穩(wěn)中有變 變中求新 有跡可循
——恢復(fù)高考以來高考物理全國卷實驗試題統(tǒng)計分析

王 麗 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

高考是我國選拔優(yōu)秀人才的一種衡量方式,實驗是高考物理考查的重點,成為師生教與學(xué)需突破的重難點.從1978年恢復(fù)高考全國命題至今,高考從全國統(tǒng)一命題走向自主命題又分批回歸全國統(tǒng)一命題,2019年使用全國卷的省份高達80%.以恢復(fù)高考全國命題以來67套全國卷實驗試題的分類統(tǒng)計為依據(jù),系統(tǒng)性研究恢復(fù)高考以來全國卷實驗試題結(jié)構(gòu)特點,考查內(nèi)容與能力立意變化,以期對教師與學(xué)生探尋變化規(guī)律,做到“以不變應(yīng)萬變”有所裨益.

1 實驗試題分值和比例統(tǒng)計分析

統(tǒng)計實驗試題分值和數(shù)量的試卷占比,發(fā)現(xiàn)除了1978年至1980年以外,其余年份的高考實驗試題占總分比例均在11%-15%范圍內(nèi),與考試大綱規(guī)定實驗考查比例11%-13%基本相符.1978年至1981年的高考物理試卷未出現(xiàn)實驗題型,這與高考尚且處于恢復(fù)時期有關(guān),這一時期的試卷結(jié)構(gòu)在變化,試題的評價功能也不斷在摸索,到1980年才在試卷中增加實驗題[1].隨著高考評價機制逐漸成熟,實驗的考查也穩(wěn)中有進,在2000年之前高考實驗試題所占比例普遍集中在11%左右,但在2000年之后高考實驗題的比例大多集中在14%,說明高考對實驗考查的重視程度日趨提升,且逐漸趨于穩(wěn)定;實驗試題個數(shù)普遍集中在1-3個之間,早期的實驗試題個數(shù)普遍是3個,而到2002年之后實驗試題1-2個居多,早期的3個實驗中每個實驗試題就考查一個知識點,知識針對性較強,而近幾年考查的1個實驗中往往涵蓋知識系統(tǒng)性考查,知識點間關(guān)聯(lián)性較強,由知識立意走向能力立意,逐漸趨于注重對學(xué)生綜合實驗?zāi)芰Φ目疾?

2 實驗試題題型分布統(tǒng)計分析

實驗試題的題型多元,包括選擇題、填空題、作圖題、簡答題.如表1所示,歷年高考全國卷實驗試題中,填空題占比最大,作圖題次之,選擇題最少,主要以填空題和作圖題的題型呈現(xiàn),兩者相加所占比例高達75%.不同實驗題型在考查內(nèi)容上的差異性決定了實驗試題題型結(jié)構(gòu)的多樣性,選擇題一般考查實驗原理、方法、儀器的選擇、實驗結(jié)果的評價與分析的正誤判斷;填空題一般考查實驗儀器的讀數(shù)、實驗步驟的排序、實驗的簡單計算、實驗方法、實驗原理或重要步驟的補空等,既包括學(xué)生對于實驗過程的記憶性知識,又涵蓋一些把解題過程隱形的小計算題;作圖題主要考查電路原理圖的設(shè)計、實物圖的連接、圖像法處理數(shù)據(jù)等;簡答題主要考查學(xué)生對實驗結(jié)果的評價分析和科學(xué)表述,難度較大.

表1 歷年高考全國卷實驗試題題型分布統(tǒng)計表

3 實驗試題考查內(nèi)容統(tǒng)計分析

實驗試題命題依據(jù)考試大綱與教材,高中物理教材內(nèi)容由力、電、熱、光、近代物理這幾大部分所組成,對于高中物理而言,尚未涉及到近代物理學(xué)板塊的實驗,但又涉及一個特殊的板塊即物理量的測量,將高考實驗試題按力、電、熱、光、物理量測量五個方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示.

