紙筆測(cè)試中評(píng)價(jià)科學(xué)探究要素的途徑

摘 要：紙筆測(cè)試中，科學(xué)探究是解決系列實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)問(wèn)題的過(guò)程.根據(jù)課標(biāo)對(duì)科學(xué)探究的定義及科學(xué)探究水平4的描述，將科學(xué)探究的四個(gè)要素與學(xué)生熟悉的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相對(duì)應(yīng).結(jié)合江蘇省兩次適應(yīng)性考試實(shí)驗(yàn)題，給出了科學(xué)探究的四個(gè)要素的評(píng)價(jià)途徑.

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究要素;實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié);評(píng)價(jià)途徑;紙筆測(cè)試

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）23-0007-05

1 科學(xué)探究要素的解構(gòu)

1.1 課標(biāo)關(guān)于科學(xué)探究的表述

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中明確指出：“科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力[1].”課程標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)以上定義將科學(xué)探究概括為問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流四個(gè)要素.

課標(biāo)將高中物理學(xué)業(yè)分五級(jí)水平，其中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4是高考命題的依據(jù).科學(xué)探究水平4的描述為“能分析相關(guān)事實(shí)或結(jié)論，提出并準(zhǔn)確表述可探究的物理問(wèn)題，作出有依據(jù)的假設(shè);能制訂科學(xué)探究方案，選用合適的器材獲得數(shù)據(jù);能分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律，形成合理的結(jié)論，用已有的物理知識(shí)進(jìn)行解釋;能撰寫完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)科學(xué)探究過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行交流和反思[1].”

1.2 紙筆測(cè)試中科學(xué)探究要素的解構(gòu)

基于中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系，教育部考試中心將物理科所要求的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc科學(xué)探究整合為“實(shí)驗(yàn)探究能力”[2]，并在高考時(shí)通過(guò)紙筆測(cè)試考查學(xué)生的這種能力.紙筆測(cè)試是測(cè)試考生已有的知識(shí)、方法和能力，考查考生在封閉的情境下獨(dú)立作答的能力，所以紙筆測(cè)試中的實(shí)驗(yàn)題屬于結(jié)構(gòu)良好的問(wèn)題.

眾所周知，一份完整的高中實(shí)驗(yàn)報(bào)告一般包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)者信息、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理、誤差分析和問(wèn)題討論.結(jié)合科學(xué)探究的定義和科學(xué)探究水平4的描述，將科學(xué)探究四個(gè)要素和物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行了拆分、分類和配對(duì)，如圖1所示，以便于從實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的操作層面研究紙筆測(cè)試中科學(xué)探究四個(gè)要素的評(píng)價(jià)途徑.紙筆測(cè)試中，在對(duì)一些問(wèn)題討論時(shí)需要準(zhǔn)確的書(shū)面表達(dá)，在交流要素中增加了“準(zhǔn)確表述”環(huán)節(jié).

紙筆測(cè)試中，科學(xué)探究是解決系列實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)問(wèn)題的過(guò)程.實(shí)驗(yàn)探究能力考查的是解決實(shí)驗(yàn)題設(shè)問(wèn)的能力，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)題的設(shè)問(wèn)可以融入實(shí)驗(yàn)的相關(guān)環(huán)節(jié)，所以科學(xué)探究要素的評(píng)價(jià)途徑也就體現(xiàn)為具體實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的考查方式.

1.3 兩道適應(yīng)性考試實(shí)驗(yàn)題

江蘇省2021年兩次適應(yīng)性考試實(shí)驗(yàn)題關(guān)注了實(shí)驗(yàn)眾多環(huán)節(jié)的考查，通過(guò)填空、作圖、問(wèn)答等多種的作答方式，很好地考查了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力.本文以兩次適應(yīng)性考試的實(shí)驗(yàn)題為例，探討科學(xué)探究四個(gè)要素的評(píng)價(jià)途徑及相關(guān)問(wèn)題解決的思路.

