紙筆測試中評價科學探究要素的途徑

摘 要：紙筆測試中，科學探究是解決系列實驗環節問題的過程.根據課標對科學探究的定義及科學探究水平4的描述，將科學探究的四個要素與學生熟悉的實驗環節相對應.結合江蘇省兩次適應性考試實驗題，給出了科學探究的四個要素的評價途徑.

關鍵詞：科學探究要素;實驗環節;評價途徑;紙筆測試

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0007-05

1 科學探究要素的解構

1.1 課標關于科學探究的表述

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確指出：“科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力[1].”課程標準根據以上定義將科學探究概括為問題、證據、解釋、交流四個要素.

課標將高中物理學業分五級水平，其中學業質量水平4是高考命題的依據.科學探究水平4的描述為“能分析相關事實或結論，提出并準確表述可探究的物理問題，作出有依據的假設;能制訂科學探究方案，選用合適的器材獲得數據;能分析數據，發現其中規律，形成合理的結論，用已有的物理知識進行解釋;能撰寫完整的實驗報告，對科學探究過程與結果進行交流和反思[1].”

1.2 紙筆測試中科學探究要素的解構

基于中國高考評價體系，教育部考試中心將物理科所要求的實驗能力與科學探究整合為“實驗探究能力”[2]，并在高考時通過紙筆測試考查學生的這種能力.紙筆測試是測試考生已有的知識、方法和能力，考查考生在封閉的情境下獨立作答的能力，所以紙筆測試中的實驗題屬于結構良好的問題.

眾所周知，一份完整的高中實驗報告一般包括以下幾個環節：實驗名稱、實驗者信息、實驗目的、實驗原理、實驗器材、實驗步驟、實驗數據記錄和處理、誤差分析和問題討論.結合科學探究的定義和科學探究水平4的描述，將科學探究四個要素和物理實驗報告的相關環節進行了拆分、分類和配對，如圖1所示，以便于從實驗環節的操作層面研究紙筆測試中科學探究四個要素的評價途徑.紙筆測試中，在對一些問題討論時需要準確的書面表達，在交流要素中增加了“準確表述”環節.

紙筆測試中，科學探究是解決系列實驗環節問題的過程.實驗探究能力考查的是解決實驗題設問的能力，因為實驗題的設問可以融入實驗的相關環節，所以科學探究要素的評價途徑也就體現為具體實驗環節的考查方式.

1.3 兩道適應性考試實驗題

江蘇省2021年兩次適應性考試實驗題關注了實驗眾多環節的考查，通過填空、作圖、問答等多種的作答方式，很好地考查了學生的實驗探究能力.本文以兩次適應性考試的實驗題為例，探討科學探究四個要素的評價途徑及相關問題解決的思路.

例題1 （2021年江蘇1月適應性考試 12題）用如圖2所示的實驗裝置測量木塊與長木板間的動摩擦因數μ.把左端帶有滑輪的長木板平放在實驗桌上，載有砝碼的木塊右端連接穿過打點計時器的紙帶，左端連接細線，細線繞過定滑輪掛有槽碼，木塊在槽碼的牽引下運動.通過紙帶測量木塊的加速度，并測出木塊與砝碼的總質量M、槽碼的總質量m，計算木塊與木板之間的摩擦力f.改變M和m進行多次實驗.

（1）下列實驗操作步驟，正確順序是_____.

①=釋放木塊

②接通打點計時器電源

③將木板固定在水平桌面上

④調節滑輪高度使細線與木板平行

⑤將紙帶穿過打點計時器的限位孔并固定在木塊上

（2）實驗打出的一段紙帶如圖3所示.打點計時器的工作頻率為50Hz，圖中紙帶按實驗尺寸畫出，則木塊的加速度為____m/s2.

（3）甲同學測得的數據見表1.

請根據表中的數據，在方格紙（圖4）上作出 f-M 圖像.

（4）已知重力加速度g=9.80m/s2，可求得該木塊與木板的動摩擦因數μ=_____.