表2 歷年高考全國卷實驗試題結(jié)構(gòu)分布統(tǒng)計表

由表2可知,歷年高考實驗試題中,電學(xué)實驗所占比重最大,高達54%,其次是力學(xué)實驗25.18%,物理測量類試題次之11.76%,熱學(xué)和光學(xué)實驗試題都相對較少.熱學(xué)和光學(xué)實驗在前二十年的高考試題或大綱卷高考試題中呈現(xiàn)較多,近幾年鮮少出現(xiàn),其考查比例小與課程改革、課程標(biāo)準(zhǔn)有關(guān),課程改革實行模塊化教學(xué),電學(xué)實驗和力學(xué)實驗都屬于必修模塊范疇,考查力度較大,而熱學(xué)和光學(xué)實驗屬于選修模塊范疇,某些省份學(xué)生不選擇學(xué)習(xí)此模塊的知識,為實現(xiàn)全國卷實驗考查的統(tǒng)一,考查比例自然很小;同時電學(xué)和力學(xué)是物理的兩大重要的基礎(chǔ)分支,高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)更側(cè)重對電學(xué)和力學(xué)兩大知識系統(tǒng)的要求.對考查較頻繁的電學(xué)、力學(xué)、物理量測量三個版塊的實驗內(nèi)容進行具體統(tǒng)計分析.

3.1 電學(xué)實驗

圖1可見,歷年電學(xué)實驗中考查最多的是電阻測量類試題,其中包括對普通電阻、電表內(nèi)阻、電源內(nèi)阻、特殊元件如二極管、熱敏電阻的測量,測量的方法多元化,包括伏安法、安安法、安阻法、伏阻法、半偏法、替代法、電橋法等,雖形式創(chuàng)新,但仍根基于原型實驗伏安法測電阻.從與考試大綱的相關(guān)程度的角度來看,電阻的測量、多用電表的使用、電表改裝均在考試大綱要求實驗之列,說明高考命題與考試大綱具有較高的一致性;不在大綱考查實驗行列的一類實驗均來源教材,如通電導(dǎo)線在磁場中受到的力,電源的輸出功率與外電路的電阻關(guān)系、電路故障檢測、模擬電場等勢線、示波器的使用等,一定程度上說明了雖然考試大綱是命題依據(jù),但教材仍是第一參考,教材實驗同樣不可小覷;還有一類實驗源于教材,卻又高于教材,如熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)、組裝簡易多用電表、驗證楞次定律、測量電流表的實際量程,這些實驗屬于創(chuàng)新性設(shè)計實驗,但還是千篇一律地考查教材核心知識,只是創(chuàng)新了考查形式與情境,對于這類相對陌生的實驗,要求學(xué)生靈活遷移應(yīng)用知識,洞悉新情境下的基本實驗原理,同時需具備創(chuàng)新意識和解決實際問題的能力.

圖1 歷年高考全國卷電學(xué)實驗頻次統(tǒng)計圖

3.2 力學(xué)實驗

圖2可見,歷年高考全國卷考查的力學(xué)實驗較分散,其中考查最多的是牛頓第二定律實驗,包括教材原型實驗探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系和拓展應(yīng)用類實驗如測量動摩擦因數(shù)、測量凹形橋最低點速度.從與考試大綱契合程度來看,歷年的高考力學(xué)實驗主要分為兩類:一是實驗與考試大綱規(guī)定實驗相同,例如驗證牛頓第二定律、驗證力的平行四邊形定則、驗證機械能守恒定律、驗證動量守恒定律、探究輕彈簧的彈性勢能等,這類實驗在歷年試題中頻繁出現(xiàn),是高考復(fù)習(xí)的重點;二是基于考綱考查知識的創(chuàng)新應(yīng)用類力學(xué)實驗,例如2011年光電門測量物體加速度、2015年測凹形橋最低點速度和測量物塊與斜面的動摩擦因數(shù)、2017年自制“滴水計時器”計量時間,根基于基礎(chǔ)知識,創(chuàng)設(shè)新情境,著重深層能力考查.值得注意的是,創(chuàng)新應(yīng)用類力學(xué)實驗普遍出現(xiàn)在近10年高考試題中,早年的力學(xué)實驗試題多以教材原型實驗考查形式呈現(xiàn),說明高考實驗考查由純粹的學(xué)科知識化走向豐富的情境多元化,更注重學(xué)生科學(xué)思維與實驗探究能力的培養(yǎng),彰顯高考命題的素養(yǎng)導(dǎo)向[2].

