IGCSE考試中水溫變化實(shí)驗(yàn)筆試考核的分析與研究

張敏玥 袁海泉

摘要：筆試題是我國(guó)中考、高考物理實(shí)驗(yàn)技能考查的重要方式，有必要研究實(shí)驗(yàn)筆試題的考查功能.本文通過(guò)分析IGCSE物理實(shí)驗(yàn)筆試卷，總結(jié)出水溫變化實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考查了學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技能、實(shí)驗(yàn)誤差控制與分析技能和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技能.據(jù)此，提出了對(duì)我國(guó)初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和命題的建議.

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn);IGCSE考試;水溫變化實(shí)驗(yàn)

作者簡(jiǎn)介：張敏玥（1997-），女，上海人，本科生在讀，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

袁海泉（1962-），男，江蘇南京人，碩士，副教授，研究方向：物理教學(xué)論.物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué).物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步形成、長(zhǎng)期積累的行動(dòng)習(xí)慣和關(guān)鍵能力[1].中學(xué)生不僅要掌握物理基礎(chǔ)知識(shí)，還應(yīng)學(xué)會(huì)物理實(shí)驗(yàn)的基本方法和技能，培養(yǎng)良好的科學(xué)素質(zhì)與創(chuàng)新精神.目前，我國(guó)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的考查基本采用筆試方式，而IGCSE用筆試方式考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能已有多年歷史，因此研究IGCSE實(shí)驗(yàn)筆試卷如何評(píng)判學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰苡袃r(jià)值.

1IGCSE考試物理試卷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

IGCSE（International General Certificate of Secondary Education）是由國(guó)際劍橋考試委員會(huì)主辦，面向14-16歲學(xué)生的國(guó)際普通中等教育認(rèn)證的簡(jiǎn)稱(chēng).IGCSE考試主要在每年的夏季（5-6月）和冬季（11-12月）進(jìn)行兩次測(cè)試，每次物理考試有6份試卷（Paper 1-Paper 6），每份試卷針對(duì)不同考區(qū)有3套試題.

學(xué)生可以選擇考試的難度.參加核心課程內(nèi)容考試的學(xué)生，考Paper 1、Paper 3以及Paper 5或者Paper 6;參加拓展課程內(nèi)容考試的學(xué)生，考Paper 2、Paper 4以及Paper 5或者Paper 6.概括起來(lái)，IGCSE物理學(xué)科試卷結(jié)構(gòu)如表1所示.

2 IGCSE物理學(xué)科課程要求

在研究筆試題之前，我們有必要分析課程要求.筆者選取了2019年版的IGCSE物理教學(xué)大綱（syllabus）[2]進(jìn)行分析.特別說(shuō)明的是，IGCSE每年更新一次教學(xué)大綱，雖然它在內(nèi)容編排、說(shuō)明上更接近于我國(guó)的考綱，但是在指導(dǎo)教師教學(xué)與考生考試方面，IGCSE教學(xué)大綱與我國(guó)的課程標(biāo)準(zhǔn)作用一致.

表2呈現(xiàn)了2019年IGCSE物理教學(xué)大綱中的評(píng)價(jià)目標(biāo)（assessment objectives）以及各個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)在IGCSE物理學(xué)科考試的各份試卷中的比重.

從“實(shí)驗(yàn)技能和探究”目標(biāo)在IGCSE實(shí)驗(yàn)筆試卷中比重為100%，我們可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)筆試卷重點(diǎn)評(píng)價(jià)學(xué)生的“實(shí)驗(yàn)技能和探究”能力，弱化了對(duì)“知識(shí)點(diǎn)的了解”以及“處理信息和解決問(wèn)題的能力”的考查.

其中，“實(shí)驗(yàn)技能和探究”目標(biāo)對(duì)考生的具體要求為：（1）能安全地使用技術(shù)、儀器和材料;（2）能制定實(shí)驗(yàn)和調(diào)查計(jì)劃;（3）能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄觀察結(jié)果、測(cè)量數(shù)據(jù)和估計(jì)值;（4）能解釋并評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù);（5）能評(píng)估實(shí)驗(yàn)方法并給出改進(jìn)建議.此外，教學(xué)大綱還列出了17個(gè)考生應(yīng)具備的能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)技能提出了具體的要求，這里本文不再一一贅述.

3水溫變化實(shí)驗(yàn)考查頻度分析

筆者查閱了近年來(lái)IGCSE物理實(shí)驗(yàn)操作卷（Paper 5）和實(shí)驗(yàn)筆試卷（Paper 6），發(fā)現(xiàn)操作卷與筆試卷題型類(lèi)似.因此，選取了2015-2017年夏、冬兩季各考區(qū)共18套實(shí)驗(yàn)筆試卷（Paper 6）為研究對(duì)象.通過(guò)閱讀與研究實(shí)驗(yàn)筆試卷，筆者發(fā)現(xiàn)水溫變化題有研究?jī)r(jià)值.

