綜合性與創(chuàng)新性:彰顯能力與素養(yǎng)的考查

摘?要：半偏法測(cè)毫安表內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)雖然不是考試大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.但由于其實(shí)驗(yàn)方法巧妙、操作簡(jiǎn)便、精度較高，在電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中堪稱典范;THUSSAT診斷性測(cè)試電學(xué)實(shí)驗(yàn)題通過(guò)半偏法測(cè)毫安表內(nèi)阻、毫安表改裝為電流表、電壓表量程擴(kuò)大等小實(shí)驗(yàn)的組合，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰疾榈幕A(chǔ)性與綜合性;通過(guò)考綱外實(shí)驗(yàn)命題凸顯創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯W(xué)科核心素養(yǎng)的考查.THUSSAT診斷性測(cè)試命題思想對(duì)中學(xué)教學(xué)具有一定的導(dǎo)向作用，刷題刷不出實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc學(xué)科素養(yǎng)，只有親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，同時(shí)能從多視角評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，才是提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯W(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑.

關(guān)鍵詞：THUSSAT測(cè)試;電學(xué)實(shí)驗(yàn);半偏法;評(píng)價(jià);思考

文章編號(hào)：1008-4134（2020）05-0008中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：許冬保（1963-），男，江西九江人，本科，中學(xué)特級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理考試命題及其評(píng)價(jià).

中學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)學(xué)術(shù)能力測(cè)試（THUSSAT）分為基礎(chǔ)性測(cè)試、適應(yīng)性測(cè)試及診斷性測(cè)試三類.始于2017年，每個(gè)學(xué)年度組織4次測(cè)試.由清華大學(xué)牽頭組織，由高考命題專家和省級(jí)教研員作為考試顧問(wèn)，在《普通高中教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》和高考大綱的基礎(chǔ)上，結(jié)合大學(xué)選材視角對(duì)高中不同年級(jí)的學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，旨在幫助高水平大學(xué)更早發(fā)現(xiàn)和識(shí)別學(xué)生的優(yōu)勢(shì)和特長(zhǎng);幫助參試中學(xué)更精準(zhǔn)地完成自身教學(xué)質(zhì)量、優(yōu)勢(shì)和不足的準(zhǔn)確評(píng)估，明確教學(xué)提升的方向;幫助參試學(xué)生完成全面和科學(xué)的自我診斷，發(fā)現(xiàn)自身的學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)和不足，更有針對(duì)性地完成學(xué)術(shù)表現(xiàn)提升.試題定位于具有較高的區(qū)分度，強(qiáng)調(diào)基于高等教育學(xué)術(shù)人才培養(yǎng)所要求的跨學(xué)科綜合運(yùn)用能力[1]，本文對(duì)2017級(jí)11月THUSSAT診斷性測(cè)試一道電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題進(jìn)行分析，旨在了解THUSSAT診斷性測(cè)試命題思想，為教學(xué)提供參考.

1?THUSSAT診斷性測(cè)試電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題

試題?某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)探究小燈泡L的伏安特性曲線，可供選用的器材如下：

小燈泡L規(guī)格“3.8V，0.4A”;

毫安表mA：量程10mA，內(nèi)阻未知;

電壓表V：量程3V，內(nèi)阻rV=9kΩ;

電阻箱R：阻值范圍（0～99.9Ω）;

標(biāo)準(zhǔn)電阻R1：阻值1kΩ;

標(biāo)準(zhǔn)電阻R2：阻值3kΩ;

滑動(dòng)變阻器R3：阻值范圍0～10Ω;

滑動(dòng)變阻器R4：阻值范圍0～200Ω;

滑動(dòng)變阻器R5：阻值范圍0～2000Ω;

學(xué)生電源E1：電動(dòng)勢(shì)6V，內(nèi)阻不計(jì);

學(xué)生電源E2：電動(dòng)勢(shì)12V，內(nèi)阻不計(jì);

開(kāi)關(guān)及導(dǎo)線若干.

（1）請(qǐng)你幫助該實(shí)驗(yàn)小組在圖1所示的虛線框內(nèi)畫(huà)出用半偏法測(cè)量毫安表內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路原理圖.

（2）甲同學(xué)用圖1中的電路來(lái)測(cè)量毫安表的內(nèi)阻，為了測(cè)量盡量準(zhǔn)確，電源選用，滑動(dòng)變阻器選（填所選器材的代號(hào)）.