圖2 歷年高考全國卷力學(xué)實驗頻次統(tǒng)計圖

3.3 物理量測量

歷年全國卷考查讀數(shù)的實驗儀器主要有游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、電流表、電壓表、天平、多用電表、彈簧測力計等,如圖3所示,考查頻次最高的實驗儀器是游標(biāo)卡尺和螺旋測微器.早年常以單獨小問的填空形式來考查,但在近幾年里常被包含在某些實驗中,如在測量金屬的電阻率實驗中可以同時考查螺旋測微器的讀數(shù).實驗儀器讀數(shù)是要求學(xué)生具備基本的實驗技能,是筆試外顯學(xué)生操作性實驗技能的有效途徑,對中學(xué)生需正確使用的儀器、有效數(shù)字的要求均在考試大綱的實驗說明中有所體現(xiàn).無論未來實驗試題如何變化,實驗儀器的讀數(shù)必不可少,因為精密科學(xué)的數(shù)據(jù)測量是物理實驗的基礎(chǔ).

圖3 歷年高考全國卷實驗儀器讀數(shù)頻次統(tǒng)計圖

4 實驗?zāi)芰疾榈慕y(tǒng)計分析

根據(jù)高考物理考試大綱的實驗?zāi)芰σ?將實驗試題命題要求分為四個能力層次: (1) 認(rèn)識與理解:明確實驗?zāi)康?能理解實驗原理和方法; (2) 操作與實踐:能控制實驗條件,會使用儀器,會觀察、分析實驗現(xiàn)象,會記錄、處理實驗數(shù)據(jù),并得出結(jié)論; (3) 分析與評價:能對結(jié)論進行分析和評價;能發(fā)現(xiàn)問題、提出問題,并制訂解決方案; (4) 設(shè)計與創(chuàng)新:能運用已學(xué)過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題,包括簡單的設(shè)計性實驗.

根據(jù)歷年高考考查的具體內(nèi)容,將實驗要素分為以下五個方面:基本儀器;實驗原理(圖)、方法;實驗操作、步驟(實物圖);數(shù)據(jù)處理、誤差分析;實驗設(shè)計、分析評價.其中前四個要素屬于基礎(chǔ)認(rèn)知能力層次:認(rèn)知與理解、操作與實踐,最后一個要素屬于高階思維能力層次:分析與評價、設(shè)計與創(chuàng)新.

表3 歷年高考全國卷實驗試題考查要素統(tǒng)計表

4.1 基本儀器、實驗原理方法的認(rèn)知與理解是實驗基礎(chǔ)

實驗基本儀器的考查主要包括對儀器的準(zhǔn)確使用,實驗儀器的讀數(shù),實驗儀器的選擇三方面.從歷年高考試題的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),儀器讀數(shù)和儀器選擇深受高考命題者青睞.儀器讀數(shù)與使用是基本的實驗技能要求,實驗儀器的選擇處于實驗基本技能和實驗原理的交叉地帶,既考查學(xué)生對實驗儀器認(rèn)知程度,又考查學(xué)生對實驗原理、方法、思想的理解程度.

實驗原理與方法是物理實驗的起點與基礎(chǔ),實驗原理為理論與實驗架起了橋梁,是實驗科學(xué)性的依據(jù).實驗原理一直是考查重點,其中滲透學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的實驗遷移應(yīng)用能力考查,屬于基本的認(rèn)知與理解層次.

