蔣昱宸 陳航燕

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215006)

1 問題的提出

實驗是物理學(xué)研究的基礎(chǔ)，實驗教學(xué)是高中物理課程教學(xué)的重要組成部分[1].在高中畢業(yè)時，考生還不能獨立進(jìn)行實驗，這使得學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)后會感到跨度很大，在大學(xué)物理實驗中常常碰壁.筆者在研究時發(fā)現(xiàn)，我國的中/高考中均設(shè)有實驗題，且實驗題是以問答題的形式出現(xiàn).與之相比，英國劍橋委員會設(shè)立的IGCSE考試(相當(dāng)于我國的中考)和A Level考試(相當(dāng)于我國的高考)中設(shè)有專門的實驗筆試卷及操作卷.由于英國的物理考試十分重視對實驗技能的培養(yǎng)，因此通過對比分析兩類考試實驗考題，對我國實驗教學(xué)的考核會有所啟發(fā).

2 理論建構(gòu)

在最初接觸到物理實驗操作時，學(xué)生離不開教師的指導(dǎo)；在進(jìn)行實驗類題目答題過程中，也需要根據(jù)題干的指引才能順利完成.這些“幫助”，都屬于教育學(xué)中的“支架”.這些支架是為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識時，能夠擁有一個不斷向上的平臺[2]，從而在心中構(gòu)筑起知識的高樓大廈.支架的設(shè)立最終目的是為了拆除支架后，學(xué)生能夠自主“搭建”支架，構(gòu)建完整的知識體系，學(xué)會自問自答，找到解題思路，并能舉一反三，真正融會“支架”思想[3].

根據(jù)J Ferreira-Bautista and M Pifarré 的支架理論，支架的類型有概念支架、程序性支架和策略性支架[4].在物理實驗中，概念支架一般為知識支架，即物理量的含義、理論、公式等；程序性支架一般為過程支架，即實驗步驟的設(shè)計、為數(shù)據(jù)處理搭建好的表格等；策略性支架為幫助培養(yǎng)學(xué)生思維的支架，如誤差分析支架.

3 國內(nèi)中考到高考的支架搭建進(jìn)階

3.1 蘇州中考題支架構(gòu)建分析

【例1】(蘇州市2019年中考題第30題)題目略.該題涉及的主要知識點及問題如下.

(1)將電路圖連接完整(圖1);

(2)判斷閉合開關(guān)前，滑動變阻器滑片所處位置;

(3)給出故障現(xiàn)象，判斷故障原因;

(4)判斷電壓表量程的選取范圍;

(5)求出待測電阻阻值.

圖1 蘇州中考題圖

該題原題有4問，支架構(gòu)建分析如下：

第(1)問中，搭建了電路圖的概念支架，引出實驗方法.

第(2)問中提供實驗策略支架，引導(dǎo)學(xué)生有意識地關(guān)注實驗安全事項.

第(3)問中，題干搭建了故障檢驗的過程支架.

第(4)問中搭建好了程序性框架，旨在讓學(xué)生脫離定勢思維，拓展學(xué)生的思考模式.

這里，提出的方法屬于策略性支架，“均勻電阻絲阻值與長度成正比”屬于知識支架.題干要求利用表中“所有”數(shù)據(jù)求出電阻阻值，是一個誤差分析支架.題目測量數(shù)據(jù)表中的3組數(shù)據(jù)求出的電阻值并不相同，這說明實驗中有隨機(jī)誤差，需要多次測量取平均值來提高實驗的準(zhǔn)確度.

3.2 江蘇省高考題支架構(gòu)建分析

【例2】(2020年高考江蘇第10題)題略.該題中的實驗電路圖如圖2所示.題目主要問題表述如下：

(1)將實物電路連接完整;

(2)調(diào)節(jié)滑動變阻器，在方格紙上作出I-U圖線;

(3)根據(jù)I-U圖線，判斷該元件是否為線性元件;

(4)若用導(dǎo)線代替R0，選出可能會導(dǎo)致的后果.

圖2 江蘇高考題圖

不難發(fā)現(xiàn)，與中考題相似.

在第(1)問中，給出了實驗圖的概念支架，實驗方法明確.

