究弹簧振子振动周期与质量的关系,实验装置如图9所示,轻质弹簧上端悬挂在铁架台上,下端挂有钩码,钩码下表面吸附一个小磁铁,其正下方放置智能手机,手机中的磁传感器可以采集磁感应强度实时变化的数据并输出图像,实验步骤如下.

图9 实验装置图

(1) 测出钩码和小磁铁的总质量m;

(2) 在弹簧下端挂上该钩码和小磁铁,使弹簧振子在竖直方向做简谐运动,打开手机的磁传感器软件,此时磁传感器记录的磁感应强度变化周期等于弹簧振子振动周期;

(3) 某次采集到的磁感应强度B的大小随时间t变化的图像如图10所示,从图中可以算出弹簧振子振动周期T=________(用“t0”表示);

图10 B-t图像

(4) 改变钩码质量,重复上述步骤;

(5) 实验测得数据如表2所示,分析数据可知,弹簧振子振动周期的平方与质量的关系是________(填“线性的”或“非线性的”);

表2 实验数据表

(6) 设弹簧的劲度系数为k,根据实验结果并结合物理量的单位关系,弹簧振子振动周期的表达式可能是________(填正确答案标号);

(7) 除偶然误差外,写出一条本实验中可能产生误差的原因:________．

评析:本题的实验目标——“探究弹簧振子振动周期与质量的关系”.实验测量器材——手机磁传感器均为课内实验未曾出现过的,属于典型的情境素材创新,考生需要准确理解和辨析磁感应强度变化与弹簧振子振动之间的关系;磁感应强度的大小B随时间t的变化信息以图像形式呈现,考生需要将其转换为振动周期,而实验数据以表格形式呈现,考生要在观察数据的基础上进一步通过论证、归纳得出结论,这两小问在呈现方式上有所创新.第(6)问放弃控制变量法而选择从理论上对猜想分析论证,从量纲分析的角度引导考生推测振子周期T与劲度系数k的关系,这种新颖的设问方式,能激发考生从不同角度分析问题.第(7)问要求考生写出一条可能产生系统误差的原因,开放式的设问为考生大胆提出个性化、创造性的见解提供了空间.综上所述,本题在情境素材、考查方式及思维方法3个方面均体现创新性,对考生的关键能力和学科素养进行了全面考查.

3 2023年高考物理实验试题创新性考查统计分析

为更全面了解高考物理实验试题的创新性考查情况,本文选取了具有代表性的全国甲、乙卷、新课标卷及广东、湖南、湖北、辽宁、江苏、浙江(6月)、山东等省份试卷中的19道实验试题,对每道题的创新性类型进行分析统计,体现创新性考查要求的试题题号及频次统计如表3所示.

表3 实验试题创新性统计

从表3的数据可知,这19道试题中体现创新性考查要求的共有12道,并以情境素材和考查方式的创新为主,思维方法创新涉及较少,大多数试题对创新性的考查往往只涉及1～2个方面,只有湖南卷第11题全部涉及,这可能是命题者出于难度控制或避免阅卷产生争议等因素的考虑.10份试卷中,3套全国卷在实验题创新性考查上略显保守,另外7套自主命题的地方卷则大胆尝试、各具特色,例如广东卷近3年全部的实验试题均只在情境素材上创新,考查方式和思维方法仍偏传统和基础,而辽宁卷、湖南卷的试题不满足于情境素材的创新,还在其他两个方面积极探索,尤其是湖南卷的第11题做到了3者的巧妙融合,是创新性考查的典范.同时,也应该注意到思维方法创新性试题偏少,而最能甄别考生创新能力、选拔创新人才的恰好是这类问题,因此,这类试题的命制还有待探索.

4 教学启示

4.1 夯实基础知识和技能,培养实验探究能力

知识技能是创造的前提和基础,个体知识经验不广不深,创造就成了无本之木、无源之水.[4]高考创新性实验试题虽然创新维度各异,但所考查的知识和方法基本源于课内所学,因此,教学应将夯实基础摆在首位,特别是课标规定的必做实验,不仅要让学生亲身经历每个实验的方案设计、操作实施、数据处理及误差分析,而且要充分利用实验过程中出现的如电路故障、误差较大等各种问题,引导学生自主解决,使之在实践中迁移运用知识,发展观察、动手操作及问题解决等实验技能,培养形成探究能力.

4.2 经历挑战性任务,促成高通路迁移

迁移是指把在一个情境中学到的东西迁移到新情境的能力,当新任务与原任务不相似时,称为“高通路迁移”,创新就是指迁移至高度不相似的现实世界场景,面对现实世界的复杂问题,需要自己找到线索,综合所学形成解决方案,[5]正是在解决挑战性任务的过程中促使学生不断经历高通路迁移,形成创新意识和创造性解决问题的能力,如江苏卷第12题第(5)问即是典型案例.因此,实验教学中也要多设置这样的挑战性学习任务,例如让学生自主设计探究方案,然后再对不同的方案给出优缺点的评价并提出改进建议等;再例如某些课内实验目标是否可以在家里找到替代性器材和方案完成?当然,若任务的挑战性太大也容易让学生放弃,因此任务的进阶性和教师引导尤为重要.

4.3 激发创新思维,鼓励实际和创新应用

创新性实验试题常涉及新颖的实验方案设计、非常规的实验方法和独特的思路,这要求学生必须具备创新思维,教学中教师应创造机会和空间给学生思考、提问及讨论,如探究结束后让学生讨论:该探究方案有哪些不足之处?是否有更好的实验方法弥补?还能提出其他方案吗等等,通过质疑讨论、思维碰撞激发创新意识和创造力.另外,创新性实验试题常涉及物理知识的实际和创新应用,如今年湖南卷第12题就极具STEM特征,教师可以通过案例分析、实际问题解决等方式,激发学生将所学物理知识运用于实际创造发明的兴趣,培养他们的创新能力.