高考物理實驗試題“創新性”考查的內涵及教學啟示
——以2023年全國各省市高考物理實驗試題為例

周 浩 萬全紅 高逸湘

(1. 廣州市第六十五中學,廣東 廣州 510450;2. 廣州市第六十六中學,廣東 廣州 510460; 3. 長沙麓山國際實驗學校,湖南 長沙 410003)

中共中央、國務院的《深化新時代教育評價改革總體方案》在“深化考試招生制度改革”部分指出要“加強科研創新能力和實踐能力考查”.[1]因此,高考必須承擔評價創新能力、選拔創新人才的任務.2019年,教育部考試中心發布了中國高考評價體系,即“一核四層四翼”,其中“四翼”明確提出了“創新性”考查要求:“創設合理情境,設置新穎的試題呈現方式和設問方式,促使學生主動思考”“要求學生多角度、開放式地思考問題”“考查的是學生的創新思維和意識的創新性”.[2]物理是一門以實驗為基礎的學科,物理實驗在培養和評價學生的創新能力上發揮著不可替代的作用,那么,物理高考實驗試題是怎樣體現“創新性”考查要求的呢?對教學又有怎樣的啟示?本文從相關文獻梳理高考實驗試題“創新性”考查的具體內涵,并以2023年全國各省市高考物理的實驗試題為例分析闡述,以期對教學提供借鑒.

1 物理高考實驗試題“創新性”考查要求的內涵

情境是實現“四層”考查內容和“四翼”考查要求的載體,“創新性”的情境活動命題“要求學生在正確思想觀念引領下,在開放性的綜合情境中創造性地解決問題,形成創造性的結果或結論”.[2]對物理學科而言,物理科考試的創新性主要包括創造性的問題解決、創造性的實驗設計等方面.通過創新試題的呈現方式和設問方式,要求學生從不同角度分析和思考問題,能提出個性化、創造性的思路和見解.在實驗題的設計中,要求學生根據實驗目的自主挑選實驗儀器、設計實驗步驟、處理實驗數據、反思實驗結果、提出改進措施.在新情境中,要求學生運用提供的信息和已具備的知識、能力、素養分析解決新的問題.[3]可見,實驗試題是實現物理高考“創新性”考查的重要載體.上述文獻還表明,高考物理實驗試題“創新性”的內涵應包括情境素材的創新、考查方式的創新及思維方法的創新3個維度.情境素材的創新是指實驗目標、器材或方案等超出了課標或教材范圍,情境是全新的但考查的落腳點仍在課內,這就要求考生必須把握新舊信息的聯系、準確理解新信息的實質,主要指向“理解掌握”“研究探索”學科素養和理解能力的考查;考查方式的創新體現為新的呈現方式和設問方式,例如關鍵信息用圖像或表格呈現、半開放或開放式設問等,考生需要對知識和信息概括整合,通過思維加工后按要求輸出,突出“知識整合”“語言表達”學科素養和推理論證能力的考查;思維方法的創新則要求考生能對實驗結果質疑批判、獨立自主設計方案及發表創造性見解的能力,強調“科學思維”“創新思維”學科素養和創新能力的考查.各創新維度及考查指向的關系如表1所示.

表1 創新維度及考查指向

顯然,思維方法的創新是所有創新性維度中最高階的,前兩個維度往往是思維方法創新的基礎,例如開放式的設問方式能激發考生的發散思維和創新思維,而扎實的課內知識和實驗技能是以上各創新性維度的共同基礎,因此,實驗探究能力是解決創新性實驗題的基石.以下按照創新性考查的不同維度,分別以2023年全國各省市高考物理試卷中的典型實驗試題為例分析闡述.

2 創新性考查典型試題分析

2.1 情境素材的創新性

例1.(2023年湖北卷第11題)某學生利用測質量的小型家用電子秤,設計了測量木塊和木板間動摩擦因數μ的實驗.如圖1所示,木板和木塊A放在水平桌面上,電子秤放在水平地面上,木塊A和放在電子秤上的重物B通過跨過定滑輪的輕繩相連.調節滑輪,使其與木塊A間的輕繩水平,與重物B間的輕繩豎直.在木塊A上放置n(n為0～5)個砝碼(電子秤稱得每個砝碼的質量m0為20.0 g),向左拉動木板的同時,記錄電子秤的對應示數m.

(1) 實驗中,拉動木板時______(填“必須”或“不必”)保持勻速.

(2) 用mA和mB分別表示木塊A和重物B的質量,則m和mA、mB、m0、μ、n所滿足的關系式為m=________.