與中考題相比，在第(2)問中加入了數(shù)據(jù)處理的要求，但數(shù)據(jù)直接給出，數(shù)據(jù)處理表的坐標(biāo)軸與標(biāo)度也已經(jīng)標(biāo)好，為學(xué)生搭建好了數(shù)據(jù)分析的支架.

在第(3)問中“根據(jù)作出的I-U曲線可知”給出了判斷依據(jù)，屬于分析支架的搭建.

在第(4)問中搭建了誤差分析和電路安全分析的支架.

3.3 我國中考題與高考題的對比分析

對比我國中考與高考的實驗題，可以發(fā)現(xiàn)有以下特點.

3.3.1 都重視電路安全和誤差分析

中考和高考題都考查了電路安全和誤差分析的知識點，這對于考生的實操非常重要.由于中考學(xué)生年齡小，思維接受能力有限，所以只考查了隨機(jī)誤差的減小方式，但“多次測量取平均值”這一考點頻繁出現(xiàn)，使學(xué)生可以通過“死記硬背”的方式解題.高考題對減小誤差的措施沒有考到，可見誤差分析的考查還沒有到位.電路安全方面，中考和高考題都給出了明顯的支架，學(xué)生只需要做出判斷.這樣的考查方式并不能讓學(xué)生在實際操作時自主地實行保護(hù)實驗安全的操作.

3.3.2 在數(shù)據(jù)處理的要求和電路的復(fù)雜程度方面有進(jìn)階

中考題中的待測電阻是一個定值電阻，而高考題中的待測電阻是一個非線性元件，學(xué)生需從I-U圖像的性質(zhì)中得到所需結(jié)論.從數(shù)據(jù)處理的進(jìn)階方式可以看出，考題尊重了學(xué)生思維發(fā)展的特點，高中生處理數(shù)據(jù)的方式更加抽象.中考題中的電路圖是一個簡單的串聯(lián)電路，而高考題中的電路圖是一個混聯(lián)電路，這對學(xué)生對電路圖原理的掌握程度的要求加深了.

3.3.3 支架沒有明顯減少

中考題中每一問前都有一個支架，高考題中的支架也十分明顯，從電路連接到作數(shù)據(jù)分析圖，題干都給了明確的指示和要求，尤其是作圖時，坐標(biāo)標(biāo)度已經(jīng)給出.在判斷電路安全與誤差分析時，給出了具體步驟，并指明了選擇的范圍.

4 英國劍橋委員會考試的支架搭建進(jìn)階

4.1 IGCSE階段試題支架構(gòu)建分析

【例3】(IGCSE2020年夏季考試第5卷第1題)題目涉及測量白熾燈的電阻.電路圖如圖3所示.主要問題如下：

圖3 IGCSE考試題圖

(2)將燈泡L2與L1串聯(lián).測量電路中的電流I2和燈泡L2兩端的電勢差V2.

(3)將燈泡L3與L1，L2串聯(lián).測量電路中的電流I3，燈泡L3兩端的電勢差V3.

(4)計算R1+R2+R3.

(5)學(xué)生們對實驗結(jié)果做出了評論.

評論A：R1+R2+R3應(yīng)當(dāng)?shù)扔?R1；

評論B：R1+R2+R3應(yīng)當(dāng)小于3R1；

評論C：R1+R2+R3應(yīng)當(dāng)大于3R1.

哪個評論與你的結(jié)果吻合？根據(jù)你的結(jié)果證明你的答案是正確的.

(6)一名學(xué)生想要研究第(5)問中的陳述對于3個相同的串聯(lián)的燈泡是否總是正確的.請說明他應(yīng)該改變的變量，以及如何改變.

IGCSE的考試給出了非常明確與細(xì)致的過程支架，對學(xué)生所有的操作步驟都有著明確的指示.

在第(6)問中要求在支架的指引下對實驗進(jìn)行設(shè)計.

通過對題目的分析可以總結(jié)出IGCSE具有以下特點.

