近十年物理高考電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)透視與啟示

摘 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容。培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ俏锢斫虒W(xué)的重要目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)類試題是高考物理的必考題型。根據(jù)高考評(píng)價(jià)體系建構(gòu)的關(guān)鍵能力，本文對(duì)2013年至2022年高考物理卷中的電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，在分析電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：高考物理；電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題；統(tǒng)計(jì)分析

1 引言

學(xué)生實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力的重要載體，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υ诟呖贾刑幱谑滞怀龅奈恢?。?］《中國高考評(píng)價(jià)體系說明》提出：“關(guān)鍵能力和必備知識(shí)是指即將進(jìn)入高等學(xué)校的學(xué)習(xí)者在面對(duì)與學(xué)科相關(guān)的生活實(shí)踐或?qū)W習(xí)探索情境中的問題時(shí)，有效地認(rèn)識(shí)問題、分析問題、解決問題所必須具備的綜合能力和學(xué)科知識(shí)。”［2］物理學(xué)科作為自然科學(xué)的一部分，其關(guān)鍵能力的培養(yǎng)側(cè)重于科學(xué)思維和科學(xué)探究，高考實(shí)驗(yàn)試題的考查也主要圍繞這兩方面能力展開。本文以電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，基于《中國高考評(píng)價(jià)體系》，對(duì)2013年至2022年高考物理卷中電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題的能力考查情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，從測(cè)量方法、電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理三個(gè)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行具體分析。

2 近十年物理高考電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題統(tǒng)計(jì)

2.1 電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題的考查頻次統(tǒng)計(jì)

本文從2013年至2022年的物理高考卷中收集到233個(gè)實(shí)驗(yàn)題，其中測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題有109個(gè)，包括力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）對(duì)主題內(nèi)容的劃分，本文對(duì)這些測(cè)量類實(shí)驗(yàn)題進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，各主題的實(shí)驗(yàn)題數(shù)量如圖1所示。其中，電路及其應(yīng)用主題的實(shí)驗(yàn)題數(shù)量明顯多于其他主題。這些電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題涵蓋了4個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)（長(zhǎng)度的測(cè)量及其測(cè)量工具的選用、測(cè)量金屬絲的電阻率、用多用電表測(cè)量電學(xué)中的物理量、測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻）［3］與伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)。電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)將電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的電路問題與測(cè)量類實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理問題相結(jié)合，增加了實(shí)驗(yàn)的難度，并對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力提出了更高的要求。

在65個(gè)電學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)試題中，各類實(shí)驗(yàn)試題的數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1所示，測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)試題數(shù)量最多，伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)次之。在測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量方法、電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的多樣性增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的探究性。這個(gè)實(shí)驗(yàn)全面考查了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，并因此受到高考命題者的青睞。

盡管《課程標(biāo)準(zhǔn)》沒有將伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)列為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，但該實(shí)驗(yàn)在測(cè)量對(duì)象、測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理方法上較其他實(shí)驗(yàn)有所拓展和深入，所以它一直是高考實(shí)驗(yàn)試題的考查熱點(diǎn)。［4］電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)雖然各有不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，但在?shí)驗(yàn)思維和方法上有共同之處。

2.2 電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題的能力考查統(tǒng)計(jì)

學(xué)科考試中的實(shí)驗(yàn)題目主要側(cè)重于考查學(xué)生的實(shí)踐操作能力和思維認(rèn)知能力。其中，考查的“實(shí)踐操作能力”包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、數(shù)據(jù)處理能力、信息轉(zhuǎn)化能力、動(dòng)手操作能力等；而考查的“思維認(rèn)知能力”則主要體現(xiàn)在演繹推理能力和批判性思維能力方面。［5］

