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(wèn)題的提出

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)研究的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)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(shí)，考生還不能獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這使得學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)后會(huì)感到跨度很大，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常常碰壁.筆者在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的中/高考中均設(shè)有實(shí)驗(yàn)題，且實(shí)驗(yàn)題是以問(wèn)答題的形式出現(xiàn).與之相比，英國(guó)劍橋委員會(huì)設(shè)立的IGCSE考試(相當(dāng)于我國(guó)的中考)和A Level考試(相當(dāng)于我國(guó)的高考)中設(shè)有專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)筆試卷及操作卷.由于英國(guó)的物理考試十分重視對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)，因此通過(guò)對(duì)比分析兩類(lèi)考試實(shí)驗(yàn)考題，對(duì)我國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核會(huì)有所啟發(fā).

2 理論建構(gòu)

在最初接觸到物理實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，學(xué)生離不開(kāi)教師的指導(dǎo)；在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)類(lèi)題目答題過(guò)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(shí)時(shí)，能夠擁有一個(gè)不斷向上的平臺(tái)[2]，從而在心中構(gòu)筑起知識(shí)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(shí)體系，學(xué)會(huì)自問(wèn)自答，找到解題思路，并能舉一反三，真正融會(huì)“支架”思想[3].

根據(jù)J Ferreira-Bautista and M Pifarré 的支架理論，支架的類(lèi)型有概念支架、程序性支架和策略性支架[4].在物理實(shí)驗(yàn)中，概念支架一般為知識(shí)支架，即物理量的含義、理論、公式等；程序性支架一般為過(guò)程支架，即實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)、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(guó)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(shí)點(diǎn)及問(wèn)題如下.

(1)將電路圖連接完整(圖1);

(2)判斷閉合開(kāi)關(guān)前，滑動(dòng)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(cè)電阻阻值.

圖1 蘇州中考題圖

該題原題有4問(wèn)，支架構(gòu)建分析如下：

第(1)問(wèn)中，搭建了電路圖的概念支架，引出實(shí)驗(yàn)方法.

第(2)問(wèn)中提供實(shí)驗(yàn)策略支架，引導(dǎo)學(xué)生有意識(shí)地關(guān)注實(shí)驗(yàn)安全事項(xiàng).

第(3)問(wèn)中，題干搭建了故障檢驗(yàn)的過(guò)程支架.

第(4)問(wèn)中搭建好了程序性框架，旨在讓學(xué)生脫離定勢(shì)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(zhǎng)度成正比”屬于知識(shí)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(gè)誤差分析支架.題目測(cè)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(shuō)明實(shí)驗(yàn)中有隨機(jī)誤差，需要多次測(cè)量取平均值來(lái)提高實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)電路圖如圖2所示.題目主要問(wèn)題表述如下：

(1)將實(shí)物電路連接完整;

(2)調(diào)節(jié)滑動(dòng)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(huì)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(wèn)中，給出了實(shí)驗(yàn)圖的概念支架，實(shí)驗(yàn)方法明確.

與中考題相比，在第(2)問(wèn)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(wèn)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(wèn)中搭建了誤差分析和電路安全分析的支架.

3.3 我國(guó)中考題與高考題的對(duì)比分析

對(duì)比我國(guó)中考與高考的實(shí)驗(yàn)題，可以發(fā)現(xiàn)有以下特點(diǎn).

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(shí)點(diǎn)，這對(duì)于考生的實(shí)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(cè)量取平均值”這一考點(diǎn)頻繁出現(xiàn)，使學(xué)生可以通過(guò)“死記硬背”的方式解題.高考題對(duì)減小誤差的措施沒(méi)有考到，可見(jiàn)誤差分析的考查還沒(méi)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(shí)際操作時(shí)自主地實(shí)行保護(hù)實(shí)驗(yàn)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(cè)電阻是一個(gè)定值電阻，而高考題中的待測(cè)電阻是一個(gè)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(diǎn)，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(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)電路，而高考題中的電路圖是一個(gè)混聯(lián)電路，這對(duì)學(xué)生對(duì)電路圖原理的掌握程度的要求加深了.

