優(yōu)化DIS實驗習(xí)題 落實核心素養(yǎng)考察

摘?要：因為DIS系統(tǒng)與傳統(tǒng)器材差異較大，所以傳統(tǒng)的一些實驗題，可能在考察通過DIS實驗學(xué)習(xí)成長的學(xué)生時，不一定能培養(yǎng)、考查到應(yīng)有的核心素養(yǎng).本文通過改編傳統(tǒng)實驗等方面，討論在采用DIS實驗的背景下，如何改編和原創(chuàng)實驗題.

關(guān)鍵詞：DIS;實驗;習(xí)題;核心素養(yǎng)

文章編號：1008-4134（2019）21-0031?中圖分類號：G633.7?文獻標(biāo)識碼：B

作者簡介：姚勇（1981-），男，上海嘉定人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

1?問題提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡稱新課標(biāo)）提出了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，其中之一是科學(xué)探究能力.而物理實驗在培養(yǎng)、考察科學(xué)探究能力方面有重要作用.

上海市二期課改以來，數(shù)字化信息系統(tǒng)（以下簡稱DIS）給上海高中物理實驗帶來了巨大變革.但因地區(qū)差異，DIS替代傳統(tǒng)實驗器材在全國范圍內(nèi)各地的實驗習(xí)題也差異很大，習(xí)題如果使用上不加選擇，可能無法起到恰當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)和考察素養(yǎng)的作用.

例1?（2014北京卷）在“測量電源電動勢”實驗中，得到了如圖1所示的端電壓-總電流圖象，則該電源的電動勢和內(nèi)阻是多少？

錯誤率非常高的錯解是用1.5V/0.6A得到內(nèi)阻阻值，原因是學(xué)生沒有看到坐標(biāo)原點是（0A，1.0V）.

為什么要設(shè)計這樣的坐標(biāo)系？因為在傳統(tǒng)實驗中，電流表一般用0.6A的量程進行實驗，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)點集中在I<0.6A的范圍.如果以（0A，0V）為坐標(biāo)原點進行描點作圖，很可能出現(xiàn)圖2所示的情況，紙張的利用率很低，坐標(biāo)的最小刻度較大，導(dǎo)致描點的誤差較高.將坐標(biāo)原點改為（0A，1.0V），一般會出現(xiàn)圖3所示的結(jié)果.從紙張的利用率、描點的難度和精確程度等方面考慮，沒有觀察到原點（0A，1.0V）的學(xué)生，合理處理數(shù)據(jù)的科學(xué)素養(yǎng)可能是有欠缺的.

然而運用DIS實驗系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)后，點擊“直線擬合”就出現(xiàn)U-I圖象，部分計算機顯示圖象的坐標(biāo)原點固定（0A，0V），所以在DIS實驗環(huán)境下學(xué)習(xí)的學(xué)生基本不需要在意原點的坐標(biāo)值.

例1本意考察科學(xué)探究中的數(shù)據(jù)處理能力，但如果考生是通過DIS實驗學(xué)習(xí)成長的學(xué)生，那么例1更像是考查了數(shù)學(xué)知識.作為對比，2014年上海高考物理試卷中的實驗題，就采用了與教材上相同的DIS界面坐標(biāo)系，如圖4，回避了上述問題.

新課標(biāo)在命題角度明確提出“試題所涉及的知識內(nèi)容應(yīng)具有代表性”，所以DIS實驗習(xí)題的設(shè)計也應(yīng)當(dāng)與傳統(tǒng)實驗有所區(qū)別.如何更好地落實核心素養(yǎng)？這是因?qū)嶒灱夹g(shù)的進步而對教師提出了新要求.

2?優(yōu)化策略

2.1?改編傳統(tǒng)實驗作業(yè)中涉及器材的問題

器材是DIS相比傳統(tǒng)實驗最直觀的變動，所以實驗習(xí)題中首先要變化的就是器材.如果拿傳統(tǒng)器材考察學(xué)習(xí)DIS實驗的學(xué)生，很可能會“水土不服”.

2.1.1?原理相似，改變器材

傳統(tǒng)向心力演示儀和DIS系統(tǒng)的配套演示儀外觀差異比較大，但原理都是利用重物以一定半徑的轉(zhuǎn)動過程，測量向心力與其他物理量的關(guān)系.傳統(tǒng)器材左右兩個小球?qū)Ρ?，而DIS系統(tǒng)可以多次改變條件測量數(shù)據(jù)進行對比.

