河北 李富恩 北京 何彥雨

利用SOLO分類理論，剖析“恒定電流”實(shí)驗(yàn)試題。

恒定電流是高中物理的難點(diǎn)，又是高考的重點(diǎn)，電學(xué)實(shí)驗(yàn)更是高考的熱點(diǎn)。本文從SOLO分類評(píng)價(jià)理論的角度總結(jié)近幾年全國(guó)卷Ⅰ中恒定電流部分考查的特點(diǎn)，探索有效的高考復(fù)習(xí)方法和應(yīng)考策略。

1.SOLO分類評(píng)價(jià)理論及應(yīng)用簡(jiǎn)介

1.1 SOLO分類理論

SOLO分類評(píng)價(jià)理論是教育心理學(xué)家約翰·比格斯(John B.Biggs)在《評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)的質(zhì)量—SOLO分類法》(1982)一書中創(chuàng)建的一種學(xué)生學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)的方法，是一種以等級(jí)描述為特征的質(zhì)性評(píng)價(jià)方法。比格斯把學(xué)生對(duì)某個(gè)問題的學(xué)習(xí)結(jié)果由低到高劃分為五個(gè)層次：

(1)前結(jié)構(gòu)層次(Prestructural)：學(xué)生基本上無法理解問題和解決問題只能給出一些邏輯混亂、沒有根據(jù)的答案。(2)單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次(Unistructural)：學(xué)生能夠找到一個(gè)解決問題的思路，但不能合理論證，單憑一個(gè)論點(diǎn)就直接給出所謂的答案。(3)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次(Multistructural)：學(xué)生找到了不止一個(gè)解決問題的思路，但不能把這些思路很好地整合在一起。(4)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次(Relational)：學(xué)生找到了多個(gè)解決問題的思路，并且能夠把這些思路聯(lián)合起來思考解決問題。(5)抽象拓展層次(Extended abstract)：學(xué)生能夠?qū)栴}進(jìn)行抽象的概括，從理論的角度來分析問題、深化問題，進(jìn)一步得到拓展。

1.2 恒定電流試題分析

根據(jù)SOLO分類評(píng)價(jià)理論，對(duì)近五年的高考全國(guó)卷Ⅰ中關(guān)于恒定電流的試題進(jìn)行總結(jié)和分析，歸納試題的特點(diǎn)和規(guī)律。

根據(jù)高中多數(shù)同學(xué)的特點(diǎn)，前結(jié)構(gòu)層次的試題不做分析。單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次的試題要求學(xué)生能夠知道，了解單一的恒定電流的知識(shí)點(diǎn)，比如求電流、計(jì)算功率等基本公式的運(yùn)用。多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的試題要求學(xué)生能夠運(yùn)用本章知識(shí)點(diǎn)及相關(guān)的概念、公式、定理的理解和相應(yīng)判斷。關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次的試題要求學(xué)生能夠運(yùn)用多個(gè)知識(shí)點(diǎn)、連接相關(guān)概念、定理、定律解決相關(guān)的問題。抽象拓展層面的試題要求學(xué)生能力最高，能夠從科學(xué)、技術(shù)、工程等方面，抽象總結(jié)出對(duì)應(yīng)的物理模型，建構(gòu)知識(shí)框架，恰當(dāng)運(yùn)用數(shù)學(xué)等知識(shí)解決相應(yīng)問題。

下面對(duì)近五年的全國(guó)卷Ⅰ關(guān)于恒定電流的試題逐層次列表匯總。

單點(diǎn)結(jié)構(gòu)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)抽象拓展201423題201516題23題201616題23題201723題201823題

說明：本章單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層面的題沒有，單純恒定電流的計(jì)算題一般不會(huì)涉及，考題在多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層面主要分布在選擇題，考題主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)題目中，且考查的層面偏高，能夠很好地評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)層面，對(duì)學(xué)生的能力要求比較高。

(1)選擇題出現(xiàn)在2015和2016年，且均在第16題，2015年的考題是在含有變壓器的交流電路中計(jì)算電功率的大小，2016年的題目是在變壓器的交流電路中計(jì)算電流強(qiáng)度大小，兩道選擇題考查的知識(shí)點(diǎn)都是和交變電流一章關(guān)聯(lián)，沒有單獨(dú)在直流電路中進(jìn)行考查，改變了計(jì)算公式的使用情境，增加了一定難度。

2.恒定電流的復(fù)習(xí)策略與建議

2.1 關(guān)注課本雙基內(nèi)容，把好核心概念關(guān)

對(duì)概念的理解一定要嚴(yán)謹(jǐn)。本節(jié)概念主要為電流強(qiáng)度、電動(dòng)勢(shì)、電功和電功率。其中電流強(qiáng)度和電動(dòng)勢(shì)是重點(diǎn)，在復(fù)習(xí)電流強(qiáng)度中要抓住定義和微觀解釋兩個(gè)方面。

