鐘志鵬 袁壽根

摘要：實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)和重要的教學(xué)手段，歷年高考命題都非常重視對物理實驗的考查。文章從學(xué)生實驗探究的實踐體驗出發(fā)，就2019年高考理綜卷（全國卷Ⅲ）第22題，從命題的教材情境溯源、實驗數(shù)據(jù)合理性、實驗方案的開放性進行分析，并就實驗教學(xué)的策略提出了思考和建議。

關(guān)鍵詞：高考命題;物理實驗;學(xué)習(xí)實踐;教學(xué)策略

一、? 原題賞析

題目，甲乙兩位同學(xué)設(shè)計了利用數(shù)碼相機的連拍功能測重力加速度的實驗。實驗中，甲同學(xué)負(fù)責(zé)釋放金屬小球，乙同學(xué)負(fù)責(zé)在小球自由下落的時候拍照，已知相機每間隔0.1s拍1幅照片。

1. 若要從拍得的照片中獲取必要的信息，在此實驗中還必須使用的器材是。（填正確答案標(biāo)號）

A. 米尺

B. 秒表

C. 光電門

D. 天平

2. 簡述你選擇的器材在本實驗中的使用方法。

答：

3. 實驗中兩同學(xué)由連續(xù)3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5cm、ac=58.7cm，則該地的重力加速度大小為g=m/s2。（保留2位有效數(shù)字）

參考答案：（1）A;（2）將米尺豎直放置，使小球下落時盡量靠近米尺;（3）9.7。

解析：此實驗用數(shù)碼相機替代打點計時器，故實驗原理是相同的，仍然需要米尺來測量點與點之間的距離;本實驗要針對不同照片，如圖1所示，通過讀取三張照片上小球所處位置a、b、c在米尺上對應(yīng)的刻度值，進而作差得到小球位置之間的距離;加速度求解仍然用逐差法計算，注意是bc與ab之間的距離差。

本題命制有以下特點，（1）內(nèi)容和方法具有代表性，作為實驗題著重考查了加速度的概念，自由落體的規(guī)律，逐差法處理數(shù)據(jù)等高中物理學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容，內(nèi)容和方法具有代表性，融合在實驗命題中綜合性較強。（2）基于學(xué)情來創(chuàng)設(shè)情境，作為勻變速直線運動規(guī)律在生活中的典型例子，小球的自由落體運動情境在教材中、習(xí)題中、實驗中都反復(fù)出現(xiàn)和使用，以此作為實驗探究的情境便于學(xué)生進入問題解決的狀態(tài)、便于考查學(xué)生物理思想、方法的應(yīng)用遷移能力。（3）指向核心素養(yǎng)突出問題解決。

本實驗問題的設(shè)置分為儀器的選擇、儀器的使用、數(shù)據(jù)的處理三個層次，問題和題干相互支撐，突出了勻變速直線運動規(guī)律來測量重力加速的思想方法，同時在時間維度上注重打點計時器計時方式在數(shù)碼相機拍攝特點上的遷移，空間維度上也把一條紙帶的處理變化為三張照片的處理，遷移和變化目的還是為了更好地考查學(xué)生面對復(fù)雜的真實情境，來探究和解決問題的能力，深刻地反映了題目命制的核心素養(yǎng)導(dǎo)向，但是學(xué)生早已熟悉的問題情境和教材中反復(fù)出現(xiàn)的關(guān)于自由落體運動的照片，也對學(xué)生在面對本題時產(chǎn)生了困擾和誤導(dǎo)。

二、 情境溯源

自由落體運動作為勻變速直線運動規(guī)律在生活中的典型例子，在人教版物理教材（必修一）多次出現(xiàn)，必修一教材封面上如圖2所示的蘋果下落的照片;教材開篇趙凱華教授的《走進物理課堂之前》中，為解決學(xué)生們的疑惑“蘋果下落，速度是正比于落下的距離還是正比于落下的時間？”，老師介紹了‘頻閃儀，并提供了頻閃儀拍出的落體照片，如圖3所示;如圖4所示，在《自由落體》一節(jié)的課后習(xí)題中也提供了由頻閃攝影獲取的小球自由下落時的頻閃照片。在必修二教材中也有以重錘下落作為情境來實驗驗證機械能守恒定律的范例和第22題相比較，這些樣例當(dāng)中呈現(xiàn)了兩個突出特點。一是都使用的是‘頻閃儀，并介紹了‘頻閃儀的攝影原理，二是都只用一張照片來呈現(xiàn)自由落體運動的全過程，這些課本的呈現(xiàn)的素材既是教學(xué)的載體，也是學(xué)生面對高考題，知識和方法賴以遷移轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。

三、 問題商榷

基于以上分析，本實驗題值得商榷的地方有兩點。

其一，基于學(xué)生實驗操作的學(xué)習(xí)體驗，提供的數(shù)據(jù)要更能體現(xiàn)真實性。如圖5參照打點計時器在紙帶上打點的讀數(shù)規(guī)則，以

a為起點在刻度尺上先后讀出b和c點對應(yīng)的刻度值x1和x2。第22題顯然參照了這一規(guī)則，提供的數(shù)據(jù)是ab=24.5

cm、ac=58.7cm，這組數(shù)據(jù)的設(shè)置雖然和紙帶的讀數(shù)規(guī)則是相符合的，但是和本題提供的情境一結(jié)合，就顯得有些突兀，或者說是不符合實驗的實際操作情況。原因在于本題提供給考生的是各包含一個位置讀數(shù)的三張照片，合理的數(shù)據(jù)處理，當(dāng)然是先分別讀取a、b、c各自對應(yīng)的刻度值，然后刻度值作差計算ab段的長度和bc段的長度，而不是通過ac與ab段作差再去求bc的長度。高考實驗題的命制首要堅持的是實驗實踐性考查的導(dǎo)向，以此為要求，本題所給出的實驗數(shù)據(jù)還是有值得商榷的地方。

