2021年湖南省高考物理電學實驗題解讀

摘 要：2021年湖南卷物理電學實驗題12題立足教材，通過創(chuàng)設學習探索類的真實情境，重視考查實驗原理的理解、實驗設計、實驗數(shù)據(jù)的分析和處理等，突出創(chuàng)新能力的命題導向，從實驗情境設置、實驗探究能力等級考查和學科核心素養(yǎng)等方面進行解讀，對今后高中物理實驗教學有所啟示.

關鍵詞：電學實驗題;核心素養(yǎng);創(chuàng)新能力;教學啟示

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0051-03

1 試題及解讀

1.1 試題呈現(xiàn)

例題1 （2021年湖南高考 12題）某實驗小組需要測定電池的電動勢E和內阻r，提供器材有：一根均勻電阻絲其總電阻大于R0，并配有可在電阻絲上移動的金屬夾、一個單刀雙擲開關、一個定值電阻阻值為R0、一塊電流表內阻為RA、一節(jié)待測電池、導線若干.由于缺少刻度尺，無法測量電阻絲的長度，但發(fā)現(xiàn)桌子上有一個刻度均勻圓形時鐘表盤.其中一位同學提出將電阻絲繞在該表盤上，通過讀圓心角來表示接入電路的電阻絲長度.主要實驗步驟如下：

（1）將器材如圖1（a）連接;

（2）開關閉合前，金屬夾應夾在電阻絲的端（填“a”或“b”）;

（3）改變金屬夾的位置，接通開關，記錄每次接入電路的電阻絲對應的圓心角θ和電流表示數(shù)I，得到多組數(shù)據(jù);

（4）整理數(shù)據(jù)并在坐標紙上描點繪圖，所得圖像如圖（b）所示，設單位角度對應電阻絲為r0 ，圖線斜率為K，縱軸截距為d，該電池的內阻和電動勢的表達式可表示為 r= ，E= （用R0、RA、K、d、r0表示）;

（5）為進一步確定結果，還需要測量單位角度對應電阻絲的阻值r0 ，利用現(xiàn)有器材設計實驗，在圖（c）方框中畫出實驗電路圖（電阻絲用電阻箱符號表示）;

（6）利用設計電路測出的r0，可得該電池的內阻和電動勢.

參考答案：（1）b;（2）r0bK-R0-RA;（3）r0K;（4）實驗電路圖（如圖2）.

1.2 試題分析

此題考查學生利用給定儀器測定電池的電動勢和內阻，能夠很好地展示考生解決問題的思維過程，在核心價值的引領作用和學科素養(yǎng)的導向作用下，很好考查了關鍵能力和必備知識，本文從實驗情境設置、實驗探究能力等級考查和學科核心素養(yǎng)等方面進行解讀.

1.2.1 實驗情境設置

此題巧妙地設置一個電流表和“一個特殊的電阻箱”（通過改變接入電路的電阻絲長度和接入電路的電阻絲對應的圓心角θ來讀取接入電路電阻大小，最后讓學生設計測單位角度電阻的電路）測定電池的電動勢和內阻，是學習探索類情境的命題，是一個培養(yǎng)學生科學思維的好載體，在解題過程中，學生需要提取有效信息，經歷探究過程：由情境設問—模型構建—科學推理—科學論證（或質疑創(chuàng)新），能夠很好地把所學物理與實際結合起來，由于這類情境源于實際存在的真實問題，解決過程中需要將實際問題與物理抽象模型聯(lián)系起來，對學生的模型構建和轉換的能力要求高，可以將這一引領作用直接導向學科素養(yǎng)、有效承載關鍵能力和必備知識的考查.

1.2.2 多角度設問多層次考查實驗探究能力

物理實驗是物理學科的基礎，部分學生感覺很難，也是平常物理學科教學的重點，物理探究是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的主要途徑，物理實驗承載著科學探究的重要思想和方法，對培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和科學精神具有重要意義.實驗探究能力是物理等級考查的焦點.此實驗題設計的問題對物理實驗探究四個層次考查：第（1）步考查實驗探究能力的第一層次，即是觀察與識記，即能完成課程標準要求的觀察、測量任務，知道實驗儀器名稱，此處沒有設問考查學生;步驟（2）（3）考查實驗探究能力的第二層次，即是操作與運用，在步驟（2）設問考查學生根據(jù)閉合電路歐姆定律對電路進行分析，一根均勻電阻絲其總電阻大于R0，并配有可在電阻絲上移動的金屬夾等效一個滑動變阻器，閉合開關時金屬夾應夾在電阻絲的b端，接入電路有效電阻最大;步驟（4）考查實驗探究能力的第三層次，即分析與表述，在這步設（2）（3）問，由閉合電路歐姆定律和接入電路有效電阻與圓心角θ關系即R=θr0并根據(jù)（1/I）-θ圖像得出電動勢E和內阻r的關系式;步驟（5）（6）考查實驗探究能力的第四層次，即是設計與評價，在步驟（5）設問讓學生利用現(xiàn)有儀器設計測量單位角度對應電阻絲的阻值r0，設計利用等效替代法測量單位角度r0，讓學生評估和評價實驗方案正確性，避開了實驗系統(tǒng)誤差考查了學生的創(chuàng)新能力.