水溫變化實(shí)驗(yàn)筆試題目考查頻度很高，18套試卷中共有17套試卷、18道試題.據(jù)表3統(tǒng)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)的平均占分比為20.6%，2016年夏季（考區(qū)1）卷占分比最高為30.0%，而最低占分比為17.5%.雖然不同季不同考區(qū)的實(shí)驗(yàn)筆試卷中水溫變化實(shí)驗(yàn)題的分值會(huì)略有波動(dòng)，但是它的考查頻度比國(guó)內(nèi)中考卷高得多，因此值得進(jìn)一步研究.

4水溫變化實(shí)驗(yàn)筆試題的實(shí)驗(yàn)技能考查分析

綜合分析真題的考核功能，對(duì)于研究如何評(píng)判學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰χ陵P(guān)重要.筆者從IGCSE水溫變化筆試題的考核功能出發(fā)，分析出其技能考核主要集中在以下三個(gè)方面.

4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技能

IGCSE對(duì)于學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力要求較高.教學(xué)大綱對(duì)于表格、圖像以及數(shù)值結(jié)果都有明確的要求，考題對(duì)作圖的要求尤為嚴(yán)格.因此，筆者以作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為切入點(diǎn)，研究IGCSE對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技能的考查.

以2015年夏季 （考區(qū)1）第二題為例，示意圖如圖1.題干描述的是一位同學(xué)用溫度計(jì)測(cè)量了燒杯中熱水的初始溫度，然后讓熱水自然冷卻并每30秒記錄水溫.試題要求考生填寫(xiě)表頭中的單位與初始溫度、畫(huà)出水溫隨時(shí)間變化的圖像、陳述水冷卻速率變化的特征并根據(jù)圖像闡述理由.

本題共計(jì)9分，其中用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)占5分，并且試題僅提供網(wǎng)格，沒(méi)有任何其他提示.相比較而言，我國(guó)中考卷考查作圖法的頻率更低，并且要求更低，大多試題提供的網(wǎng)格都標(biāo)明了原點(diǎn)、自變量、因變量，甚至標(biāo)明了橫軸與縱軸旁的數(shù)據(jù);而我國(guó)近十年江蘇省物理高考卷有九年涉及作圖題，考查頻率很高.結(jié)合表4中IGCSE作圖題的評(píng)分細(xì)則，我們可以發(fā)現(xiàn)IGCSE非常重視學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技能.

圖像相較于表格更加簡(jiǎn)明、直觀，可以幫助學(xué)生定性地理解實(shí)驗(yàn)規(guī)律.此外，用作圖法處理數(shù)據(jù)的題型具有很強(qiáng)的真實(shí)情景性，能反映考生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的理解程度、引導(dǎo)學(xué)生減小實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差.筆者認(rèn)為我國(guó)中考的命題方式考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能較少且不利于提高學(xué)生分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的能力.

4.2實(shí)驗(yàn)誤差控制與分析技能

雖然初中物理實(shí)驗(yàn)較為簡(jiǎn)單并且對(duì)精度的要求不高，但認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)源、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案能提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.IGCSE實(shí)驗(yàn)筆試卷在實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后均不同程度地考查了學(xué)生實(shí)驗(yàn)誤差控制與分析技能，具體表現(xiàn)如下.

4.2.1實(shí)驗(yàn)前分析環(huán)境與儀器的影響

2015-2017年IGCSE實(shí)驗(yàn)筆試的18套試卷中有18道水溫變化實(shí)驗(yàn)試題，其中有12道考查了溫度計(jì)的使用（包括了4道開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題），具體設(shè)問(wèn)為“請(qǐng)說(shuō)明一條預(yù)防措施以確保溫度計(jì)的示數(shù)盡可能的可靠”.該類(lèi)題型一般只要考生寫(xiě)出1-2條預(yù)防措施即可取得該項(xiàng)滿分，筆者總結(jié)了參考答案，具體如下.

（1）等溫度計(jì)示數(shù)不再上升后讀數(shù).

（2）垂直于溫度計(jì)讀數(shù)/在與視線水平方向讀數(shù).

（3）讀數(shù)前攪拌液體.

（4）溫度計(jì)測(cè)溫泡放在水的中央/不接觸燒杯.

（5）保持溫度計(jì)在同一深度.

（6）把秒表放在接近溫度計(jì)的位置/快速讀出示數(shù)/保證適時(shí)讀數(shù)/各操作之間沒(méi)有不當(dāng)延誤.