例2?如圖5所示的向心力演示儀，左右兩小球質(zhì)量相同，皮帶繞在左右半徑相同的圓盤上，左側(cè)小球轉(zhuǎn)動半徑是右側(cè)小球轉(zhuǎn)動半徑的兩倍.在緩慢增加轉(zhuǎn)速的過程中，豎直桿上依次顯示出刻度2∶1，4∶2，6∶3…….根據(jù)上述過程可得.

改編后：如圖6所示的向心力演示儀，不改變物塊質(zhì)量，用3cm、6cm、9cm的半徑分別實驗，得到了如圖7所示的F-ω圖象.添加豎直輔助線后，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的力近似為1∶2∶3，根據(jù)上述過程可得.

傳統(tǒng)的向心力實驗基本習(xí)題例2經(jīng)過上述修改后，雖然器材變動，但題目中劃線部分的條件都是“質(zhì)量”和“角速度”不變，考察內(nèi)容仍然是“質(zhì)量和角速度相同時，向心力與半徑成正比”，符合對數(shù)據(jù)進行整理得到初步結(jié)論的科學(xué)探究要求.

類似的情況還出現(xiàn)在“一定質(zhì)量的氣體，壓強與體積的關(guān)系”“測定電動勢和內(nèi)阻”等實驗中，其共同特點是DIS都采用了傳感器測量實驗數(shù)據(jù)，但實驗的原理基本沒有變化，所以對相應(yīng)實驗習(xí)題應(yīng)采用修改器材但不修改考察內(nèi)容的方式.

2.1.2?原理不同，重新設(shè)計

在“測定勻變速直線運動的加速度”實驗中，DIS用位移傳感器測量位移隨時間的變化，然后計算機求解得到速度和時間的關(guān)系，最終在v-t圖中用斜率求加速度;打點計時器（或頻閃照相）則用逐差法求加速度.如果用打點計時器來考察學(xué)習(xí)DIS器材的學(xué)生顯然不合適.

例3?（2016年天津卷，因篇幅原因，題干有所省略）某同學(xué)利用圖8所示裝置研究小車的勻變速直線運動.

他實驗時將打點計時器接到頻率為50Hz的交流電源上，得到一條紙帶，打出的部分計數(shù)點如圖9所示（每相鄰兩個計數(shù)點間還有4個點，圖中未畫出）;s1=3.59cm;s2=4.41cm;……

則小車的加速度a=m/s2（要求充分利用測量數(shù)據(jù)），……

為了改編，應(yīng)將傳統(tǒng)器材的操作改為DIS器材的操作，變成作v-t圖象求解加速度以適應(yīng)DIS器材的數(shù)據(jù)處理方式.

改編后：有一個小車從軌道下滑做勻變速直線運動，傳感器記錄下部分速度與時間的關(guān)系（見表1）.

（1）實驗中，應(yīng)在釋放小車（選填“前”或“后”）點擊“開始記錄”.

（2）作v-t圖.

（3）質(zhì)點的加速度a=m/s2，小車在0.9s時間內(nèi)的位移是m;（結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）

第3問，兩空分別考察v-t圖中利用斜率求解加速度和利用面積求位移，體現(xiàn)知識內(nèi)容具有代表性.但除了考察的核心素養(yǎng)仍是數(shù)據(jù)處理能力外，整個題目基本找不到與原題太多的聯(lián)系.所以這類實驗題，基本需對應(yīng)新的實驗原理重新設(shè)計.

2.2?編制體現(xiàn)DIS實驗中創(chuàng)新點的習(xí)題

DIS系統(tǒng)帶來的實驗新操作和創(chuàng)新點有很多，如傳感器調(diào)零、實時數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)器材中難以測量的物理量和過程……隨之而來考察學(xué)生科學(xué)探究能力的觀測點也增多了，下面選取幾個主要的問題加以說明.

2.2.1?儀器調(diào)零

使用基本器材的能力是科學(xué)探究的前提.傳統(tǒng)器材也需要調(diào)零，如彈簧秤.但彈簧秤調(diào)零完畢后，多次測量中基本可以不用再調(diào)零.DIS實驗器材中有差異，首先傳感器可能有初始信號（有一定讀數(shù)）.如力傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、磁傳感器等都需要調(diào)零，每次重啟系統(tǒng)后必須再次調(diào)零.

上海已經(jīng)在2015年高考中考察了類似問題.

例4?（2015上海卷）在“用DIS研究通電螺線管的磁感應(yīng)強度”實驗中：

（1）在對螺線管通電（選填“前”或“后”）必須對磁傳感器進行調(diào)零.

如果在接通電源后再調(diào)零，那將把螺線管產(chǎn)生的磁場也忽略掉，造成實驗在原理上發(fā)生錯誤.所以正確調(diào)零在DIS實驗中非常重要.類似在測定電動勢和內(nèi)阻實驗中，可以編制如下習(xí)題.