1.2.3 通過綜合應用考查學生的科學思維和科學探究的素養(yǎng)要素

學生物理學科水平的差異，主要體現(xiàn)在科學思維、科學探究的素養(yǎng)水平上，學生的創(chuàng)新思維發(fā)展是物理學科思維提升的標志.例題1以學生在測定電池的電動勢和內阻中遇到的真實問題（沒有電壓表、電阻箱和滑動變阻器，只有一個電阻絲，卻由于缺少刻度尺，無法測量電阻絲的長度，但發(fā)現(xiàn)桌子上有一個圓形鐘表盤，最后設計測單位角度的電阻r0）為載體，引導學生通過研究解決.培養(yǎng)學生的分析能力、推理能力、建模能力及實驗設計能力.在真實問題解決的過程中，學生收獲的不僅僅是學科能力的提升，更重要的是學生創(chuàng)造性思維的火花被點燃，學生收獲的是智慧和啟迪.

2 教學啟示

通過以上分析，此道實驗題是一道高質量、高信度的高考題，新高考實驗命題與以前考試大綱要求的知識熟練掌握程度沒有變，而對解決實驗中存在問題層次的要求大大提高了，學科素養(yǎng)在“一核四層四翼”高中評價體系中很好地得以落實.我們的實驗教學理念需要改變，下面是筆者對物理實驗教學的一點體會.

2.1 在進行實驗物理觀念教學時，要特別注意物理觀念的內化、提升和升華

物理觀念是國家課程標準提出的一個新的概念，有的一線教師認為物理觀念就是三維目標所說的物理概念、物理規(guī)律，結合筆者的教學實際，對物理觀念理解是，物理觀念不僅包括“物理概念、規(guī)律等基本認識”，還包括從概念和規(guī)律提煉、升華之后的物理觀點和認知，這要求我們在物理實驗教學時做出改變，下面以電壓表的工作原理進行說明，通過實驗探究電壓表原理如圖3所示，通過電流計讀出流過兩個電阻的電流Ig，電壓表內阻RV=Rg+R為已知，根據(jù)閉合電路歐姆定律U=Ig·RV，電流流過電阻電勢降低，讀電流而讀電壓.建立電壓表的原理時，教師引導學生將物理觀念內化，電壓表實際也是一個電阻，是一個會讀電流的特殊電阻.進一步提升，如果已知電壓表內阻，知道電壓表讀數(shù)可以測出串聯(lián)電路中電流，即一個電壓表既可以當電壓表用，也可以當電流表使用，還可當分壓的電阻使用.注意升華，根據(jù)U=Ig·RV，控制變量Ig不變，改變電阻大小，通過讀電阻大小也可以讀電壓，這樣做成了“新型電壓表”.如2014年四川省理綜高考電學實驗題就考了一個變形電壓表，考查了學生真正掌握必備知識的能力.

2.2 創(chuàng)設“與時俱進”實驗教學情境，培養(yǎng)學生銳意進取的創(chuàng)新精神

蘇霍姆林斯基說：“人的內心靈魂深處有一種根深蒂固的需求，總是感到自己是一個發(fā)現(xiàn)者、研究者、探尋者.”隨著時間的推移，如果不向這種需求提供養(yǎng)料，學生的這種需求就會逐漸消失，教師應該在教學中不斷扶植和幫助學生想成為發(fā)現(xiàn)者的愿望.這就需要教師對教學觀念的建立和營造教學氛圍方面進行大膽的嘗試，設計一些新的、與時俱進的實驗情境，培養(yǎng)學生對新事物的洞察力，激發(fā)學生的好奇心，培養(yǎng)學生與時俱進、銳意創(chuàng)新的能力.下面以筆者在高三第一輪復習一道探究實驗為例進行說明，實驗情境是：我不小心把智能手機“快充”充電器線機械壓扁了，發(fā)現(xiàn)手機無法實現(xiàn)快充功能，我就把這個實驗搬進課堂組織學生探究其中原因，經過學生的探究取得了比較好的教學效果.

例題2 智能手機快充技術改善人們旅行方便程度.我的66W快充手機的充電線被椅子擠壓了一下，發(fā)現(xiàn)手機無法實現(xiàn)快充功能，引導同學猜想，有同學猜測是因為電線壓扁以后電阻值發(fā)生了變化.為了驗證猜想，設計實驗測量被壓扁的充電線的電阻值.