(3) 根據測量數據在坐標紙上繪制出m-n圖像,如圖2所示,可得木塊A和木板間的動摩擦因數μ=________(保留2位有效數字).

圖2 m-n函數圖像

解答:(1) 木塊與木板間的滑動摩擦力與兩者之間的相對速度無關,則實驗拉動木板時不必保持勻速;(2) 對木塊、砝碼以及重物B分析可知μ(mA+nm0)g+mg=mBg.解得m=mB-μ(mA+nm0).

評析:該題的情境素材極具創新性,主要表現在3個方面:其一是實驗目的——測量動摩擦因數不是課標規定的學生實驗;其二是實驗器材——將常用的彈簧測力計改為測質量的電子秤;最后,摩擦力通過連接體的平衡關系巧妙轉換成質量的測量,再通過圖像法處理得到實驗結果,這一設計思路正是間接測量法的妙用.對比之下,本題的設問和思維方法均比較常規,實驗中的線性圖像處理無論在課標實驗還是往年高考中多次出現,考生應該比較熟悉.解答的關鍵在于克服陌生情境帶來的認知障礙,準確把握實驗思路與所學知識的聯系,考查了考生的理解辨析能力和“理解掌握”素養.

2.2 考查方式的創新性

例2.(2023年全國甲卷第22題)某學生用伏安法測繪一額定電壓為6 V、額定功率為3 W的小燈泡的伏安特性曲線,實驗所用電壓表內阻約為6 kΩ,電流表內阻約為1.5 Ω．實驗中有圖3(a)和(b)兩個電路圖供選擇.

圖3 電路圖及伏安特性曲線

(1) 實驗中得到的電流I和電壓U的關系曲線如圖3(c)所示,該學生選擇的電路圖是圖________(填“a”或“b”)

(2) 若選擇另一個電路圖進行實驗,在答題卡所給圖上用實線畫出實驗中應得到的關系曲線的示意圖________.

(2) 若選用另一個電路圖即圖3(b)實驗,會有U=U燈+IRA,則分別代入電流300 mA、500 mA,可知對應的電壓應為2.45 V、6.75 V,大致描點連線可得圖4.

圖4 I-U圖像

評析:伏安法測電阻的兩種測量電路是考生非常熟悉的學習探索類情境,但該題摒棄了“根據器材數據選擇測量電路”的常規考查方式,而是將實際測量結果以圖像的形式呈現,并要求以此為證據對測量電路進行論證和判斷,考生必須要抓住圖像和題干中的關鍵信息,對比電表內阻對“內接法”和“外接法”的誤差影響并作出判斷,考查了科學探究中的證據意識、“理解掌握”素養及推理論證能力.第2空要求用繪圖的方式來表達分析結果,對比“給出數據描點作圖”的常規考法顯得更加靈活,對思維能力要求更高.考生要先對“內接法”和“外接法”測量值進行對比分析,為了更準確地畫出圖線,還要從“外接法”的圖線上找幾個特殊數據點算出“內接法”的數據,這能更好地考查考生的證據意識、推理論證能力及“知識整合”“語言表達”素養.

例3.(2023年遼寧卷第11題節選)某學生為了驗證對心碰撞過程中的動量守恒定律,設計了如下實驗:用紙板搭建如圖5所示的滑道,使硬幣可以平滑地從斜面滑到水平面上,其中OA為水平段.選擇相同材質的一元硬幣和一角硬幣進行實驗.

圖5 滑道示意圖

測量硬幣的質量,得到一元和一角硬幣的質量分別為m1和m2(m1>m2).將硬幣甲放置在斜面一某一位置,標記此位置為B(如圖6).由靜止釋放甲,當甲停在水平面上某處時,測量甲從O點到停止處的滑行距離OP.將硬幣乙放置在O處,左側與O點重合,將甲放置于B點由靜止釋放.當兩枚硬幣發生碰撞后,分別測量甲、乙從O點到停止處的滑行距離OM和ON.保持釋放位置不變,重復實驗若干次,得到OP、OM、ON的平均值分別為s0、s1、s2.

圖6 對心碰撞實驗

(4) 由于存在某種系統或偶然誤差,計算得到碰撞前后甲動量變化量大小與乙動量變化量大小的比值不是1,寫出一條產生這種誤差可能的原因________.

解答: (4) 根據實驗方案,導致實驗出現誤差的因素可能有:碰撞時不完全是對心碰撞、質量或距離的測量不準確、空氣阻力的影響、兩枚硬幣與桌面的動摩擦因數并不一致、碰撞中內力沒有遠大于外力、硬幣未確保從同一高度釋放等等.