（5）乙同學用（3）問表中的數據逐一計算出每次測量的μ值，取其平均值作為測量結果.他發現該值比甲同學在（4）問中得出的μ值大.你認為哪位同學的結果更準確，請簡要說明理由.

例題2 （2021年江蘇4月適應性考試 11題）某同學測量一根長直電阻絲的電阻率.按圖5所示的電路用等效替代方法測出一段電阻絲的電阻：導線Ⅰ和Ⅱ先按圖5中的實線連接，后按圖5中的虛線連接.在上述兩種情形下，當電流計的示數為零時導線Ⅰ和Ⅱ中無電流流過，電壓UP1C=UP2B，則RP1B+R0=RP2B，由此可測得P1P2段的電阻為R0.R0的阻值已知，P1P2的長度通過固定在電阻絲旁的刻度尺讀出.

（1）待測電阻絲的總電阻約20Ω，若有兩種阻值的定值電阻：①10Ω;②30Ω.實驗中R0應選用_____.

（2）根據圖5中實線的電路，請用筆畫線代替導線，將滑動變阻器連入圖6所示的實物電路.

（3）按圖6中實線連接好電路后，閉合開關S1和S2，接下來的正確操作順序是_____.

①將導線Ⅰ連接在B上

②記下P1位置在刻度尺上的讀數

③記下P2位置在刻度尺上的讀數

④調節滑動變阻器的觸頭，使的示數為零

⑤改變導線Ⅱ連接在電阻絲上的位置，使的示數為零

（4）該同學多次更換定值電阻R.重復上述實驗.當R0=15Ω時，記下P1的讀數為70.00cm，P2的讀數為20.00cm.用螺旋測微器測得電阻絲的直徑，并計算出電阻絲的橫截面積為0.500mm2.由此求得電阻絲的電阻率ρ=_____Ω·m.

（5）小明同學認為，與教材中“測量金屬絲的電阻率”的實驗方法相比，上述實驗測得電阻的誤差更小.你是否同意他的觀點？請簡要說明理由.

2 “問題”的評價途徑

2.1 實驗目的

紙筆測試中，一般會開門見山，題干的第一句話會明確給出實驗目的，請注意圈劃.

2.2 實驗原理

實驗原理指實現實驗目的的物理規律（公式），要根據實驗的目的來思考實驗的原理.根據實現實驗目的可以分為明確型、多樣型，如果是未學過的則為創新型，如圖7所示.例如，“測量電源電動勢和內阻”的實驗原理為閉合電路的歐姆定律，但是根據不同的實驗儀器可以寫出不同的表達式，可認為該實驗的原理為多樣型.

問題1：閱讀例1、例2的題干，圈劃實驗目的，力學實驗注意明確研究對象，寫出實驗原理，猜測需要測量的物理量.

答：例題1和例題2的實驗原理均為明確型.例題1：實驗目的為“測量木塊與長木板間的動摩擦因數μ”.研究對象為木塊，所用規律為滑動摩擦力的公式f=μFN，得μ=fFN，需要測量滑動摩擦力和木塊與長木板間的彈力.例題2的實驗目的為“測量一根長直電阻絲的電阻率”.所用規律為電阻定律的公式R=ρlS，得ρ=RSl，需要測長直電阻絲的電阻、橫截面積和長度.

3 “證據”的評價途徑

3.1 實驗方案

實驗方案是從操作的角度把實驗原理具體化、程序化，即按照實驗的原理設計實驗的程序和步驟，實現對需要的物理量的測量，如圖8所示.特別要注意的是，實驗方案要完全根據命題者對題目的敘述或提供的線索來構思.

問題2：完成例2（1），并寫出理由.

答：該問題考查的是器材選擇.選擇①，因為根據題干條件RP1B+R0=RP2B，待測電阻絲的部分阻值已經大于R0.

問題3：仔細觀察例2圖5中滑動變阻器的接法，在圖5中完成例2（2）.

答：滑動變阻器連接時分兩步進行，首先將變阻器的整個阻值與電源、開關相連，然后再連其他部分，如圖9所示.