其二，基于教學(xué)實際情況，本題的命制還應(yīng)該更具開放性，日常教學(xué)中，無論是教材呈現(xiàn)的圖片，還是學(xué)生實驗得到的打點紙帶，都是體現(xiàn)連續(xù)運動過程一張照片、一條紙帶，同時頻閃儀和數(shù)碼相機在高中實驗研究中畢竟使用很少，在拍攝自由落體照片時，其特點和差異學(xué)生也并不清楚，命題時沒必要在此處設(shè)置障礙，而應(yīng)立足教材和教學(xué)實際情況，設(shè)置更開放的實驗情境，提供更開放的解決方案。

方案一，可提供記錄沿米尺下落小球連續(xù)三個位置的一張完整照片，來展開實驗探究的考查，考查米尺的標(biāo)尺功能，突出將米尺豎直放置，作為記錄a、b、c三個位置的標(biāo)尺;考查米尺的測量功能，突出科學(xué)準(zhǔn)確的在米尺上讀取數(shù)據(jù);然后由逐差法計算重力加速度。

四、 思考建議

實驗是物理學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的重要途徑和方式，實驗命題著重要對學(xué)生實驗技能、科學(xué)探究能力和創(chuàng)新實踐能力進行考查，因此實驗情境的選取必須來自學(xué)生有切身體驗的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，而不能脫離學(xué)生學(xué)習(xí)的實際，實驗的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)必須是基于實踐的，真實的、科學(xué)的，要符合學(xué)生實驗探究中的認(rèn)知規(guī)律，實驗的操作步驟必須是符合學(xué)生實驗探究實踐的，而不能為了增加題目的難度，不顧真實操作的合理性來人為設(shè)置陷阱，實驗的設(shè)計思想、方案更應(yīng)該在已有的方法、方案上，突出面對新的問題的應(yīng)用遷移，突出思維方法的靈活性、實驗方案的開放性和問題解決能力考查的立意，凸顯核心素養(yǎng)的導(dǎo)向。

要積極開發(fā)與利用信息技術(shù)手段來拓寬實驗教學(xué)的途徑，頻閃儀能精確地實現(xiàn)對運動過程的記錄與探究。在人教版物理教材的多個章節(jié)也都出現(xiàn)了使用頻閃儀來進行實驗探究的情境，但實際情況是專業(yè)的頻閃相機比較昂貴，一般學(xué)校很少配備;另外，實際使用中照片的沖洗處理過程極為煩瑣，費時較多，限制了學(xué)生對實驗的參與和課堂使用。隨著科技進步，數(shù)碼相機已成為常用工具，普通的數(shù)碼相機也具備連拍和視頻拍攝功能，這兩個功能結(jié)合圖片和視頻分析軟件完全可以實現(xiàn)“頻閃”的效果，實現(xiàn)運動過程合成到一張照片的功能。在教學(xué)中把數(shù)碼相機運用到物理學(xué)習(xí)，尤其是實驗探究中去，既拓寬了實驗教學(xué)的途徑，又增強了學(xué)生物理學(xué)習(xí)的興趣。

實驗教學(xué)要通過“一問多解”“一物多用”來設(shè)計項目任務(wù)，開展項目學(xué)習(xí)，高考實驗命題總是在一定的物理情境中來尋求問題的解決，在問題的解決中達成創(chuàng)新實踐能力的考查。實驗教學(xué)中提供開放性的學(xué)習(xí)任務(wù)來組織項目學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在參與解決任務(wù)的學(xué)習(xí)活動中熟悉實驗儀器的使用、采用科學(xué)探究的方法、體驗解決問題的流程、感受合作學(xué)習(xí)的氛圍。

倡導(dǎo)“一問多解”“一物多用”的方式來設(shè)計項目任務(wù)，即圍繞一個實驗?zāi)康膩碓O(shè)計不同的實驗方案進行科學(xué)探究，或者是圍繞一件實驗器材，按照不同的實驗原理來設(shè)計不同的實驗。以重力加速度的測量為項目任務(wù)，組織學(xué)生用彈簧秤懸掛重物平衡的方法，用打點計時器和重錘來研究自由落體的過程，用頻閃儀、數(shù)碼相機等獲取自由落體運動照片分析的方法等來進行實驗探究。以刻度尺在力學(xué)實驗中的使用為項目任務(wù)，組織學(xué)生設(shè)計方案用刻度尺來測量長度、測量反應(yīng)時間、測量重力加速度、測量摩擦系數(shù)。在實驗主題的項目學(xué)習(xí)過程中，要著重實驗方案的設(shè)計和基于實驗過程體驗的項目評價。在實驗方案的論證和項目評價的交流中實現(xiàn)方案的分享、行為的規(guī)范、思維的碰撞和能力的提升，最終以項目學(xué)習(xí)為個性化學(xué)習(xí)平臺，在開放性任務(wù)的完成過程中使學(xué)生有更多動手做實驗的機會，更多親歷實驗演示的機會，更好地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的實驗技能、創(chuàng)新實踐能力。

參考文獻：

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[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

作者簡介：鐘志鵬，袁壽根，江蘇省無錫市，無錫市玉祁高級中學(xué)。