從參考答案中可以發(fā)現(xiàn)，IGCSE考試鼓勵(lì)考生從儀器的使用、變量的控制、讀數(shù)的同時(shí)性等多方面分析問(wèn)題，消除實(shí)驗(yàn)中與個(gè)人讀數(shù)反應(yīng)能力、溫度計(jì)放置位置、秒表放置位置等有關(guān)的偶然誤差，以獲得較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

4.2.2實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)、分析實(shí)際值與理想值的差異

IGCSE溫度變化的試題關(guān)注實(shí)驗(yàn)中實(shí)際值與理想值的差異，這類(lèi)試題具有很強(qiáng)的訓(xùn)練價(jià)值.以2016年冬季（考區(qū)1）第二題為例，題干描述的是：在探究水冷卻時(shí)，一位同學(xué)將100cm3、88℃的熱水倒入燒杯中，再倒入100cm3、19℃的冷水.他計(jì)算出了熱水與冷水的平均溫度為53.5℃，卻發(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)出的水溫為46℃，小于平均值.為了減少熱能的損失，試題要求考生利用有孔的蓋子、絕熱材料、兩根橡皮筋設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)中需要保持不變的實(shí)驗(yàn)條件.

類(lèi)似地，2015年冬季（考區(qū)1）水溫變化題也以此為背景設(shè)問(wèn)，區(qū)別是題目將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象拋給考生，讓他們分析造成實(shí)際水溫與平均水溫不同的影響因素，參考答案包括：（1）水向燒杯和周?chē)h(huán)境放出熱量/蒸發(fā)使水溫降低;（2）讀溫度計(jì)示數(shù)時(shí)的時(shí)間延誤;（3）測(cè)量體積時(shí)的誤差.這里，參考答案忽略了溫度對(duì)水密度的影響，并且沒(méi)有從熱容角度考查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與運(yùn)用，而是從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差、實(shí)驗(yàn)規(guī)范的角度解釋實(shí)際值與理想值的差異.

實(shí)驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)、了解、探索自然規(guī)律的重要途徑.雖然解決問(wèn)題很重要，但是引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題更有價(jià)值.分析實(shí)際與理想差異的題型能將學(xué)生從發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象的層面引領(lǐng)到探究科學(xué)問(wèn)題的層面，鼓勵(lì)學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題.

筆者認(rèn)為在命題時(shí)可以將以上兩種命題思路結(jié)合，先使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后引導(dǎo)學(xué)生分析造成實(shí)際值與理想值不同的原因，最后鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題.這樣，能更好地評(píng)判學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

4.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)束后強(qiáng)調(diào)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的方法

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的題型能調(diào)動(dòng)學(xué)生的發(fā)散性思維、體驗(yàn)科學(xué)探究的趣味與艱辛、經(jīng)歷真實(shí)探究的全過(guò)程并培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.筆者總結(jié)了三種典型的題型，具體如下：

（1）直接考查實(shí)驗(yàn)中的無(wú)關(guān)變量

以2016年冬季（考區(qū)1）試題為例，要求考生寫(xiě)出兩個(gè)保持不變的實(shí)驗(yàn)條件.參考答案如下：室溫（或者其他環(huán)境因素）、冷水（初始）溫度、熱水（初始）溫度、水的體積、燒杯的尺寸/形狀/材料/表面積.這種設(shè)問(wèn)方式簡(jiǎn)潔明了，旨在考查學(xué)生對(duì)自變量、因變量和無(wú)關(guān)變量的掌握程度以及學(xué)生思考的全面性.

（2）直接考查對(duì)儀器或?qū)嶒?yàn)步驟的優(yōu)化

以2016年冬季（考區(qū)3）試題“探究液體表面積對(duì)水冷卻效果”為例，要求考生寫(xiě)出一條對(duì)儀器的改進(jìn)方法以及提出該方法的原因.這類(lèi)題型的優(yōu)化方法主要有：用絕熱材料包裹燒杯壁、使用塑料燒杯、把燒杯放在墊子上、給燒杯加蓋子/使用更厚或更絕熱的蓋子.回答原因時(shí)，一般考生只要提到使自變量成為實(shí)驗(yàn)中唯一的變量或者更少的熱能從燒杯壁傳導(dǎo)/向環(huán)境輻射即可.