3.3.3 支架沒(méi)有明顯減少

中考題中每一問(wèn)前都有一個(gè)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(shí)，坐標(biāo)標(biāo)度已經(jīng)給出.在判斷電路安全與誤差分析時(shí)，給出了具體步驟，并指明了選擇的范圍.

4 英國(guó)劍橋委員會(huì)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(cè)量白熾燈的電阻.電路圖如圖3所示.主要問(wèn)題如下：

圖3 IGCSE考試題圖

(2)將燈泡L2與L1串聯(lián).測(cè)量電路中的電流I2和燈泡L2兩端的電勢(shì)差V2.

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

(4)計(jì)算R1+R2+R3.

(5)學(xué)生們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出了評(píng)論.

評(píng)論A：R1+R2+R3應(yīng)當(dāng)?shù)扔?R1；

評(píng)論B：R1+R2+R3應(yīng)當(dāng)小于3R1；

評(píng)論C：R1+R2+R3應(yīng)當(dāng)大于3R1.

哪個(gè)評(píng)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(wèn)中的陳述對(duì)于3個(gè)相同的串聯(lián)的燈泡是否總是正確的.請(qǐng)說(shuō)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(guò)程支架，對(duì)學(xué)生所有的操作步驟都有著明確的指示.

在第(6)問(wèn)中要求在支架的指引下對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì).

通過(guò)對(duì)題目的分析可以總結(jié)出IGCSE具有以下特點(diǎn).

4.1.1 重視測(cè)量

這一道考題中出現(xiàn)了6次測(cè)量，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力以及數(shù)據(jù)的讀取有著要求.測(cè)量能力是物理學(xué)中最基礎(chǔ)的能力，若是沒(méi)有掌握測(cè)量的方法，則很難獲得科學(xué)的數(shù)據(jù)，也無(wú)從得出科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.IGCSE對(duì)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾曋档靡鹞覀兊年P(guān)注.

4.1.2 讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受實(shí)驗(yàn)安全

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

4.1.3 重視實(shí)驗(yàn)過(guò)程而不是理論

在(5)問(wèn)中，由于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)出的數(shù)據(jù)很難得出理論上的相等結(jié)論.但評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)上明確寫(xiě)著，只要寫(xiě)出的評(píng)論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符即可.這種沒(méi)有所謂的“正確而唯一”的答案的評(píng)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(shí)驗(yàn)考試第1題)題目略.實(shí)驗(yàn)圖如圖4所示.主要問(wèn)題表述如下.

圖4 AS考試題圖

(1)記錄電阻阻值R.接通開(kāi)關(guān)，記錄電壓表的讀數(shù)V后，斷開(kāi)開(kāi)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(jì)記錄表記錄結(jié)果.

利用你在第(3)問(wèn)(ⅲ)中得到的結(jié)果，求出A和B.

AS考試相當(dāng)于我國(guó)高二結(jié)束后參加的考試.AS階段電學(xué)實(shí)驗(yàn)考試具有以下特點(diǎn).

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(cè)量中得到的數(shù)據(jù)，需設(shè)計(jì)出合適的表格來(lái)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(shuō)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(guò)的知識(shí)

在題目的后半部分，題干給出的理論沒(méi)有在書(shū)本上出現(xiàn)過(guò)，這使得實(shí)驗(yàn)試題不僅僅是將學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)重演.當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己測(cè)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析可以得出新的物理量之間的關(guān)系時(shí)，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(shí)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(shì)差V和發(fā)出光的波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系.