根據(jù)《中國高考評(píng)價(jià)體系》對(duì)關(guān)鍵能力的劃分，筆者對(duì)2013年至2022年高考電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題的能力考查進(jìn)行了分類和統(tǒng)計(jì)，高考電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題的關(guān)鍵能力考查統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。其中，實(shí)驗(yàn)1是測(cè)量金屬絲的電阻率，實(shí)驗(yàn)2是測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。數(shù)據(jù)處理是測(cè)量類實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，因此在電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題中，涉及數(shù)據(jù)處理能力的問題數(shù)量最多，且主要采用圖像法，這強(qiáng)調(diào)了學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決物理問題的重要性；其次是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和動(dòng)手操作能力的考查，這兩個(gè)方面的題目數(shù)量大致相等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力主要考查實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)，而動(dòng)手操作能力則集中在實(shí)物圖的連接、實(shí)驗(yàn)儀器的使用和讀數(shù)上進(jìn)行考查。在考查實(shí)踐操作能力的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)題目也強(qiáng)調(diào)了對(duì)學(xué)生思維認(rèn)知能力的評(píng)估，這包括對(duì)實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)誤差的分析與評(píng)價(jià)，以此來考查學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3 近10年高考物理電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題分析

電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)電路復(fù)雜。在進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生不僅需要從整體上理解和把握實(shí)驗(yàn)方案，選擇恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理方法，還必須關(guān)注電路設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)問題。下文將從測(cè)量方法、電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理三個(gè)角度，對(duì)兩個(gè)高考電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題進(jìn)行深入分析。

3.1 測(cè)量方法

測(cè)量一般分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。在高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，一些物理量可用實(shí)驗(yàn)儀器直接進(jìn)行測(cè)量，例如電流、電壓、電阻等。但仍有些物理量難以用基本實(shí)驗(yàn)儀器直接測(cè)得，一般通過可直接測(cè)量的物理量與待測(cè)物理量之間的函數(shù)關(guān)系間接求得，例如電阻率、電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻等。間接測(cè)量一定程度上提高了物理實(shí)驗(yàn)的可探究性?；趯?shí)驗(yàn)原理，教師可以拓展出多樣的測(cè)量方法，而測(cè)量方法的選擇也將影響后續(xù)的電路設(shè)計(jì)、儀器選擇和數(shù)據(jù)處理等實(shí)驗(yàn)過程。電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的伏安法、安阻法和伏阻法是教材中要求的三種測(cè)量方法，但是高考實(shí)驗(yàn)試題考查的測(cè)量方法不局限于此。高考實(shí)驗(yàn)試題還曾考查過安安法，測(cè)量思想也有所延伸，例如等效替代的思想。

2013年至2022年高考測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)試題中，伏安法的考查頻率最高，所以它成為所有學(xué)生必須掌握的測(cè)量方法（如表2所示）。在24個(gè)實(shí)驗(yàn)題目中，有2個(gè)題目同時(shí)考查了伏安法和伏阻法。這些測(cè)量方法的主要區(qū)別在于所使用的電表組合。伏安法使用電流表和電壓表；安阻法使用電流表和電阻箱；伏阻法使用電壓表和電阻箱；而安安法和伏伏法則分別使用兩只電流表和兩只電壓表（如表3所示）。

在所用電表均視為理想電表的情況下，這五種方法是測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的基本方法，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)際情況選擇合適的測(cè)量方法。

3.2 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)是電學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括電路原理圖的繪制和實(shí)物圖的連接。學(xué)生需要掌握基本的理論知識(shí)和實(shí)踐技能。選擇合適的測(cè)量方法有助于從整體上把握實(shí)驗(yàn)的思路，而電路設(shè)計(jì)則需關(guān)注實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，以減小測(cè)量誤差，這是測(cè)量類實(shí)驗(yàn)的核心目標(biāo)。在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要評(píng)估電表內(nèi)阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并據(jù)此確定電流表或電壓表的接法，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)誤差最小化的實(shí)驗(yàn)電路。

有些試題直接給出電路圖和實(shí)物圖供學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)思路；有些試題則只提供實(shí)驗(yàn)器材讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路或提出新的問題，讓學(xué)生改造電路，給學(xué)生充分的思考空間，讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者。