4.1.1 重視測量

這一道考題中出現(xiàn)了6次測量，對學(xué)生的動手能力以及數(shù)據(jù)的讀取有著要求.測量能力是物理學(xué)中最基礎(chǔ)的能力，若是沒有掌握測量的方法，則很難獲得科學(xué)的數(shù)據(jù)，也無從得出科學(xué)的實驗結(jié)論.IGCSE對基礎(chǔ)性實驗?zāi)芰Φ闹匾曋档靡鹞覀兊年P(guān)注.

4.1.2 讓學(xué)生在實驗中感受實驗安全

與國內(nèi)中考題相似，IGCSE在考查中也涉及到了實驗安全.但不同的是，國內(nèi)中考是采取讓學(xué)生判斷如何操作才能保證實驗安全，而IGCSE考試是利用明確的操作指示，讓學(xué)生在實驗中感受到實驗規(guī)范，在做實驗時處處牢記實驗安全.

4.1.3 重視實驗過程而不是理論

在(5)問中，由于實驗中必然存在誤差，且小燈泡也并非嚴(yán)格的線性原件，導(dǎo)致了實驗測出的數(shù)據(jù)很難得出理論上的相等結(jié)論.但評分標(biāo)準(zhǔn)上明確寫著，只要寫出的評論與實驗數(shù)據(jù)相符即可.這種沒有所謂的“正確而唯一”的答案的評分方法，能夠培養(yǎng)勇于嘗試的科學(xué)精神.

4.2 AS階段試題支架構(gòu)建分析

【例4】(AS學(xué)年段2020年實驗考試第1題)題目略.實驗圖如圖4所示.主要問題表述如下.

圖4 AS考試題圖

(1)記錄電阻阻值R.接通開關(guān)，記錄電壓表的讀數(shù)V后，斷開開關(guān).

(2)改變R處的電阻，重復(fù)(1)，直至得到6組R和V的讀數(shù).自行設(shè)計記錄表記錄結(jié)果.

利用你在第(3)問(ⅲ)中得到的結(jié)果，求出A和B.

AS考試相當(dāng)于我國高二結(jié)束后參加的考試.AS階段電學(xué)實驗考試具有以下特點.

4.2.1 電路復(fù)雜程度與數(shù)據(jù)處理進(jìn)階

AS考試的電路圖是混聯(lián)電路，電路的復(fù)雜程度升高也直接影響了電路連接的難度.學(xué)生從測量中得到的數(shù)據(jù)，需設(shè)計出合適的表格來記錄.并且，此階段的考試加入了作圖要求，作圖的坐標(biāo)標(biāo)度未知，學(xué)生需根據(jù)自己記錄的數(shù)據(jù)找到誤差最小的作圖方法.這說明，在數(shù)據(jù)處理部分，題干給出的支架已經(jīng)十分有限.

4.2.2 不拘泥于學(xué)過的知識

在題目的后半部分，題干給出的理論沒有在書本上出現(xiàn)過，這使得實驗試題不僅僅是將學(xué)習(xí)過的知識重演.當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己測出的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過分析可以得出新的物理量之間的關(guān)系時，可以大大增強(qiáng)其學(xué)習(xí)信心，激發(fā)學(xué)生探索新知識的積極性和學(xué)習(xí)興趣.

4.3 A Level階段試題支架構(gòu)建分析

【例5】圖5所示為發(fā)光二極管.某學(xué)生正在研究LED發(fā)光所需電勢差V和發(fā)出光的波長λ之間的關(guān)系.

有人認(rèn)為這種關(guān)系是：

V=kλn

請設(shè)計一個實驗來測試V和λ之間的關(guān)系.解釋如何用你的結(jié)果來確定k和n的值.畫圖表示你對實驗儀器的擺放方式.在你的設(shè)計中，需特別注意：應(yīng)遵循的程序、要進(jìn)行的測量、控制變量、數(shù)據(jù)分析、任何要采取的安全預(yù)防措施.

圖5 發(fā)光二極管及其符號

A Level階段的實驗考題主要考查實驗規(guī)劃、分析與評估.有以下特點.