有人認(rèn)為這種關(guān)系是：

V=kλn

請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試V和λ之間的關(guān)系.解釋如何用你的結(jié)果來(lái)確定k和n的值.畫(huà)圖表示你對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的擺放方式.在你的設(shè)計(jì)中，需特別注意：應(yīng)遵循的程序、要進(jìn)行的測(cè)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(hào)

A Level階段的實(shí)驗(yàn)考題主要考查實(shí)驗(yàn)規(guī)劃、分析與評(píng)估.有以下特點(diǎn).

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(jì)實(shí)驗(yàn)步驟.此時(shí)，題干中已經(jīng)沒(méi)有對(duì)該實(shí)驗(yàn)的操作步驟提示，只給出了實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo).這說(shuō)明，在參加這場(chǎng)考試前，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)注意事項(xiàng)就是曾經(jīng)考試中(IGCSE和AS階段考試)搭建過(guò)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(shí)際問(wèn)題貼近

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

5 國(guó)內(nèi)考試與英國(guó)劍橋委員會(huì)考試的對(duì)比

5.1 我國(guó)中學(xué)階段的實(shí)驗(yàn)考試缺少支架拆除階段

國(guó)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(méi)有掌握自主實(shí)驗(yàn)?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(jì)實(shí)驗(yàn)，這種方式讓學(xué)生對(duì)完成實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程都有了自己的思考，有助于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ纳?jí).

5.2 我國(guó)的考試沒(méi)有動(dòng)手操作模塊

相比于英國(guó)的IGCSE考試與AS階段的考試都考核了動(dòng)手操作部分，我國(guó)在實(shí)驗(yàn)操作部分就顯得有些薄弱.在理論層面上，我國(guó)考試的要求是高于英國(guó)的考試要求的，但理論知識(shí)的掌握程度并不能完全替代實(shí)驗(yàn)操作的重要性.當(dāng)理論沒(méi)有實(shí)驗(yàn)佐證時(shí)，物理學(xué)習(xí)就會(huì)脫離實(shí)際.

5.3 我國(guó)考試的背景較書(shū)本化

我國(guó)考試題目的背景都是學(xué)生經(jīng)過(guò)平時(shí)反復(fù)訓(xùn)練的物理模型.這使得實(shí)驗(yàn)題充滿了“套路”.學(xué)生面對(duì)實(shí)驗(yàn)題不再思考“實(shí)驗(yàn)技巧”而是“解題模板”，這樣當(dāng)他們接觸到物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)情境與套路不相符了，他們的知識(shí)庫(kù)就無(wú)法調(diào)動(dòng)了.而A Level階段的考試會(huì)選擇生活中的“實(shí)驗(yàn)器材”，沒(méi)有固定的套路，學(xué)生就只能注重于培養(yǎng)自己的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰α?

6 啟示

從評(píng)價(jià)的特點(diǎn)來(lái)看，實(shí)驗(yàn)考核的目的是為了提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能.從支架教學(xué)的原理來(lái)看，只有拆除了支架才能代表學(xué)生真正掌握了知識(shí).我國(guó)中考對(duì)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)流程都搭建了完整的支架，這說(shuō)明我國(guó)在初中階段對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)十分重視，“搭支架”的過(guò)程考慮全面，且不失趣味性.而我國(guó)的高考對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度有所下降，實(shí)驗(yàn)題形式單一，且難度較低.特別是支架的設(shè)立依然很多，對(duì)學(xué)生的要求停留在了初級(jí)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(guó)中考的難度，但其對(duì)基本物理能力——“測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比理論更加可靠的思想，也是我國(guó)沒(méi)有涉及到的.AS考試和我國(guó)的高考題難度類(lèi)似，但我國(guó)沒(méi)有對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的要求，使得AS考試考查的實(shí)驗(yàn)題的含金量更高.從IGCSE到AS階段，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)步更快，這說(shuō)明對(duì)基本實(shí)驗(yàn)操作的培養(yǎng)是有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ倪M(jìn)階的.A Level考試相當(dāng)于我國(guó)的高考，但A Level考試對(duì)考生的要求已經(jīng)相當(dāng)于我國(guó)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.