例1 （2019年天津市物理高考試題第9題節(jié)選）利用下列器材設(shè)計(jì)一個(gè)電路，盡量準(zhǔn)確地測(cè)量一段金屬絲的電阻。這段金屬絲的電阻Rx約為100Ω，畫出實(shí)驗(yàn)電路圖，并標(biāo)明器材代號(hào)。電源E（電動(dòng)勢(shì)10V，內(nèi)阻約為10Ω），電流表A1（量程0～250mA，內(nèi)阻R1＝5Ω），電流表A2（量程0～300mA，內(nèi)阻約為5Ω），滑動(dòng)變阻器R（最大阻值10Ω，額定電流2A）；開關(guān)S及導(dǎo)線若干。

解析：本問題主要考查電阻的測(cè)量方法。題目要求學(xué)生使用所提供的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，但試題中只提供了兩個(gè)電流表，因此，需要使用其中一個(gè)已知內(nèi)阻的電流表來測(cè)量電壓。由于待測(cè)電阻的阻值遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的阻值，滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用分壓接法，設(shè)計(jì)的電路圖如圖3所示。本題主要考查實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)，同時(shí)又考查了實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)誤差相關(guān)的問題，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ筝^高。題目創(chuàng)設(shè)了真實(shí)的問題情境，實(shí)驗(yàn)器材均標(biāo)明規(guī)格，因此學(xué)生要根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)儀器，從盡可能減小實(shí)驗(yàn)誤差的角度來設(shè)計(jì)電路，這是對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ木C合考查。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理能力是學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)必備的實(shí)踐操作能力。多年來，高考實(shí)驗(yàn)題頻繁涉及測(cè)量類實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理問題，對(duì)數(shù)據(jù)處理的考查已不再局限于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)計(jì)算，而是拓展到對(duì)學(xué)生知識(shí)和能力的全面評(píng)估。

2013年至2022年高考實(shí)驗(yàn)題數(shù)據(jù)處理問題數(shù)量如圖4所示。由圖可知，2014年高考實(shí)驗(yàn)題數(shù)據(jù)處理問題數(shù)量最多，隨后兩年有所減少，但2017年開始總體上持續(xù)增加。數(shù)據(jù)處理能力基于對(duì)物理規(guī)律和實(shí)驗(yàn)方案的理解，本研究中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是電阻定律和閉合電路歐姆定律，主要的數(shù)據(jù)處理方法為解方程和圖像法。高考實(shí)驗(yàn)題對(duì)數(shù)據(jù)處理方法的考查以圖像法為主，函數(shù)圖像在形式上也逐漸豐富。除了U-I圖像，高考試題還出現(xiàn)了1I-R、I1-I2、1U-R、1I-θ和R-1I等形式的圖像。這意味著實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方案和數(shù)據(jù)處理的方法都在不斷創(chuàng)新，要求學(xué)生具備一定的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。

例2 （2022年福建省物理高考試題第12題節(jié)選）（4）根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)，作出U1-I1和U2-I2圖像（如圖所示），根據(jù)圖線求得電源電動(dòng)勢(shì)E＝_______________，內(nèi)阻r＝_______________。（結(jié)果均保留兩位小數(shù)）

（5）由圖可知_______________（填“接法Ⅰ”或“接法Ⅱ”）測(cè)得的電源內(nèi)阻更接近真實(shí)值。

（6）綜合考慮，若只能選擇一種接法，應(yīng)選擇_______________（填“接法Ⅰ”或“接法Ⅱ”）測(cè)量更合適。

解析：本實(shí)驗(yàn)題的第（4）（5）小問是對(duì)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力的考查，以函數(shù)圖像的方式呈現(xiàn)了電壓U和電流I之間的關(guān)系。本題的特殊之處在于利用單刀雙擲開關(guān)呈現(xiàn)了兩種電路連接方式。第（5）小問和第（6）小問表面上是考查實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)際上還是考查圖像法問題。學(xué)生需要正確理解兩個(gè)U-I圖像，求出兩種接法下的內(nèi)阻，然后計(jì)算出測(cè)量誤差并進(jìn)行比較，得出更合適的接法。三個(gè)問題環(huán)環(huán)相扣、相互聯(lián)系，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析能力提出了較高的要求，同時(shí)也增加了數(shù)據(jù)處理問題的難度。在分析和解決問題的過程中，學(xué)生的邏輯分析和推理能力得到了培養(yǎng)。