評析:該題第(4)問沒有唯一的標準答案,屬于開放式設問,考生可從測量、操作過程、客觀環境條件等多角度進行批判性和發散性思考,再經嚴密的分析論證得出合理解答.這種考查方式可以讓回答者自由發揮,有利于評價考生是否具備推理論證能力、創新能力和“創新思維”素養.同時,回答者必須用精練、準確的科學術語表達輸出答案,考查了“語言表達”素養.

2.3 “思維方法創新性”試題

例4.(2023年江蘇卷第12題節選)小明通過實驗探究電壓表內阻對測量結果的影響．所用器材有:干電池(電動勢約1.5 V,內阻不計)2節;兩量程電壓表(量程0～3 V,內阻約3 kΩ;量程0～15 V,內阻約15 kΩ)1個;滑動變阻器(最大阻值50 Ω)1個;定值電阻(阻值50 Ω)21個;開關1個及導線若干．實驗電路如圖7所示．

圖7 實驗電路圖

(4) 在圖7所示的電路中,若電源電動勢為E,電壓表視為理想電壓表,滑動變阻器接入的阻值為R1,定值電阻的總阻值為R2,當被測電阻為R時,其兩端的電壓U=________(用E、R1、R2、R表示),據此作出U-R理論圖線如圖8中虛線所示．小明發現被測電阻較小或較大時,電壓的實測值與理論值相差較?。?/p>

圖8 U-R圖像

(5) 分析可知,當R較小時,U的實測值與理論值相差較小,是因為電壓表的分流小,電壓表內阻對測量結果影響較?。∶髡J為,當R較大時,U的實測值與理論值相差較小,也是因為相同的原因．你是否同意他的觀點?請簡要說明理由________．

(5) 不同意;理由說明如下.

思路2:由題意可知,滑動變阻器接入的阻值R1為任意值均不影響實驗結果,因此可設R1=0,而R增大至R2時,U的實測值與理論值完全相同,說明當R不斷接近R2時,U的實測值與理論值相差也越來越小,但是電壓表分流卻在不斷增大.

評析:對比第(5)問的兩種解答思路,思路1通過嚴格的數學推導進行證明,雖然嚴謹但顯得非常繁瑣,似乎不是命題者的本意;思路2則抓住題中的滑動變阻器阻值R1對實驗結果不影響的特點,采用極限法,將R1和R的值分別推向最小和最大,巧妙得出結論,這種思路回避了繁瑣的運算過程,更具有創造性.本題要求考生能擺脫定式思維的束縛,通過質疑批判、大膽創新,得出獨創性見解,凸顯了“思維方法創新性”的考查要求.

2.4 情境素材、考查方式及思維方法的綜合創新

例5.(2023年湖南卷第11題)某學生探究彈簧振子振動周期與質量的關系,實驗裝置如圖9所示,輕質彈簧上端懸掛在鐵架臺上,下端掛有鉤碼,鉤碼下表面吸附一個小磁鐵,其正下方放置智能手機,手機中的磁傳感器可以采集磁感應強度實時變化的數據并輸出圖像,實驗步驟如下.

圖9 實驗裝置圖

(1) 測出鉤碼和小磁鐵的總質量m;

(2) 在彈簧下端掛上該鉤碼和小磁鐵,使彈簧振子在豎直方向做簡諧運動,打開手機的磁傳感器軟件,此時磁傳感器記錄的磁感應強度變化周期等于彈簧振子振動周期;

(3) 某次采集到的磁感應強度B的大小隨時間t變化的圖像如圖10所示,從圖中可以算出彈簧振子振動周期T=________(用“t0”表示);

圖10 B-t圖像

(4) 改變鉤碼質量,重復上述步驟;

(5) 實驗測得數據如表2所示,分析數據可知,彈簧振子振動周期的平方與質量的關系是________(填“線性的”或“非線性的”);

表2 實驗數據表

(6) 設彈簧的勁度系數為k,根據實驗結果并結合物理量的單位關系,彈簧振子振動周期的表達式可能是________(填正確答案標號);