比如在第一節(jié)中涉及恒定電場(chǎng)概念，同學(xué)們都知道：關(guān)于自由電荷在導(dǎo)體中做定向移動(dòng)的原因，以前經(jīng)常這樣說，導(dǎo)體中有了電場(chǎng)，在電場(chǎng)中處于靜止的電荷受到了電場(chǎng)力的作用，就發(fā)生了定向移動(dòng)，再無其他解釋了。這樣的解釋雖然正確，但是，同學(xué)們經(jīng)常會(huì)問：導(dǎo)體中的電場(chǎng)強(qiáng)度不是為零么？哪里來的電場(chǎng)呢？我們都知道，導(dǎo)體中的電場(chǎng)為零是有條件的，即導(dǎo)體處于靜電平衡狀態(tài)。我們從來沒有處理過導(dǎo)體不是靜電平衡狀態(tài)下的電場(chǎng)情況。如果糊里糊涂過去，對(duì)于復(fù)習(xí)這一章會(huì)有一些阻礙，也違背了“物理要說理”的原則。所以在復(fù)習(xí)時(shí)一定要澄清恒定電場(chǎng)的概念。實(shí)際上有恒定電流存在的時(shí)候，導(dǎo)體內(nèi)的不同位置是有電荷堆積的，導(dǎo)體內(nèi)的電荷并不為零，導(dǎo)體內(nèi)的電荷分布是不隨時(shí)間變化的，電場(chǎng)強(qiáng)度也不隨時(shí)間變化，這就是所謂的“恒定”?？梢姾愣ㄊ窍鄬?duì)于靜電場(chǎng)而言的，其本質(zhì)為動(dòng)態(tài)平衡。解釋了這些，能幫助同學(xué)們理解后面的電動(dòng)勢(shì)、閉合電路的歐姆定律的知識(shí)。但是關(guān)于電場(chǎng)，不要求學(xué)生分析導(dǎo)體內(nèi)電荷分布的具體情況，更不分析電荷分布達(dá)到平衡的動(dòng)態(tài)過程，千萬不能把學(xué)生帶偏。

其次，關(guān)于電流強(qiáng)度的微觀解釋是要讓同學(xué)們形成一種物理模型，拓寬它的適用范圍，才能以不變應(yīng)萬變。教科書中在恒定電流知識(shí)點(diǎn)講解中僅從“電荷定向移動(dòng)形成電流”的思想出發(fā)，電流的強(qiáng)弱程度用電流這個(gè)物理量表示。電流越大，單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量就越多，并直接給出了q=It表達(dá)式。教材而是以例題的形式詳細(xì)推導(dǎo)了銅導(dǎo)線中自由電子定向移動(dòng)的速率，幫助同學(xué)們理解電流的形成，將宏觀電流I與微觀量v建立起了聯(lián)系，即電流的微觀解釋。在各地的高考題中經(jīng)常有體現(xiàn)。比如2007年天津高考25題：離子推進(jìn)器是新一代航天動(dòng)力裝置，可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制和軌道修正。推進(jìn)劑從P中注入，在A處電離出正離子，BC間加有電壓，正離子進(jìn)入B時(shí)的速度忽略不計(jì)，經(jīng)加速后形成電流為I的離子束噴出。已知推進(jìn)器獲得的推力為F，單位時(shí)間內(nèi)噴出的離子質(zhì)量為J。

解答：電流I、質(zhì)量J都是電流強(qiáng)度微觀解釋的模型：I=nqvs，J=nmvs。

2.2 透徹理解基本定律

夯實(shí)概念，建好模型。不論是選擇還是實(shí)驗(yàn)，都是基本知識(shí)的再現(xiàn)。本章考題多以實(shí)驗(yàn)題目呈現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中要高度重視。

2.3 注重實(shí)驗(yàn)基本原理和技能

(1)實(shí)驗(yàn)器材的選取

①電源的選擇

電源的選擇要根據(jù)配置的實(shí)驗(yàn)器材，比如，在測(cè)量小燈泡的伏安特性實(shí)驗(yàn)中，小燈泡的規(guī)格為“2.5 V，1 A”，就需要選擇2節(jié)干電池提供3 V電壓，如果是“3.8 V，0.6 A”需要3節(jié)干電池提供4.5 V的電壓，如果是電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器則需要220 V的交流電壓。而在測(cè)量一節(jié)干電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)中就需要一節(jié)舊電池。