4 教學(xué)啟示

物理實(shí)驗(yàn)不僅是學(xué)生獲取和理解物理知識(shí)的重要手段，也是將理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問題的重要途徑。根據(jù)近十年物理高考卷中電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題的分析，測(cè)量方法、電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的考查方式都展現(xiàn)了多樣性和靈活性。下面將針對(duì)這三個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出建議。

4.1 創(chuàng)設(shè)問題情境

解決具體物理問題需要結(jié)合實(shí)際情況，學(xué)生必須基于對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解來設(shè)計(jì)出符合實(shí)驗(yàn)條件的電路，這是進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本技能。高考實(shí)驗(yàn)題對(duì)電路設(shè)計(jì)能力的考查主要集中在電路圖的繪制和實(shí)物圖的連接上，其本質(zhì)是對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方案的理解和應(yīng)用。

討論電路設(shè)計(jì)問題必須結(jié)合具體的問題情境才有實(shí)際意義。例如，在選擇和連接電流表、電壓表和滑動(dòng)變阻器等實(shí)驗(yàn)器材時(shí)，需要考慮電表的規(guī)格和內(nèi)阻大小。高考實(shí)驗(yàn)題中提供的電流表和電壓表并非理想電表，可能具有一定的內(nèi)阻，且電表的連接方式也會(huì)影響測(cè)量精度。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，學(xué)生需要根據(jù)實(shí)際情況來確定是采用電流表的外接法還是內(nèi)接法。

4.2 強(qiáng)化數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理能力是學(xué)生進(jìn)行測(cè)量類、探究類和驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)所必需的關(guān)鍵能力之一。電學(xué)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理的方法和形式多種多樣，但在高考電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題中，圖像法是主要的數(shù)據(jù)處理方法。圖像法在處理數(shù)據(jù)時(shí)造成的實(shí)驗(yàn)誤差較小，同時(shí)在計(jì)算上更為簡(jiǎn)便。

用圖像法處理數(shù)據(jù)，學(xué)生要列表記錄數(shù)據(jù)、畫出函數(shù)圖像、厘清物理量之間的函數(shù)關(guān)系、理解函數(shù)圖像對(duì)應(yīng)的物理意義、計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果、分析或計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差。這些步驟對(duì)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力提出了較高的要求，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的誤差可能較大，但數(shù)據(jù)處理過程不應(yīng)被忽視。因此，教學(xué)過程中教師應(yīng)重視學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)，不能因?yàn)楹馁M(fèi)時(shí)間而放棄數(shù)學(xué)運(yùn)算。

4.3 滲透變式實(shí)驗(yàn)

高考電學(xué)測(cè)量類實(shí)驗(yàn)試題雖為命題者“原創(chuàng)”，但是所考查的測(cè)量方法并非“原創(chuàng)”，考點(diǎn)都來源于《課程標(biāo)準(zhǔn)》和教材，命題者只是創(chuàng)設(shè)了全新的實(shí)驗(yàn)情境。由于電學(xué)實(shí)驗(yàn)包含了多種測(cè)量方法，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)變式的教學(xué)，即通過改變實(shí)驗(yàn)條件來探索不同的實(shí)驗(yàn)方法，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，提升創(chuàng)新意識(shí)和能力。［6］

以測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻為例，教材中介紹了伏安法、伏阻法和安阻法等測(cè)量方法。伏安法是基于閉合電路歐姆定律的基本方法，伏阻法和安阻法則是伏安法的替代方法。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以利用學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，為不同的小組提供不同的實(shí)驗(yàn)器材組合，如“電流表＋電壓表＋滑動(dòng)變阻器”“電壓表＋電阻箱”“電流表＋電阻箱”“電流表＋電流表＋滑動(dòng)變阻器”“電壓表＋電壓表＋滑動(dòng)變阻器”等，并提供不同的電源、不同量程的電表和不同規(guī)格的電阻，讓學(xué)生在變式實(shí)驗(yàn)中理解實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

綜上所述，在實(shí)驗(yàn)課中，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)操作、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析、提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)措施。通過這些實(shí)踐操作，教師可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生在新情境中創(chuàng)造性地解決問題的能力。

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