例5?在測定電動勢和內(nèi)阻實驗中，某同學(xué)按照如下步驟進行實驗.

（1）正確連接實驗器材，打開計算機實驗界面.

（2）將滑動變阻器滑片移動到電阻最大處.

（3）閉合電鍵，點擊屏幕“傳感器調(diào)零”，點擊“記錄數(shù)據(jù)”.

（4）移動滑片，再次點擊“記錄數(shù)據(jù)”，重復(fù)操作，獲得5組數(shù)據(jù).

（5）點擊“停止采集”，進行作圖等數(shù)據(jù)分析步驟.

最終獲得了如圖10所示過原點的傾斜直線，造成上述現(xiàn)象的原因是步驟中存在錯誤操作，應(yīng)改為.

（參考答案：3，先調(diào)零，后閉合電鍵并記錄數(shù)據(jù)）

因為閉合電鍵后，電壓傳感器和電流傳感器有一定讀數(shù)，此時再調(diào)零，會將閉合電鍵時的電流、電壓值以零來處理，導(dǎo)致第一個數(shù)據(jù)點變?yōu)椋?A，0V），之后測量的所有數(shù)據(jù)都被減少了特定的值，U-I直線被平移到了I軸下方.此外，在上述操作中電動勢無法測量，但內(nèi)阻的值，即斜率不受影響，可進一步編制在題目中.

2.2.2?實時的圖象

DIS的特點是實時實驗捕捉數(shù)據(jù)，通過計算機軟件可以作圖展示很多數(shù)據(jù)的關(guān)系.可以在實驗作業(yè)中設(shè)計一些引起思考的問題，以培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、分析結(jié)論的習(xí)慣.

例6?（區(qū)縣模擬卷）圖11為“研究一定質(zhì)量氣體在體積不變時，其壓強與溫度的關(guān)系”的實驗.采用逐漸加熱水升高水溫的辦法測量壓強和溫度.

某同學(xué)記錄下了初始時封閉氣體壓強p0和攝氏溫度t0，隨后逐漸升高溫度，并記錄下每次測量結(jié)果與初始值的差值Δp和Δt.在實驗中出現(xiàn)試管木塞脫落，他重新接上后繼續(xù)加熱水實驗，其余操作無誤.Δp-Δt的關(guān)系圖應(yīng)是

學(xué)生知道實驗中不能漏氣，但很少有學(xué)生會追問漏氣對實驗結(jié)果到底是什么影響？例6就展示了這一變化關(guān)系——漏氣后內(nèi)外壓強又相等了，內(nèi)外壓強差Δp突變?yōu)榱?

類似的問題還有如“通電螺線管內(nèi)部一定是勻強磁場嗎？”，作業(yè)中可以設(shè)計一道用自制短螺線管進行實驗的結(jié)果圖，如圖12，螺線管內(nèi)沒有勻強磁場區(qū)域的存在，引發(fā)學(xué)生對此強烈的好奇，并進一步分析原因.

2.2.3?完整的物理過程

對物理過程的分析也是核心素養(yǎng)科學(xué)探究中的一個環(huán)節(jié)，DIS實驗中展現(xiàn)的完整過程可以設(shè)計成課后習(xí)題.

如豎直平面內(nèi)的圓周運動，傳統(tǒng)實驗只能演示有足夠速度才能越過最高點，而DIS實驗則可以做到全程實時采集.

例7?如圖13所示，某同學(xué)利用二維位移傳感器（可記錄被測物體的位置），記錄下小物體從軌道上靜止釋放后下滑進入圓軌道的過程.小物體經(jīng)過圓軌道過程中，傳感器每隔相同時間記錄下小物體的位置數(shù)據(jù)，下列四個圖象中有可能出現(xiàn)的是根據(jù)機械能守恒和圓周運動相關(guān)知識，小球在高處速度小.但要沿圓軌道運動，最高點速度至少是gR（R為軌道半徑）而不是趨向零，所以應(yīng)選擇A.這一習(xí)題通過小球的位置數(shù)據(jù)，全程顯示了小球在圓軌道的運動情況，考察了學(xué)生建立合理模型、分析實驗數(shù)據(jù)的探究能力.

還有很多類似過程，如超重與失重過程、液體蒸發(fā)致冷過程、電容充放電過程等等都適合用DIS全程展現(xiàn)后由學(xué)生做出分析.

物理教學(xué)要“重過程”，在一節(jié)課中可以用DIS實驗展示很多過程，因為教學(xué)理念發(fā)生了變革，所以習(xí)題也應(yīng)該體現(xiàn)這種變革，才能更好地提供學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋信息.