②電流表和電壓表的選擇

電壓表要根據(jù)電源的實(shí)際參數(shù)來選，電流表則要兼顧電源和電阻的具體情況來選，比如測(cè)定金屬電阻率的實(shí)驗(yàn)中，如果電源給的是3 V，電阻大約為5 Ω的金屬絲，電壓表選擇3 V的量程，電流表選擇0.6 A。在選擇電流表時(shí)需要查看銘牌標(biāo)識(shí)或根據(jù)歐姆定律進(jìn)行粗略計(jì)算。

③滑動(dòng)變阻器的選擇

滑動(dòng)變阻器在實(shí)驗(yàn)中扮演著重要角色，不同的實(shí)驗(yàn)有不同的需要，在復(fù)習(xí)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)要注意分辨。在限流電路中只需讓它起到保護(hù)儀器、調(diào)整電流的作用，阻值大小控制在跟研究電阻差距不大即可，而在分壓電路中阻值應(yīng)該偏小。

如(2016年全國(guó)卷Ⅱ，改編)某同學(xué)利用如圖所示電路測(cè)量量程為2.5 V的電壓表的內(nèi)阻(內(nèi)阻為數(shù)千歐姆)，可供選擇的器材有電阻箱R(最大阻值99 999.9 Ω)、滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值50 Ω)、滑動(dòng)變阻器R2(最大阻值5 kΩ)、直流電源E(電動(dòng)勢(shì)3 V)、開關(guān)1個(gè)、導(dǎo)線若干。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：按電路原理圖連接線路；將電阻箱阻值調(diào)節(jié)為0，將滑動(dòng)變阻器的滑片移到與圖中最左端所對(duì)應(yīng)的位置，閉合開關(guān)S；調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值，使電壓表滿偏；保持滑動(dòng)變阻器滑片位置不變，調(diào)節(jié)電阻箱阻值，使電壓表的示數(shù)為2.00 V，記下電阻箱的阻值。則

(1)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選擇滑動(dòng)變阻器________(填R1或R2)。

(2)實(shí)驗(yàn)中記錄的電阻箱的阻值為630.0 Ω，若認(rèn)為調(diào)節(jié)電阻箱時(shí)滑動(dòng)變阻器的分壓不變，計(jì)算可得電壓表的內(nèi)阻為________(保留到個(gè)位)。

(3)如果此電壓表是由一個(gè)表頭和電阻串聯(lián)構(gòu)成的，可推斷該表頭的滿刻度電流為________。

A.100 μA B.250 μA C.500 μA D.1 mA

【解析】(1)本實(shí)驗(yàn)原理類似為半偏法測(cè)量電壓表內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)原理是接入電阻箱的時(shí)候電路的總電阻減小的不能太大，所以滑動(dòng)變阻器的電阻必須是小電阻，所以選擇R1，這樣誤差會(huì)小些。

RV=4R=2 520 Ω

本題是在基礎(chǔ)知識(shí)的前提下進(jìn)行了創(chuàng)新和嫁接，將半偏法實(shí)驗(yàn)原理拓展成本題的模型，考查了學(xué)生對(duì)概念以及實(shí)驗(yàn)原理的理解、接受、以及遷移運(yùn)用的能力。雖然不是很難，但它是一個(gè)對(duì)綜合知識(shí)和能力的考查，所以要想答好這類題必須有過硬的知識(shí)儲(chǔ)備，需要老師在復(fù)習(xí)時(shí)加以重視和引導(dǎo)。

(2)注重實(shí)驗(yàn)原理

所以，有

只要牢牢抓住歐姆定律和閉合電路歐姆定律，一切推導(dǎo)將迎刃而解。電表的改裝實(shí)際上就是部分電路歐姆定律的一個(gè)應(yīng)用。

(3)重視實(shí)驗(yàn)操作

能演示的一定演示，能讓學(xué)生操作的一定動(dòng)手做，如果能夠把演示實(shí)驗(yàn)改成學(xué)生動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)，將更能提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，以講代練不能提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。物理實(shí)驗(yàn)實(shí)際就是一種情境教學(xué)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問題，獲取客觀真實(shí)的數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理形成關(guān)于物理規(guī)律的認(rèn)知和結(jié)論。

(4)注重誤差分析

任何實(shí)驗(yàn)結(jié)果都不能沒有誤差，誤差分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差。偶然誤差是可以通過多次實(shí)驗(yàn)取平均值來減小，系統(tǒng)誤差只能通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案減小。復(fù)習(xí)時(shí)要讓學(xué)生分清誤差的來源。比如半偏法測(cè)靈敏電流表內(nèi)阻中，誤差來源于閉合另一個(gè)支路后干路中電流發(fā)生了變化，才造成最后結(jié)果的偏小誤差。在2012年天津高考中有一道題是在干路中串接一個(gè)電流表保證干路電流不變，這樣測(cè)出的電阻沒有誤差。

2012年天津高考試題圖