例題1 （2021年江蘇1月適應(yīng)性考試 12題）用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量木塊與長(zhǎng)木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ.把左端帶有滑輪的長(zhǎng)木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上，載有砝碼的木塊右端連接穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，左端連接細(xì)線，細(xì)線繞過(guò)定滑輪掛有槽碼，木塊在槽碼的牽引下運(yùn)動(dòng).通過(guò)紙帶測(cè)量木塊的加速度，并測(cè)出木塊與砝碼的總質(zhì)量M、槽碼的總質(zhì)量m，計(jì)算木塊與木板之間的摩擦力f.改變M和m進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn).

（1）下列實(shí)驗(yàn)操作步驟，正確順序是_____.

①=釋放木塊

②接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源

③將木板固定在水平桌面上

④調(diào)節(jié)滑輪高度使細(xì)線與木板平行

⑤將紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔并固定在木塊上

（2）實(shí)驗(yàn)打出的一段紙帶如圖3所示.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作頻率為50Hz，圖中紙帶按實(shí)驗(yàn)尺寸畫出，則木塊的加速度為_(kāi)___m/s2.

（3）甲同學(xué)測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

請(qǐng)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙（圖4）上作出 f-M 圖像.

（4）已知重力加速度g=9.80m/s2，可求得該木塊與木板的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=_____.

（5）乙同學(xué)用（3）問(wèn)表中的數(shù)據(jù)逐一計(jì)算出每次測(cè)量的μ值，取其平均值作為測(cè)量結(jié)果.他發(fā)現(xiàn)該值比甲同學(xué)在（4）問(wèn)中得出的μ值大.你認(rèn)為哪位同學(xué)的結(jié)果更準(zhǔn)確，請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明理由.

例題2 （2021年江蘇4月適應(yīng)性考試 11題）某同學(xué)測(cè)量一根長(zhǎng)直電阻絲的電阻率.按圖5所示的電路用等效替代方法測(cè)出一段電阻絲的電阻：導(dǎo)線Ⅰ和Ⅱ先按圖5中的實(shí)線連接，后按圖5中的虛線連接.在上述兩種情形下，當(dāng)電流計(jì)的示數(shù)為零時(shí)導(dǎo)線Ⅰ和Ⅱ中無(wú)電流流過(guò)，電壓UP1C=UP2B，則RP1B+R0=RP2B，由此可測(cè)得P1P2段的電阻為R0.R0的阻值已知，P1P2的長(zhǎng)度通過(guò)固定在電阻絲旁的刻度尺讀出.

（1）待測(cè)電阻絲的總電阻約20Ω，若有兩種阻值的定值電阻：①10Ω;②30Ω.實(shí)驗(yàn)中R0應(yīng)選用_____.

（2）根據(jù)圖5中實(shí)線的電路，請(qǐng)用筆畫線代替導(dǎo)線，將滑動(dòng)變阻器連入圖6所示的實(shí)物電路.

（3）按圖6中實(shí)線連接好電路后，閉合開(kāi)關(guān)S1和S2，接下來(lái)的正確操作順序是_____.

①將導(dǎo)線Ⅰ連接在B上

②記下P1位置在刻度尺上的讀數(shù)

③記下P2位置在刻度尺上的讀數(shù)

④調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的觸頭，使的示數(shù)為零

⑤改變導(dǎo)線Ⅱ連接在電阻絲上的位置，使的示數(shù)為零

（4）該同學(xué)多次更換定值電阻R.重復(fù)上述實(shí)驗(yàn).當(dāng)R0=15Ω時(shí)，記下P1的讀數(shù)為70.00cm，P2的讀數(shù)為20.00cm.用螺旋測(cè)微器測(cè)得電阻絲的直徑，并計(jì)算出電阻絲的橫截面積為0.500mm2.由此求得電阻絲的電阻率ρ=_____Ω·m.

（5）小明同學(xué)認(rèn)為，與教材中“測(cè)量金屬絲的電阻率”的實(shí)驗(yàn)方法相比，上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得電阻的誤差更小.你是否同意他的觀點(diǎn)？請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明理由.