(7) 除偶然誤差外,寫出一條本實驗中可能產生誤差的原因:________．

評析:本題的實驗目標——“探究彈簧振子振動周期與質量的關系”.實驗測量器材——手機磁傳感器均為課內實驗未曾出現過的,屬于典型的情境素材創新,考生需要準確理解和辨析磁感應強度變化與彈簧振子振動之間的關系;磁感應強度的大小B隨時間t的變化信息以圖像形式呈現,考生需要將其轉換為振動周期,而實驗數據以表格形式呈現,考生要在觀察數據的基礎上進一步通過論證、歸納得出結論,這兩小問在呈現方式上有所創新.第(6)問放棄控制變量法而選擇從理論上對猜想分析論證,從量綱分析的角度引導考生推測振子周期T與勁度系數k的關系,這種新穎的設問方式,能激發考生從不同角度分析問題.第(7)問要求考生寫出一條可能產生系統誤差的原因,開放式的設問為考生大膽提出個性化、創造性的見解提供了空間.綜上所述,本題在情境素材、考查方式及思維方法3個方面均體現創新性,對考生的關鍵能力和學科素養進行了全面考查.

3 2023年高考物理實驗試題創新性考查統計分析

為更全面了解高考物理實驗試題的創新性考查情況,本文選取了具有代表性的全國甲、乙卷、新課標卷及廣東、湖南、湖北、遼寧、江蘇、浙江(6月)、山東等省份試卷中的19道實驗試題,對每道題的創新性類型進行分析統計,體現創新性考查要求的試題題號及頻次統計如表3所示.

表3 實驗試題創新性統計

從表3的數據可知,這19道試題中體現創新性考查要求的共有12道,并以情境素材和考查方式的創新為主,思維方法創新涉及較少,大多數試題對創新性的考查往往只涉及1～2個方面,只有湖南卷第11題全部涉及,這可能是命題者出于難度控制或避免閱卷產生爭議等因素的考慮.10份試卷中,3套全國卷在實驗題創新性考查上略顯保守,另外7套自主命題的地方卷則大膽嘗試、各具特色,例如廣東卷近3年全部的實驗試題均只在情境素材上創新,考查方式和思維方法仍偏傳統和基礎,而遼寧卷、湖南卷的試題不滿足于情境素材的創新,還在其他兩個方面積極探索,尤其是湖南卷的第11題做到了3者的巧妙融合,是創新性考查的典范.同時,也應該注意到思維方法創新性試題偏少,而最能甄別考生創新能力、選拔創新人才的恰好是這類問題,因此,這類試題的命制還有待探索.

4 教學啟示

4.1 夯實基礎知識和技能,培養實驗探究能力

知識技能是創造的前提和基礎,個體知識經驗不廣不深,創造就成了無本之木、無源之水.[4]高考創新性實驗試題雖然創新維度各異,但所考查的知識和方法基本源于課內所學,因此,教學應將夯實基礎擺在首位,特別是課標規定的必做實驗,不僅要讓學生親身經歷每個實驗的方案設計、操作實施、數據處理及誤差分析,而且要充分利用實驗過程中出現的如電路故障、誤差較大等各種問題,引導學生自主解決,使之在實踐中遷移運用知識,發展觀察、動手操作及問題解決等實驗技能,培養形成探究能力.

4.2 經歷挑戰性任務,促成高通路遷移

遷移是指把在一個情境中學到的東西遷移到新情境的能力,當新任務與原任務不相似時,稱為“高通路遷移”,創新就是指遷移至高度不相似的現實世界場景,面對現實世界的復雜問題,需要自己找到線索,綜合所學形成解決方案,[5]正是在解決挑戰性任務的過程中促使學生不斷經歷高通路遷移,形成創新意識和創造性解決問題的能力,如江蘇卷第12題第(5)問即是典型案例.因此,實驗教學中也要多設置這樣的挑戰性學習任務,例如讓學生自主設計探究方案,然后再對不同的方案給出優缺點的評價并提出改進建議等;再例如某些課內實驗目標是否可以在家里找到替代性器材和方案完成?當然,若任務的挑戰性太大也容易讓學生放棄,因此任務的進階性和教師引導尤為重要.

4.3 激發創新思維,鼓勵實際和創新應用

創新性實驗試題常涉及新穎的實驗方案設計、非常規的實驗方法和獨特的思路,這要求學生必須具備創新思維,教學中教師應創造機會和空間給學生思考、提問及討論,如探究結束后讓學生討論:該探究方案有哪些不足之處?是否有更好的實驗方法彌補?還能提出其他方案嗎等等,通過質疑討論、思維碰撞激發創新意識和創造力.另外,創新性實驗試題常涉及物理知識的實際和創新應用,如今年湖南卷第12題就極具STEM特征,教師可以通過案例分析、實際問題解決等方式,激發學生將所學物理知識運用于實際創造發明的興趣,培養他們的創新能力.