4.3.1 支架基本全部拆除

該題要求學(xué)生自己根據(jù)題意，設(shè)計實驗步驟.此時，題干中已經(jīng)沒有對該實驗的操作步驟提示，只給出了實驗?zāi)繕?biāo).這說明，在參加這場考試前，學(xué)生對實驗的流程與方法應(yīng)當(dāng)已經(jīng)充分掌握.題干中提到的5點注意事項就是曾經(jīng)考試中(IGCSE和AS階段考試)搭建過的支架，學(xué)生需要將曾經(jīng)的支架內(nèi)化，才能完成A Level階段的挑戰(zhàn).

4.3.2 與實際問題貼近

此題的實驗背景是測量二極管的特性，二極管是我們生活中常見的電路元件，因此問題的設(shè)置與實際情境相似.并且，在實際的物理探究問題中，我們也是先找到要探究的問題，再查詢相關(guān)資料，找到可能合適的理論，再設(shè)計實驗，最終進(jìn)行實驗.本題的探究過程和實際物理探究的過程是相符的.

5 國內(nèi)考試與英國劍橋委員會考試的對比

5.1 我國中學(xué)階段的實驗考試缺少支架拆除階段

國內(nèi)的中考和高考題的模式是相似的，學(xué)生可以沿著題目的支架前進(jìn)，讓學(xué)生產(chǎn)生了依賴性，這也是高考后學(xué)生并沒有掌握自主實驗?zāi)芰Φ目赡茉蛑?而A Level階段的考試，將支架全部拆除，讓學(xué)生自己設(shè)計實驗，這種方式讓學(xué)生對完成實驗的整個過程都有了自己的思考，有助于學(xué)生實驗?zāi)芰Φ纳?

5.2 我國的考試沒有動手操作模塊

相比于英國的IGCSE考試與AS階段的考試都考核了動手操作部分，我國在實驗操作部分就顯得有些薄弱.在理論層面上，我國考試的要求是高于英國的考試要求的，但理論知識的掌握程度并不能完全替代實驗操作的重要性.當(dāng)理論沒有實驗佐證時，物理學(xué)習(xí)就會脫離實際.

5.3 我國考試的背景較書本化

我國考試題目的背景都是學(xué)生經(jīng)過平時反復(fù)訓(xùn)練的物理模型.這使得實驗題充滿了“套路”.學(xué)生面對實驗題不再思考“實驗技巧”而是“解題模板”，這樣當(dāng)他們接觸到物理實驗時，實驗情境與套路不相符了，他們的知識庫就無法調(diào)動了.而A Level階段的考試會選擇生活中的“實驗器材”，沒有固定的套路，學(xué)生就只能注重于培養(yǎng)自己的實驗?zāi)芰α?

6 啟示

從評價的特點來看，實驗考核的目的是為了提高學(xué)生的實驗技能.從支架教學(xué)的原理來看，只有拆除了支架才能代表學(xué)生真正掌握了知識.我國中考對實驗的整個流程都搭建了完整的支架，這說明我國在初中階段對培養(yǎng)學(xué)生的實驗素養(yǎng)十分重視，“搭支架”的過程考慮全面，且不失趣味性.而我國的高考對實驗的重視程度有所下降，實驗題形式單一，且難度較低.特別是支架的設(shè)立依然很多，對學(xué)生的要求停留在了初級階段.相比之下，IGCSE的考試支架設(shè)立完整，難度遠(yuǎn)低于我國中考的難度，但其對基本物理能力——“測量”的重視，值得引起我們的關(guān)注.IGCSE考試給學(xué)生傳達(dá)的思想，即實驗數(shù)據(jù)比理論更加可靠的思想，也是我國沒有涉及到的.AS考試和我國的高考題難度類似，但我國沒有對實驗操作的要求，使得AS考試考查的實驗題的含金量更高.從IGCSE到AS階段，學(xué)生的實驗?zāi)芰M(jìn)步更快，這說明對基本實驗操作的培養(yǎng)是有助于實驗教學(xué)和學(xué)生實驗?zāi)芰Φ倪M(jìn)階的.A Level考試相當(dāng)于我國的高考，但A Level考試對考生的要求已經(jīng)相當(dāng)于我國大學(xué)普通物理的要求.這樣的安排使得學(xué)習(xí)A Level課程的學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)后更容易適應(yīng)大學(xué)的物理課程.