（3）創(chuàng)設(shè)情境考查優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

以2015年冬季（考區(qū)3）“探究熱傳遞”為例，題干描述的是一位學(xué)生做了兩組實(shí)驗(yàn)，一組是將裝有50cm3冷水的試管放入裝有300cm3熱水的燒杯中，另一組是把裝有25cm3冷水的試管放入裝有300cm3熱水的燒杯中，他記錄了試管與燒杯的溫度變化.最后一問(wèn)的情境為：某工業(yè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們希望把這個(gè)實(shí)驗(yàn)看成是一種液體間熱傳遞的模型.要求考生提出兩條建議使冷水加熱的效率更高并寫(xiě)出其中一條建議的原因.參考答案中針對(duì)優(yōu)化儀器的建議有：給燒杯（或試管）加蓋子、給燒杯包裹隔熱材料、在試管里加棉絮、使試管有更大的接觸面積.針對(duì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作的建議有：使試管內(nèi)冷水水位低于熱水水位、運(yùn)用水浴法.

此外，還有以學(xué)生視角創(chuàng)設(shè)情境的命題，以2017年夏季（考區(qū)1）試題為例.題干描述的是：冷卻200cm3的熱水，每180秒記錄一次水溫.根據(jù)表格中已有數(shù)據(jù)，0-180秒的溫差θ1為11℃，180-360秒的溫差θ2為8 ℃.倒數(shù)第二問(wèn)情境為：另一位同學(xué)想要探究影響溫差θ1和θ2的因素.要求考生提出兩個(gè)操作變化使他能獲得θ1和θ2差異更大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.本題實(shí)質(zhì)上鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步思考如何將實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化.

4.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技能

2016年夏季（考區(qū)1）、2016年冬季（考區(qū)2）、2017年夏季（考區(qū)2）以及2017年夏季（考區(qū)3）的溫度變化題均以開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方式呈現(xiàn).它們分別探究了絕熱材料對(duì)水冷卻的影響、加蓋對(duì)水沸騰時(shí)間的影響、空氣流動(dòng)對(duì)水冷卻的影響以及絕熱材料層數(shù)對(duì)水冷卻的影響.一般該類(lèi)題型明確要求考生寫(xiě)出需要使用的儀器、需要控制的關(guān)鍵變量以及實(shí)驗(yàn)步驟.此外，還要求考生畫(huà)出表格、寫(xiě)明表頭、解釋如何通過(guò)數(shù)據(jù)得出結(jié)論、闡述為了得到可靠的數(shù)據(jù)而采取的預(yù)防措施.

相比較而言，我國(guó)中考卷基本不涉及該類(lèi)題型.筆者認(rèn)為開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能留出空間給考生發(fā)揮自己的聰明才智，避免了他們按照既定的步驟，“照方抓藥”地思考問(wèn)題，從而更好地將考生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc科學(xué)素養(yǎng)外顯.

5對(duì)初中物理教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)命題的建議

IGCSE物理學(xué)科考試在實(shí)驗(yàn)部分獨(dú)立成卷，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的要求較高.對(duì)比之下，我國(guó)中考的實(shí)驗(yàn)探究題多出現(xiàn)在解答題部分并且重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握.筆者認(rèn)為這兩種命題方式不存在絕對(duì)的好壞，可以學(xué)習(xí)IGCSE物理實(shí)驗(yàn)卷在實(shí)驗(yàn)技能考查上的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，保留自己的優(yōu)點(diǎn).在此，對(duì)初中實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)命題提出以下建議：

5.1滲透科學(xué)探究性思維

教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)可以借鑒IGCSE開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，將實(shí)驗(yàn)儀器、清單（標(biāo)明在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)需要考慮的方面）提供給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生積極分析實(shí)驗(yàn)原理、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、主動(dòng)反思實(shí)驗(yàn)步驟.特別是在創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境時(shí)，教師不僅可以利用學(xué)生的認(rèn)知矛盾（經(jīng)驗(yàn)上的欠缺、經(jīng)驗(yàn)型錯(cuò)誤、思維定勢(shì)）[3]，還可以學(xué)習(xí)IGCSE實(shí)驗(yàn)筆試卷中創(chuàng)設(shè)情境的方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性.這樣，使原本的演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生借助老師的“腳手架”后可以獨(dú)立探究的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、提高他們的實(shí)驗(yàn)探究技能.

5.2淡化實(shí)驗(yàn)題對(duì)演繹推理能力的考查

演繹推理能力以及對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握程度的考查可以在選擇題以及計(jì)算題部分體現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)探究題部分可以弱化對(duì)它們的考查.

5.3加強(qiáng)筆試題對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的考查

在命題時(shí)，提高對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技能、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技能、實(shí)驗(yàn)誤差控制與分析技能的關(guān)注.通過(guò)多樣的命題思路使實(shí)驗(yàn)筆試題更具訓(xùn)練性與教育性，從而更好地將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能外顯，輔助教師評(píng)判學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力.

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（收稿日期：2019-05-20）