（3）經(jīng)過(guò)正確的實(shí)驗(yàn)操作得到毫安表的內(nèi)阻為9.8Ω，將其改裝成量程為0.5A的電流表需（選“串聯(lián)”或“并聯(lián)”）電阻箱R，且將電阻箱R的阻值調(diào)為Ω.

（4）乙同學(xué)根據(jù)已有數(shù)據(jù)及提供的器材，設(shè)計(jì)了探究小燈泡L的伏安特性的實(shí)驗(yàn)電路，請(qǐng)你在圖2中標(biāo)明乙同學(xué)所選器材的代號(hào).

2?試題分析

（1）半偏法測(cè)毫安表內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路原理圖如圖3所示.

（2）在圖3所示電路中，閉合S1，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值，使毫安表滿偏;閉合S2，在滑動(dòng)變阻器電阻不變的條件下，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值，使毫安表半偏.則毫安表的內(nèi)阻等于電阻箱的阻值.為了使電阻箱的接入對(duì)整個(gè)回路的電阻影響較小，則滑動(dòng)變阻器的電阻宜盡量大些.其次，由于回路電阻較大，毫安表量程小，宜選用電動(dòng)勢(shì)大的電源.因此，為了測(cè)量盡量準(zhǔn)確，電源選用E2，滑動(dòng)變阻器選用R5.

（3）毫安表量程擴(kuò)大，需要并聯(lián)一個(gè)小電阻.若毫安表滿偏電流及內(nèi)阻記為Ig、Rg.則由歐姆定律知，電阻箱R的阻值R=IgRgI-Ig.將Rg=9.8Ω、I=0.5A代入，得R=0.2Ω.

（4）已知小燈泡L規(guī)格“3.8V，0.4A”，電壓表量程3V，需要擴(kuò)大電壓表量程.根據(jù)電壓表內(nèi)阻rV=9kΩ及實(shí)驗(yàn)器材提供的標(biāo)準(zhǔn)電阻R2阻值3kΩ，因此，將電壓表與標(biāo)準(zhǔn)電阻R2串聯(lián)即改裝為量程為4V的電壓表，符合測(cè)量要求.為了便于多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，方便調(diào)節(jié)，滑動(dòng)變阻器選阻值小的R3為宜，由于小燈泡的額定電壓為3.8V，選用電動(dòng)勢(shì)為6V的電源合適.依試題要求，符合要求的器材代號(hào)標(biāo)注在如圖4所示的電路圖中.

3?試題評(píng)價(jià)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面.評(píng)價(jià)中關(guān)于素養(yǎng)水平參照《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[2]附錄中的“核心素養(yǎng)水平劃分”來(lái)確定.基于物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc核心素養(yǎng)水平的評(píng)價(jià)[3]，見(jiàn)表1.

4?教學(xué)思考

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中指出：“所有的自然科學(xué)都是實(shí)驗(yàn)科學(xué).再好的理論如果與實(shí)驗(yàn)不相符，那么理論就不存在.實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，而理論永遠(yuǎn)無(wú)法推翻實(shí)驗(yàn).”物理實(shí)驗(yàn)的重要性是毋庸置疑的，THUSSAT診斷性測(cè)試給我們帶來(lái)了哪些思考呢？

4.1?測(cè)電流表內(nèi)阻所引發(fā)的思考

測(cè)電流表內(nèi)阻是一個(gè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)行教材及考試大綱中均未列出.但是，該實(shí)驗(yàn)近年來(lái)頻現(xiàn)于高考試題及THUSSAT測(cè)試中.如2012年天津理綜物理試題、2018年海南省物理試題、2019年海南省物理試題、2018年9月THUSSAT診斷性測(cè)試題等.下面以2018年9月THUSSAT診斷性測(cè)試題為例，通過(guò)比對(duì)，了解試題特點(diǎn)及能力考查要求.

試題：如圖5所示是某興趣小組設(shè)計(jì)的一個(gè)測(cè)量電流表內(nèi)阻和一個(gè)電池組的電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn)電路.他們的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①斷開(kāi)單刀雙擲開(kāi)關(guān)?S2，閉合開(kāi)關(guān)?S1，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R0的滑動(dòng)端，使電流表?A滿偏.

②保持R0的滑動(dòng)端不動(dòng)，將單刀雙擲開(kāi)關(guān)?S2?接?M，調(diào)節(jié)電阻箱R的值，使電流表A半偏，讀出電阻箱R的值為a.

③斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1，將單刀雙擲開(kāi)關(guān)S2接N，不斷改變和記錄電阻箱的值R以及分別與R相對(duì)應(yīng)的電流表的值?I.

④分別以R和1/I?為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)建立平面直角坐標(biāo)系，利用記錄的?R和對(duì)應(yīng)的?1/I進(jìn)行描點(diǎn)畫(huà)線，得到如圖6所示的坐標(biāo)圖象.

⑤通過(guò)測(cè)量得知該圖線在縱軸上的截距為b、斜率為k.

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)操作，回答以下問(wèn)題：

（1）在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟①之前，應(yīng)先將滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)端置于（填“左端”“中間”“右端”）.

（2）被測(cè)電流表的內(nèi)阻為;測(cè)得值與電流表內(nèi)阻的真實(shí)值相比較（填“偏大”“偏小”“相等”）.

（3）被測(cè)電池組的電動(dòng)勢(shì)E=;內(nèi)電阻r=（用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的物理量的字母進(jìn)行表示，電流表內(nèi)阻不可忽略）.

分析：考查的是一個(gè)組合實(shí)驗(yàn)，包括測(cè)量電流表內(nèi)阻和測(cè)量電池組電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn).重點(diǎn)考查半偏法測(cè)電流表內(nèi)阻及安阻法測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、誤差分析以及數(shù)據(jù)處理方法等實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

參考答案：（1）右端?;（2）?a，偏小?;

（3）E=1/k?r=b/k-a.

綜上，半偏法測(cè)電流表內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)課外實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)方法巧妙、簡(jiǎn)捷，因而具有十分重要的意義;其次，試題通過(guò)小實(shí)驗(yàn)的組合，有利于考查考生綜合的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?另外，凸顯了通過(guò)考綱外實(shí)驗(yàn)考查創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ拿}設(shè)計(jì)思想.

4.2?通過(guò)實(shí)驗(yàn)促進(jìn)物理核心素養(yǎng)提升的思考

實(shí)驗(yàn)使學(xué)生通過(guò)觀察獲得感性認(rèn)識(shí)，為前概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念、形成物理觀念、認(rèn)識(shí)物理規(guī)律、理解物理理論等提供科學(xué)證據(jù).此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的意志品質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神等素養(yǎng)是物理學(xué)文化的有機(jī)組成部分，是物理學(xué)體系中不可分割的重要內(nèi)容[4].因此，物理實(shí)驗(yàn)具有獨(dú)特的教育功能，同時(shí)，物理實(shí)驗(yàn)也是重要的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：“在高中物理課程中，應(yīng)注重科學(xué)探究，尤其應(yīng)注重物理實(shí)驗(yàn)，這在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度等方面具有重要地位[2].”

THUSSAT診斷性測(cè)試電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題，重點(diǎn)考查了半偏法測(cè)毫安表內(nèi)阻的原理、實(shí)驗(yàn)器材的選擇以及將毫安表與電壓表改裝為大量程的電流表與電壓表.從實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫婵?，試題通過(guò)小實(shí)驗(yàn)的組合（毫安表內(nèi)阻測(cè)量及電表改裝擴(kuò)大量程），考查基本的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?它包括基本的實(shí)驗(yàn)技能、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出問(wèn)題的能力、理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的思維能力、實(shí)驗(yàn)誤差分析與評(píng)價(jià)的能力以及簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)（半偏法測(cè)毫安表內(nèi)阻）的能力等.

當(dāng)下，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾檫€只能停留在紙筆測(cè)試中，因此講實(shí)驗(yàn)、背實(shí)驗(yàn)、看實(shí)驗(yàn)視頻、刷實(shí)驗(yàn)試題成為重要的教學(xué)方式.中學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^差是一個(gè)普遍現(xiàn)象，重點(diǎn)中學(xué)也不例外，THUSSAT診斷性測(cè)試實(shí)驗(yàn)題的命題思想具有一定的導(dǎo)向作用.刷題刷不出實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，只有通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、反思實(shí)驗(yàn)、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，方可真正提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯W(xué)科核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]楊秋環(huán)，楊蒼洲.一道中學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)學(xué)術(shù)能力診斷性測(cè)試試題的命題手法研究[J].中學(xué)數(shù)學(xué)研究，2018（09）：11-12.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017：78-80.

[3]梁旭.如何確定素養(yǎng)目標(biāo)與素養(yǎng)水平[J].物理教師，2018，39（12）：2-5.

[4]廖伯琴.物理教育學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2012：200-201.

（收稿日期：2020-01-06）