中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)測評(píng)試題開發(fā)*
——以“測量彈簧的勁度系數(shù)”為例

張書良

(梅州市教研室 廣東 梅州 5140215)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為后天習(xí)得的關(guān)鍵品格和必備能力，其每個(gè)方面的形成必然遵循獨(dú)特的學(xué)習(xí)心理機(jī)制[1].為了激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的科學(xué)思維能力和實(shí)驗(yàn)探究能力，使學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)真正落到實(shí)處，為了準(zhǔn)確考察中學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)操作能力，需要借助于物理實(shí)驗(yàn)[2].筆者作為地市教研員舉辦了7屆“中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ僮鞅荣悺焙?屆“中學(xué)物理教師常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作比賽”，活動(dòng)成效顯著，對(duì)所在地區(qū)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究具有較大的影響.基于多年的物理實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)測評(píng)試題命制的經(jīng)驗(yàn)，本文以“測量彈簧的勁度系數(shù)”為例，闡述實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)測評(píng)試題的開發(fā)策略，以供同仁參考.

1 選定命題范圍 確定研究問題

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生操作技能的主要途徑，更是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要手段[3].根據(jù)《中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)要求，“測量彈簧的勁度系數(shù)”屬于高一必修1內(nèi)容，根據(jù)《物理高考考綱》要求，“測量彈簧的勁度系數(shù)”屬于高考13個(gè)必考實(shí)驗(yàn)之一，其在中學(xué)物理課程中的地位非常重要.因此，從不同角度以不同的能力要求對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考查，既符合課程標(biāo)準(zhǔn)和考綱要求，又具有較好的命題價(jià)值與學(xué)術(shù)價(jià)值.

2 根據(jù)研究問題 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

2.1 分析物理量的具體屬性和試題場景

圍繞研究問題所涉及的物理量，分析該物理量的物理性質(zhì)與物理意義，尋找與該物理量相關(guān)的物理概念和規(guī)律，再根據(jù)物理概念和規(guī)律的具體屬性，構(gòu)建物理量的相關(guān)試題場景.然后考慮是否存在直接測量該物理量的工具？如果沒有，通過其他什么物理量或規(guī)律可以間接測量該物理量？下面以如何測量彈簧的勁度系數(shù)作為案例，按照上述流程設(shè)計(jì)如下：

(1)確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y量彈簧的勁度系數(shù).

(2)確定實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象：本實(shí)驗(yàn)測量彈簧的勁度系數(shù)，實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象即為彈簧.

(3)確定實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象的屬性和試題場景.

要測量彈簧的勁度系數(shù)，不妨先回憶相關(guān)的彈簧場景(比如：彈簧測力計(jì)、用彈簧彈射小球、彈簧振子等……)；確定待測物理量——彈簧的勁度系數(shù)；是否存在直接測量讀取彈簧勁度系數(shù)的儀器——沒有；確定彈簧的勁度系數(shù)可能與其他物理量之間的關(guān)系……

結(jié)合中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)場景可知：彈簧測力計(jì)、彈簧彈射小球等場景中，彈簧都受到了外力作用，并且彈簧都發(fā)生了形變.彈簧的勁度系數(shù)與彈簧的受力與形變程度有關(guān).

基于上述場景，可以用胡克定律描述彈簧的勁度系數(shù)與受力、形變程度的定量關(guān)系，也可以根據(jù)簡諧運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力公式描述彈簧的勁度系數(shù)與受力、形變程度的定量關(guān)系.

2.2 根據(jù)屬性和場景 形成不同的實(shí)驗(yàn)原理和對(duì)應(yīng)方案

根據(jù)物理量的物理屬性以及物理場景，分析不同物理場景涉及的實(shí)驗(yàn)原理，形成對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案.

方案一：通過讓彈簧受力伸長(原理：胡克定律)；

方案二：構(gòu)成彈簧振子，讓彈簧振子做簡諧振動(dòng)(原理：彈力使物體做簡諧振動(dòng)).

……

2.3 根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)原理 確定各方案的待測物理量

實(shí)驗(yàn)原理是依據(jù)各物理場景改造后的物理概念或規(guī)律.那么，如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理使物理量的測量更可行與方便呢？根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案，確定其待測物理量如表1所示.