4.2 實驗步驟、數(shù)據(jù)處理的操作與實踐是關(guān)鍵能力

實驗步驟的考查是學(xué)生動手實踐能力和實驗素養(yǎng)的直觀體現(xiàn),屬于操作層次,在實驗試題中實驗步驟的排序或補空描述、電路實驗實物圖的連接呈現(xiàn)居多,其中電路實物圖的連接在67套試題中出現(xiàn)了26次,說明高考側(cè)重對實物圖連接的考查,因筆試形式的限制,只能通過實物圖“以筆代線”側(cè)面反映學(xué)生的動手操作能力.

數(shù)據(jù)處理分析是實驗的關(guān)鍵,高考主要考查圖像法和公式法分析處理數(shù)據(jù),體現(xiàn)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力,統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)近幾年高考實驗試題頻繁考查實驗數(shù)據(jù)處理,說明高考對學(xué)生基本的實驗信息加工處理能力的重視度逐漸提高.

4.3 分析與評價、創(chuàng)新實驗設(shè)計為素養(yǎng)導(dǎo)向

分析與評價、創(chuàng)新實驗設(shè)計屬于高考實驗試題的高階思維能力層次,對于學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰σ蠛芨?從整體來看,高考實驗考查基礎(chǔ)認(rèn)知層次能力居多,而高階思維能力考查比例較小,僅占16.63%,但統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)在近幾年考查力度較大,主要考查學(xué)生對于實驗整體的評價,對探究活動中未解決的問題提出優(yōu)化實驗的建議和措施及簡單性的實驗設(shè)計,主觀性較強,要求學(xué)生從基本認(rèn)知層次跨越到復(fù)雜思維層次,體現(xiàn)高考命題逐漸趨于靈活開放,由知識、能力立意逐漸走向素養(yǎng)立意[3].

5 高考實驗試題的特點和未來命題趨勢

5.1 實驗試題結(jié)構(gòu)特點

高考實驗試題在全卷占比穩(wěn)定在13%左右,題型“新穎、變化、靈活、多樣”,填空題占比最高,但同時混合著選擇題、作圖題、簡答題的考查,實現(xiàn)題型多樣化,每類題型都有其特點,選擇題和填空題具有簡潔性、客觀性、準(zhǔn)確性、跨度大、覆蓋面廣的特點,但在一定程度上限制了學(xué)生的發(fā)揮;具有主觀成分的簡答題具備不確定性,可以考查學(xué)生的表述能力、創(chuàng)造能力;作圖題是物理學(xué)科特色化考查形式,配合考查學(xué)生的簡單電路設(shè)計能力.試題結(jié)構(gòu)以電、力學(xué)模塊實驗為主,前期考查的實驗較零碎,往往是幾道相關(guān)性不強的獨立小問,后期趨向“一力一電”兩道實驗大題的呈現(xiàn)形式,考查內(nèi)容和能力更系統(tǒng)化和多元化,由零散走向系統(tǒng),由簡單的知識立意走向綜合的能力立意.

5.2 實驗試題內(nèi)容特點

高考物理實驗試題考查的內(nèi)容覆蓋面廣,重點突出.一道實驗試題可以涵蓋基本儀器的讀數(shù)、實驗原理、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析與評價、簡單設(shè)計實驗等多方面的考查,各個能力層次突出,彰顯針對性和綜合性.其次,實驗命題有明顯的側(cè)重點,電學(xué)頻考的基礎(chǔ)性實驗:電阻的測量、電表的改裝、多用電表的使用;力學(xué)頻考的基礎(chǔ)性實驗:牛頓第二定律實驗、驗證力的平行四邊形定則、驗證機械能守恒定律,命題有教材可循,有考試大綱可依.