2.3?對已編制的DIS實驗作業(yè)再次進行驗證和修改

試題的真實性始終是一條底線，在新課標(biāo)中也強調(diào)試題要科學(xué)、規(guī)范.DIS以及配套實驗器材很多，如果編制成習(xí)題，就要注意各方面細節(jié)，確保實驗符合學(xué)生認知特點.

例8?（區(qū)縣模擬題）如圖14所示是運用DIS實驗的位移傳感器測定小車在斜面上自由滑動規(guī)律的實驗裝置圖.通過傳感器、數(shù)據(jù)采集器，再經(jīng)過計算機所繪制的小車運動的速度—時間圖象（如圖15）.……

上述習(xí)題初看沒有問題，小車以一定初速度從左向右滑向高處，做勻減速運動.但實際操作后就能發(fā)現(xiàn)，速度結(jié)果為負，圖線應(yīng)該在時間軸下方，原因是小車靠近位移傳感器接收器部分，傳感器測量的距離（認為是位移）越來越小，所以由計算機自動求導(dǎo)后得到速度為負.因而，本題中的速度-時間圖象應(yīng)改為如圖16所示.

例9?如圖17所示，利用磁傳感器測量導(dǎo)線一側(cè)的磁感應(yīng)強度……

利用磁傳感器進行拓展實驗的時候，注意磁傳感器使用時探頭應(yīng)與磁場方向平行.圖示的使用方式有誤，本方案適合測量導(dǎo)線正上方或正下方的磁場.

其他如力傳感器對拉力方向有要求，在研究單擺繩子拉力時，一個力傳感器因為繩子側(cè)拉的緣故，誤差會很大.如果要編制習(xí)題，應(yīng)利用兩個傳感器求合力.

包括曾經(jīng)在高考，研究平拋運動實驗題目中，光電門傳感器的安裝位置可以改變（實際學(xué)生實驗中的安裝位置是固定的）也引起了一定爭議.因而對已編制的DIS新實驗新習(xí)題，一定要確保經(jīng)過實驗重現(xiàn)，避免給學(xué)生錯誤的引導(dǎo).

2.4?難度符合新課標(biāo)

DIS系統(tǒng)非常強大，從學(xué)生實驗到演示實驗，從課外拓展到IYPT學(xué)術(shù)競賽，DIS提供了很大的探究空間.那是不是所有的實驗結(jié)果都值得編制成習(xí)題讓學(xué)生探索呢？新課標(biāo)提出“要從知識內(nèi)容等方面科學(xué)合理地設(shè)計試題難度”.

例10?如圖18所示，在“研究一定質(zhì)量理想氣體在溫度不變時，壓強和體積的關(guān)系”實驗中.……

若軟管內(nèi)容積不可忽略，按該同學(xué)的操作，最后擬合出的p-1/V直線應(yīng)是圖18中的.（填寫編號）

本小題看似沒有難度，因為圖象就是實驗結(jié)果的展示.但要從根本上解決上述問題需要較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，將氣體壓強讀數(shù)p與注射器體積讀數(shù)V化為

推導(dǎo)過程略，其中C= p0V0，即初始時壓強與體積的乘積.

之后才能獲知這是一條雙曲線，隨后發(fā)現(xiàn)雙曲線上取若干點直線擬合后會形成直線1.上述推導(dǎo)過程對大部分高中學(xué)生是做不到的.雖然學(xué)生可以根據(jù)實驗中獲得的圖象回憶起結(jié)果，但從考察核心素養(yǎng)的角度來說，因為學(xué)生不能理解，所以例10只能單純考察記憶，起不到實驗習(xí)題應(yīng)有的考察科學(xué)探究的價值.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》站在新的高度，對物理學(xué)科核心素養(yǎng)做了許多清晰的界定.實驗題作為考察科學(xué)探究的“主陣地”，在DIS背景下，應(yīng)當(dāng)順應(yīng)新課標(biāo)帶來的新要求，在實驗習(xí)題方面培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]張越，馮容士.中學(xué)物理實驗手冊 高中（試驗本）[M].上海：上海教育出版社，2015.

[3]張越，馮容士.中學(xué)物理實驗手冊 高中拓展（試驗本）[M].上海：上海教育出版社，2015.

[4]馮容士，李鼎.DIS二維運動實驗系統(tǒng)及實驗（Ⅱ）[J].物理教學(xué)，2012（02），19-24.

[5]楊介信，張大同.中學(xué)物理實驗大全[M].上海：上海教育出版社，1995.

（收稿日期：2019-06-20）