2 “問(wèn)題”的評(píng)價(jià)途徑

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

紙筆測(cè)試中，一般會(huì)開(kāi)門見(jiàn)山，題干的第一句話會(huì)明確給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?qǐng)注意圈劃.

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理指實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡奈锢硪?guī)律（公式），要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的來(lái)思考實(shí)驗(yàn)的原理.根據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康目梢苑譃槊鞔_型、多樣型，如果是未學(xué)過(guò)的則為創(chuàng)新型，如圖7所示.例如，“測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)原理為閉合電路的歐姆定律，但是根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)儀器可以寫出不同的表達(dá)式，可認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)的原理為多樣型.

問(wèn)題1：閱讀例1、例2的題干，圈劃實(shí)驗(yàn)?zāi)康模W(xué)實(shí)驗(yàn)注意明確研究對(duì)象，寫出實(shí)驗(yàn)原理，猜測(cè)需要測(cè)量的物理量.

答：例題1和例題2的實(shí)驗(yàn)原理均為明確型.例題1：實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑椤皽y(cè)量木塊與長(zhǎng)木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ”.研究對(duì)象為木塊，所用規(guī)律為滑動(dòng)摩擦力的公式f=μFN，得μ=fFN，需要測(cè)量滑動(dòng)摩擦力和木塊與長(zhǎng)木板間的彈力.例題2的實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑椤皽y(cè)量一根長(zhǎng)直電阻絲的電阻率”.所用規(guī)律為電阻定律的公式R=ρlS，得ρ=RSl，需要測(cè)長(zhǎng)直電阻絲的電阻、橫截面積和長(zhǎng)度.

3 “證據(jù)”的評(píng)價(jià)途徑

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案是從操作的角度把實(shí)驗(yàn)原理具體化、程序化，即按照實(shí)驗(yàn)的原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的程序和步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)需要的物理量的測(cè)量，如圖8所示.特別要注意的是，實(shí)驗(yàn)方案要完全根據(jù)命題者對(duì)題目的敘述或提供的線索來(lái)構(gòu)思.

問(wèn)題2：完成例2（1），并寫出理由.

答：該問(wèn)題考查的是器材選擇.選擇①，因?yàn)楦鶕?jù)題干條件RP1B+R0=RP2B，待測(cè)電阻絲的部分阻值已經(jīng)大于R0.

問(wèn)題3：仔細(xì)觀察例2圖5中滑動(dòng)變阻器的接法，在圖5中完成例2（2）.

答：滑動(dòng)變阻器連接時(shí)分兩步進(jìn)行，首先將變阻器的整個(gè)阻值與電源、開(kāi)關(guān)相連，然后再連其他部分，如圖9所示.

問(wèn)題4：完成例2（3），并寫出排序理由.

答：②④①⑤③（或④②①⑤③）.回到題干中去：按圖5所示的電路用等效替代方法測(cè)出一段電阻絲的電阻：導(dǎo)線Ⅰ和Ⅱ先按圖5中的實(shí)線連接，后按圖5中的虛線連接.在上述兩種情形下，（補(bǔ)充第一種情形的操作，步驟②，補(bǔ)充操作，根據(jù)題干排序，步驟④）當(dāng)電流計(jì)的示數(shù)為零時(shí)導(dǎo)線Ⅰ和Ⅱ中無(wú)電流流過(guò)，（補(bǔ)充第二種情形的操作，步驟①⑤③）電壓UP1C=UP2B，則RP1B+R0=RP2B，由此可測(cè)得P1P2段的電阻值為R0.

問(wèn)題5：完成例1（1），并寫出排序理由.

答：③⑤④②①.回到題干中去：把左端帶有滑輪的長(zhǎng)木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上（根據(jù)題干排序，步驟③），載有砝碼的木塊右端連接穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶（根據(jù)題干排序，步驟⑤），左端連接細(xì)線，（補(bǔ)充操作，步驟④）細(xì)線繞過(guò)定滑輪掛有槽碼，（補(bǔ)充操作，參考經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的操作注意點(diǎn)，步驟②①）木塊在槽碼的牽引下運(yùn)動(dòng).