2.4 形成各待測物理量的測量方案 確定測量原理 器材和數(shù)據(jù)處理方法

確定待測物理量后，如何具體測量這些物理量則構(gòu)成了新的子任務(wù)，這些待測物理量的測量同樣可以運(yùn)用上述各方案進(jìn)行再分析：待測物理量是否直接測量，可否利用物理量的相關(guān)屬性進(jìn)行間接測量；確定測量方法后，如何確定最終的測量儀器；如何根據(jù)測量方案確定數(shù)據(jù)處理的方法.根據(jù)上述分析思路，對(duì)物理量的測量方案細(xì)化后如表2和表3所示.

表2 測量方案一

表3 測量方案二

3 根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案 確定考查的必要技能

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案，確定各實(shí)驗(yàn)方案所需的必要技能，該技能包括理解層次與運(yùn)用層次兩個(gè)方面.

理解層次包括：物理概念和規(guī)律的理解；儀器使用原理和操作方法的理解；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的理解等.

運(yùn)用層次包括：能夠運(yùn)用場景涉及的物理概念和規(guī)律；能利用相應(yīng)的物理公式進(jìn)行運(yùn)算；能根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的操作原理進(jìn)行科學(xué)操作；對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理等.下面分別對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行說明，如表4和表5所示.

表4 測量方案一說明

表5 測量方案二說明

4 根據(jù)實(shí)驗(yàn)類型及考查技能 設(shè)置考試內(nèi)容與提示卡

知道各方案所需要具備的必要技能之后，教師可選擇期望考查的必要技能，確定實(shí)驗(yàn)類型及內(nèi)容，并設(shè)置相應(yīng)的提示卡,如表6所示.實(shí)驗(yàn)類型可分為儀器操作、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(綜合)3種.

表6 提示卡設(shè)置關(guān)系表

下面以方案二(利用簡諧振動(dòng))作為考查方案，根據(jù)3種不同實(shí)驗(yàn)類型設(shè)置不同的考試題與提示卡.

4.1 儀器操作

4.1.1 考查技能

考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的使用步驟以及學(xué)生對(duì)裝置的連接等.例如：在不提供使用說明的情況下學(xué)生是否能使用光電門？在不提供裝置連接圖時(shí)能否根據(jù)給出的方案設(shè)計(jì)裝置圖？

4.1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(第七屆比賽第1題)

(1)實(shí)驗(yàn)器材：勁度系數(shù)待測的彈簧1個(gè),擋光片1塊,12007型數(shù)字計(jì)時(shí)器(帶光電門)1臺(tái),200 g重錘1個(gè),固定夾和鐵夾各1只,鐵架臺(tái)1個(gè).

(2)實(shí)驗(yàn)原理：物體在平衡位置附近做往返周期性的運(yùn)動(dòng)叫簡諧振動(dòng)，如圖1所示.

圖1 簡諧振動(dòng)示意圖

下端掛物體的彈簧沿豎直方向懸掛，稱為彈簧振子.如果物體只受重力及彈力的作用，它會(huì)以平衡位置O點(diǎn)為中心，在AB間做往返運(yùn)動(dòng)(簡諧振動(dòng))，振動(dòng)周期為

式中π為圓周率，當(dāng)彈簧質(zhì)量忽略不計(jì)時(shí)，m為振子(物體)的質(zhì)量，κ為彈簧的勁度系數(shù).可以通過使物體做簡諧振動(dòng)來對(duì)彈簧的勁度系數(shù)進(jìn)行測量.

(3)實(shí)驗(yàn)要求：

1)列出彈簧勁度系數(shù)κ的表達(dá)式及大小.根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)原理，畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖；

2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖，將各實(shí)驗(yàn)儀器組裝成實(shí)驗(yàn)裝置，運(yùn)用連接好的實(shí)驗(yàn)裝置收集數(shù)據(jù)；

3)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并分析實(shí)驗(yàn)可能存在的誤差及其對(duì)測量結(jié)果的影響.

4.1.3 提示卡設(shè)置

(1)提示卡1：裝置圖的連接如圖2所示.