問題4：完成例2（3），并寫出排序理由.

答：②④①⑤③（或④②①⑤③）.回到題干中去：按圖5所示的電路用等效替代方法測出一段電阻絲的電阻：導線Ⅰ和Ⅱ先按圖5中的實線連接，后按圖5中的虛線連接.在上述兩種情形下，（補充第一種情形的操作，步驟②，補充操作，根據題干排序，步驟④）當電流計的示數為零時導線Ⅰ和Ⅱ中無電流流過，（補充第二種情形的操作，步驟①⑤③）電壓UP1C=UP2B，則RP1B+R0=RP2B，由此可測得P1P2段的電阻值為R0.

問題5：完成例1（1），并寫出排序理由.

答：③⑤④②①.回到題干中去：把左端帶有滑輪的長木板平放在實驗桌上（根據題干排序，步驟③），載有砝碼的木塊右端連接穿過打點計時器的紙帶（根據題干排序，步驟⑤），左端連接細線，（補充操作，步驟④）細線繞過定滑輪掛有槽碼，（補充操作，參考經典實驗的操作注意點，步驟②①）木塊在槽碼的牽引下運動.

3.2 記錄數據

實驗原始數據是實驗的重要證據.該環節常?？疾閷嶒瀮x器的讀數，力學和電學實驗的讀數注意點如圖10所示.

4 “解釋”的評價途徑

4.1 處理數據

處理數據就是對原始數據進行運算和分析，常常用計算法和圖像法，如圖11所示.

4.2 實驗結論

處理數據后，分析出實驗結論.例如，填寫計算的數值結果，寫出發現的數據規律，用已有知識進行解釋等.

問題6：完成例題1（2）和例題2（4）.

答：例題1（2）可以將后面的18個間隔分成兩大段，按實際印刷大小，用Δx=aT2（要理解推論中的物理量）計算加速度.例題2（4）的結果為1.5×10-5，電阻

和橫截面積直接給了數值，有效長度為兩讀數之差.兩題均要注意單位換算.

問題7：完成例1（3）（4）.

答：如圖12所示.

由滑動摩擦力公式得f=μgM，可知f-M圖線的斜率為μg，則k=ΔfΔM=2.4-0.20.68-0=μg，解得μ=0.33.

5 “交流”的評價途徑

5.1 誤差分析

實驗的誤差是不可避免的.分析誤差時要反思實驗的過程和結果，尋找誤差的來源，并知道如何有效地減小測量誤差.系統誤差的來源途徑和減小偶然誤差的方法如圖13所示.

5.2 準確表述

實驗問題討論的文字表述需要準確、簡潔，要做到有問必答，并根據設問，順著命題者的思路和要求解答，關鍵詞要顯眼.

問題8：完成例1（5）、例2（5）.

答：例1（5）：甲同學，因為從f-M圖像可知實驗中存在紙帶和打點計時器的摩擦力f0，實際f=μMg+f0，用圖像法計算時，f0不會影響斜率;如果逐點計算，會將f0算作μMg的一部分，導致摩擦系數變大，產生系統誤差;例2（5）：同意，因為按教材的方法電表內阻導致實驗誤差更大.建議：對教材的經典實驗要非常熟悉，才能比較、遷移.

總之，紙筆測試中評價科學探究要素的途徑是具體的實驗環節，目的是考查考生的科學探究能力.如何提升學生的科學探究能力？平時的教學中，教師要創造良好的實驗環境，讓學生通過自主學習、合作學習、探究學習等多種學習方式，經歷完整的實驗過程，寫好實驗報告，并鼓勵學生積極參加課外探究活動，提升實驗探究能力.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂） [M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）：38-44.

（收稿日期：2021-09-25）

基金項目：江蘇省南通市教育科學“十三五”規劃課題“基于物理學科核心素養培育的深度學習研究”（項目編號：JY2020010）.

作者簡介：程柱建（1977-），男，江蘇如皋人，碩士，中學高級教師，教研員，研究方向：中學物理課程與教學、教師隊伍建設研究.