3.2 記錄數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)的重要證據(jù).該環(huán)節(jié)常?？疾閷?shí)驗(yàn)儀器的讀數(shù)，力學(xué)和電學(xué)實(shí)驗(yàn)的讀數(shù)注意點(diǎn)如圖10所示.

4 “解釋”的評(píng)價(jià)途徑

4.1 處理數(shù)據(jù)

處理數(shù)據(jù)就是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和分析，常常用計(jì)算法和圖像法，如圖11所示.

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

處理數(shù)據(jù)后，分析出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.例如，填寫計(jì)算的數(shù)值結(jié)果，寫出發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)規(guī)律，用已有知識(shí)進(jìn)行解釋等.

問(wèn)題6：完成例題1（2）和例題2（4）.

答：例題1（2）可以將后面的18個(gè)間隔分成兩大段，按實(shí)際印刷大小，用Δx=aT2（要理解推論中的物理量）計(jì)算加速度.例題2（4）的結(jié)果為1.5×10-5，電阻

和橫截面積直接給了數(shù)值，有效長(zhǎng)度為兩讀數(shù)之差.兩題均要注意單位換算.

問(wèn)題7：完成例1（3）（4）.

答：如圖12所示.

由滑動(dòng)摩擦力公式得f=μgM，可知f-M圖線的斜率為μg，則k=ΔfΔM=2.4-0.20.68-0=μg，解得μ=0.33.

5 “交流”的評(píng)價(jià)途徑

5.1 誤差分析

實(shí)驗(yàn)的誤差是不可避免的.分析誤差時(shí)要反思實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果，尋找誤差的來(lái)源，并知道如何有效地減小測(cè)量誤差.系統(tǒng)誤差的來(lái)源途徑和減小偶然誤差的方法如圖13所示.

5.2 準(zhǔn)確表述

實(shí)驗(yàn)問(wèn)題討論的文字表述需要準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔，要做到有問(wèn)必答，并根據(jù)設(shè)問(wèn)，順著命題者的思路和要求解答，關(guān)鍵詞要顯眼.

問(wèn)題8：完成例1（5）、例2（5）.

答：例1（5）：甲同學(xué)，因?yàn)閺膄-M圖像可知實(shí)驗(yàn)中存在紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦力f0，實(shí)際f=μMg+f0，用圖像法計(jì)算時(shí)，f0不會(huì)影響斜率;如果逐點(diǎn)計(jì)算，會(huì)將f0算作μMg的一部分，導(dǎo)致摩擦系數(shù)變大，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差;例2（5）：同意，因?yàn)榘唇滩牡姆椒姳韮?nèi)阻導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差更大.建議：對(duì)教材的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)要非常熟悉，才能比較、遷移.

總之，紙筆測(cè)試中評(píng)價(jià)科學(xué)探究要素的途徑是具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，目的是考查考生的科學(xué)探究能力.如何提升學(xué)生的科學(xué)探究能力？平時(shí)的教學(xué)中，教師要?jiǎng)?chuàng)造良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)方式，經(jīng)歷完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，寫好實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并鼓勵(lì)學(xué)生積極參加課外探究活動(dòng)，提升實(shí)驗(yàn)探究能力.

參考文獻(xiàn)：

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[2]程力，李勇.基于高考評(píng)價(jià)體系的物理科考試內(nèi)容改革實(shí)施路徑[J].中國(guó)考試，2019（12）：38-44.

（收稿日期：2021-09-25）

基金項(xiàng)目：江蘇省南通市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)培育的深度學(xué)習(xí)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：JY2020010）.

作者簡(jiǎn)介：程柱建（1977-），男，江蘇如皋人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，教研員，研究方向：中學(xué)物理課程與教學(xué)、教師隊(duì)伍建設(shè)研究.