（1）首先采用歐姆表測量該電線的電阻.

（2）歐姆表調零：把萬用表的旋鈕調到歐姆檔“×1”檔位，紅黑表筆對接，調節(jié)歐姆調零旋鈕，直到指針指到刻度盤______（填“右端”或“左端”）零刻度處.

（3）把紅黑表筆分別接觸充電線兩端，歐姆表指針指到圖4位置.可見該充電線電阻______（填“很小”或“很大”），歐姆表無法測量.

（4）為了進一步測量該充電線電阻，該同學找來兩節(jié)1.5V的干電池、電池盒、量程為3V的電壓表、全電阻為5Ω的滑動變阻器、量程為3A的電流表，開關、導線若干，并按照圖5連接電路.接通開關，發(fā)現(xiàn)電壓表指針幾乎沒有偏轉，但電流表有示數(shù).請分析原因______并寫出一個解決問題的方案（包括需要哪些器材及需要測量的數(shù)據(jù)）______.

（5）該同學通過調整方案測量出充電線的阻值為0.4Ω（已知智能手機充電電壓為5V），簡述該充電線不能快充的原因：______.

參考答案：（2）右端.（3）很小.

（4）充電線的阻值太小，在串聯(lián)電路的分壓作用下，其兩端電壓太小，電壓表難以測量.解決方案：①需要一個內阻已知為r的電流表A1，并聯(lián)在導線兩端，讀出電流表讀數(shù)I，通過Ir表示充電線兩端電壓;②調節(jié)滑動變阻器，使電流表滿偏，用一個最小分度值為0.1Ω的電阻箱并聯(lián)在充電線和電流表兩端，調節(jié)電阻箱阻值，使電流表示數(shù)變?yōu)樵瓉淼囊话耄藭r電阻箱讀數(shù)等于充電線電阻值;③使用電壓傳感器直接測量電阻絲兩端電壓.

（5）智能手機充電電壓約為5V，66W的充電功率對應電流約為13A，故電線電阻增大后，電線消耗的功率達到67.6W，超過了充電器的額定功率，故不可以按照最大功率充電.

例題2分析：

（1）此題把生活中所遇到真實問題搬到物理課堂探究其原因.提高了學生科學探究的興趣、熱情，培養(yǎng)提出問題的意識、深入思考問題習慣等等，讓學生在實驗中如實記錄實驗、探究實驗和分析實驗問題、提出改進意見，遵循基本科學倫理和道德規(guī)范.培養(yǎng)學生之間的合作精神、實事求是、敢對權威說不、能基于證據(jù)和推理提出自己見解的品質.引導學生做到“與時俱進”，激發(fā)學生好奇心和創(chuàng)新欲望.

（2）培養(yǎng)學生多層次的探究能力，第（4）問開放式設問，讓學生寫出一個解決問題的方案（包括需要哪些器材，及需要測量的數(shù)據(jù)），培養(yǎng)學生遇到問題能從多角度、全方位地進行思考，真正讓學生領略了實驗設計的思想和邏輯，體驗科學探究的嚴謹與巧妙，培養(yǎng)學生發(fā)散思維和創(chuàng)新能力.

（3）第（5）問設計問題：讓學生分析充電線被椅子擠壓了一下（壓扁了），電線不能快充的原因，培養(yǎng)學生推理論證能力，讓學生更深刻地理解科學探究的過程及本質，同時學生在不斷論證、修正的過程中，體會探究和論證的樂趣，更好發(fā)展高階思維.

2.3 拓展探究問題呈現(xiàn)，挖掘探究問題視角，發(fā)展科學思維

與往常高考一樣，此道高考題源于教材（新人教版必選三第十二章電能 能量守恒定律第3節(jié)實驗：測電源的電動勢和內阻練習與應用第3題）而不拘泥于教材，教學中不要使用單一的信息呈現(xiàn)和缺乏層次分布問題，多設計情境復雜化和能力多元化的考查問題，挖掘探究問題視角，還要注意問題解決方式的多樣性，給學生提供足夠寬廣的解決問題空間，充分暴露學生存在的問題和不足.長時間堅持下去，學生的必備知識和關鍵能力將得到深化.

總之，教學中要注意教學情境的設置，注意探究能力的培養(yǎng)，注意學科思想和科學研究方法的滲透，注意挖掘教學資源，培養(yǎng)學生勇于探索、勇于創(chuàng)新的精神，樹立科學態(tài)度和社會責任，培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng).

參考文獻：

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[4]教育部考試中心.中國高考評價體系[M].北京：人民教育出版社，2020.

（收稿日期：2021-07-28）

作者簡介：褚祝文（1974-），男，湖南株洲人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理教學.