圖2 裝置連接圖

(2)提示卡2：光電計(jì)時(shí)器的使用說明(光電計(jì)時(shí)器的使用是實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中的核心，也是題目主要考查的技能.因此將光電計(jì)時(shí)器的使用說明設(shè)置為提示卡2).

4.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

4.2.1 考查技能

側(cè)重理解層次的考核，考查對(duì)胡克定律、彈簧回復(fù)力等概念的理解以及依據(jù)相關(guān)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力；同時(shí)，也對(duì)器材的使用原理進(jìn)行考查.

4.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)實(shí)驗(yàn)器材：刻度尺、彈簧一根、質(zhì)量為m的重物、秒表、光電門.

(2)實(shí)驗(yàn)要求：請(qǐng)你根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)出至少兩種你認(rèn)為可行的、測量原理不同的測量彈簧勁度系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方案.

4.2.3 提示卡

提示卡可以對(duì)提供的實(shí)驗(yàn)器材的用途進(jìn)行說明.

4.3 物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(綜合)

4.3.1 考查技能

關(guān)注理解、運(yùn)用層次內(nèi)容的綜合考查，對(duì)學(xué)生的要求更高，例如：如何就給出的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)施.需要學(xué)生熟悉彈簧振子的簡諧振動(dòng)，了解簡諧振動(dòng)周期與勁度系數(shù)的關(guān)系，并能夠設(shè)計(jì)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案.需要學(xué)生能根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，會(huì)操作各實(shí)驗(yàn)儀器，并能夠收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù).

4.3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)實(shí)驗(yàn)器材：勁度系數(shù)待測的彈簧1個(gè),擋光片1塊,12007型數(shù)字計(jì)時(shí)器(帶光電門)1臺(tái),200 g重錘1個(gè),固定夾和鐵夾各1只,鐵架臺(tái)1個(gè).

(2)實(shí)驗(yàn)要求：

1)根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材(提供各儀器的使用說明)，設(shè)計(jì)一個(gè)能測出勁度系數(shù)κ的實(shí)驗(yàn)方案，闡明實(shí)驗(yàn)原理；

2)寫出彈簧勁度系數(shù)κ的表達(dá)式，畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖將各實(shí)驗(yàn)儀器組裝；

3)運(yùn)用連接好的實(shí)驗(yàn)裝置收集數(shù)據(jù)，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并分析實(shí)驗(yàn)可能存在的誤差及其對(duì)測量結(jié)果的影響.

4.3.3 提示卡設(shè)置

當(dāng)學(xué)生對(duì)該題沒有思路時(shí)，可以申請(qǐng)使用提示卡，但使用提示卡會(huì)扣一定的分?jǐn)?shù).

(1)提示卡1：實(shí)驗(yàn)原理.

物體在平衡位置附近做往返周期性的運(yùn)動(dòng)叫簡諧振動(dòng).如圖1所示，下端掛物體的彈簧沿豎直方向懸掛，稱為彈簧振子，物體受重力及彈力的作用，以平衡位置O點(diǎn)為中心，在AB間的往返運(yùn)動(dòng)就是簡諧振動(dòng).其振動(dòng)周期為

式中π為圓周率，當(dāng)彈簧質(zhì)量忽略不計(jì)時(shí)，m為振子(物體)的質(zhì)量，κ為彈簧的勁度系數(shù).

(2)提示卡2：實(shí)驗(yàn)裝置圖的連接如圖2所示.

5 結(jié)束語

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)測評(píng)試題的命制是一項(xiàng)有高難度的工作，命題應(yīng)符合科學(xué)性、可操作性、時(shí)代性等基本原則.本文以“測量彈簧的勁度系數(shù)”為例闡述了實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)測評(píng)試題的開發(fā)策略，主要包括：選定命題范圍，確定研究問題；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；確定考查技能；設(shè)置考試內(nèi)容與提示卡等4個(gè)方面.其他實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)測評(píng)試題的命制也可以類似的方案進(jìn)行.當(dāng)然，試題的可靠性必須經(jīng)過實(shí)際操作測試，本文不再作詳細(xì)闡述.