實驗試題在注重基礎(chǔ)性的同時滲透創(chuàng)新性,在物理實驗中,實驗?zāi)康氖呛诵?實驗方法原理是基礎(chǔ),實際操作是關(guān)鍵,數(shù)據(jù)處理方法是基石,這些基本實驗要素考查滲透于每年的高考試題之中,體現(xiàn)對基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)能力的重視程度[4].其次,高考實驗試題不再是墨守成規(guī)的原型實驗,呈現(xiàn)“年年新,年年變”的特點,命題往往在某些基本實驗要素的考查上“下功夫”尋求創(chuàng)新變式,綜合性考查學(xué)生真正靈活遷移的實驗?zāi)芰?而不是記憶層次的簡單“背實驗”能力,例如2019年高考全國卷Ⅰ和Ⅲ均考查電表的改裝與校準(zhǔn),只有在平時動手實驗的基礎(chǔ)上加以獨立思考才能解決,凸顯培養(yǎng)學(xué)生分析評價與設(shè)計創(chuàng)新的高階發(fā)散思維[5].

5.3 高考命題趨勢

5.3.1 以考試大綱、課程標(biāo)準(zhǔn)為命題依據(jù),源于教材卻高于教材

考試大綱是為高考而量身定做的命題規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),課程標(biāo)準(zhǔn)是教材編寫、教學(xué)評估和考試命題的依據(jù),雖然前者似乎更側(cè)重于考試,但是后者也承載著考試命題的基本根據(jù),特別是新課標(biāo)提出的核心素養(yǎng),也必將滲透于考試大綱的能力和內(nèi)容要求之中,而教材是實現(xiàn)課程目標(biāo)、實施教學(xué)的重要手段,高考命題的知識范圍均源于教材,但不拘泥于教材原型實驗,源于教材卻高于教材.參透考試大綱和課程標(biāo)準(zhǔn)變化,回歸教材,夯實基礎(chǔ),拓展思維,才是精準(zhǔn)備考實驗試題的第一要義.

5.3.2 加強實踐操作的考查,強調(diào)“做”中“學(xué)”

高考以筆試的形式考查學(xué)生的實驗?zāi)芰?本身就存在一定的不足,以至于出現(xiàn)“鉆實驗操作空子”的現(xiàn)象,做實驗變成背實驗,觀察實驗現(xiàn)象變成記憶實驗現(xiàn)象.實驗操作的規(guī)范性也屬于實驗考查的范疇,但由于筆試的局限性而不得,學(xué)生的知識體系是有缺陷的,所以加強實踐操作的考查、落實實驗操作考試、滲透平時真正動手實驗方可解決問題的命題思想將是未來高考的趨勢所在.引導(dǎo)物理實驗教學(xué)多實踐、善觀察、勤思考,在“做”中“學(xué)”,在“行”中“悟”.

5.3.3 與實際生活聯(lián)系緊密,實驗遷移、創(chuàng)新設(shè)計為重點

近幾年高考實驗試題逐漸摒棄考查一成不變的教材實驗,衍生出許多實驗變式、實驗遷移、實驗創(chuàng)新設(shè)計,具有一定的開放性和探究性,鼓勵學(xué)生從多角度思考問題和發(fā)散思維,對學(xué)生綜合實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)具有重要的導(dǎo)向作用.未來實驗命題將更趨于生活化、情境化,取材于生活,解決生活中實際問題,緊密聯(lián)系社會生產(chǎn)生活實際,強調(diào)實驗探究,培養(yǎng)實驗創(chuàng)新意識.

5.3.4 融入新科學(xué)技術(shù)的實驗元素,滲透素養(yǎng)立意

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,實驗儀器不斷先進化,數(shù)據(jù)處理也變得信息化,傳感器的廣泛應(yīng)用,DIS系統(tǒng)的逐漸成熟,這些新的技術(shù)都帶給中學(xué)物理實驗新的變化,在近幾年高考實驗試題也有所體現(xiàn),例如將傳統(tǒng)的打點計時器替代成為位移傳感器,光電門測速度等,說明新科學(xué)技術(shù)的融入成為實驗試題的重要背景是未來命題的發(fā)展趨勢,實現(xiàn)實驗命題由能力立意走向核心素養(yǎng)立意,逐漸實現(xiàn)實驗試題考查學(xué)生核心素養(yǎng)的評價目標(biāo).