肖嬋娟 陳航燕 袁海泉

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215006)

倍受關注的英國奧林匹克物理競賽(british physics olympiad,簡稱BPhO)是為10～13年級(即14～17歲)的中學生提供的不同級別的競賽.實驗項目競賽(experimental project)于2007年引入BPhO，分為兩個組別：A組，針對12～13年級的學生；G組，針對10～11年級的學生.該競賽是一種開放式考試，學生可以選擇在校內或家中完成，旨在通過引導學生進行實驗研究、積累實踐經驗，讓學生親身體驗實驗研究是如何實施的，包括計劃、著手實施開放實驗、獨立研究、團隊合作等.

IGCSE考試作為面向14～16歲國際普通中等教育認證考試，是全球最流行的國際課程體系之一.參加BPhO實驗項目競賽的學生，通常為IGCSE課程在讀或已完成該課程的學習.筆者查閱了IGCSE考試物理課程標準中關于實驗技能的要求如下：(1)了解如何應用技術、裝置、材料完成實驗；(2)觀察實驗記錄結果和數(shù)據(jù)；(3)解釋實驗結果，評估實驗數(shù)據(jù)；(4)制定、評估實驗計劃和方案，并給出提高實驗精度的優(yōu)化建議[1].

因此,筆者選取了近9年BPhO實驗項目試題為代表[2]，以IGCSE考試物理課程標準為依據(jù)，分析英國物理奧林匹克競賽實驗操作試題的命題特色，從而提出對國內實驗操作試題命題的建議.

1 實驗內容與知識背景依賴程度低

實驗所需的物理知識內容與實驗技能訓練和考查的關系，在不同教育體制和學生學習的不同時段有不同的處理方法.具備了相關的物理知識基礎再去做有關的實驗是我國基礎教育階段的一貫做法.

然而，英國物理奧林匹克實驗項目雖然分為年級不同的A和G兩組，但是兩組同學使用的競賽題為同一套試題.競賽題表現(xiàn)出了實驗內容與知識背景依賴程度低的特點，具體表現(xiàn)在以下幾個方面.

1.1 試題內容大多超出已有知識框架體系

通過對9套BPhO試題分析發(fā)現(xiàn)，考查頻次相對較高的內容是振蕩，共考查了3次，分別是雙線擺[圖1(a)]、共振[圖1(b)]和復擺.其他考查內容包括比熱容、楊氏模量、碰撞、剛體運動、彈簧運動和等厚干涉.其中對于G組同學來說，楊氏模量、復擺、振蕩、剛體運動、等厚干涉均為未學習過的物理知識；對于A組同學來說，振蕩中的復擺和雙線擺、剛體運動和等厚干涉均為未學習過的知識.可見BPhO的實驗考試內容，對學生的物理知識背景依賴程度低.

(a)2019年雙線擺實驗示意圖 (b)2015年共振實驗示意圖

1.2 與常見的生活經驗相關聯(lián)引入新的考查內容

針對學生未知的知識點，試卷從定義、原理推演、生活情境關聯(lián)、參考示意圖、實驗內容解讀等多角度拓展學生的知識，呈現(xiàn)試題涉及的物理概念，通過解釋物理原理使學生構建起與實驗模型有關的物理概念，學生通過實驗學習新的物理知識，打破了建立在已知知識框架體系下對實驗能力考查的限制.

以2013年木制米尺的彈性特性實驗項目為例,項目示意圖如圖2所示.

圖2 2013年木制米尺的彈性特性實驗項目示意圖

項目導言的描述中，首先對彈性材料進行介紹，給出了彈簧、橡皮筋等生活中常見的彈性材料，構建“彈性”這一概念.借助常見材料降低陌生知識帶來的恐懼感.再打破傳統(tǒng)彈性材料的框架，引入木材、鋼筋混凝土的彈性特性進行解釋說明，進而給出楊氏模量的概念，詳細介紹測量木頭的楊氏模量的方式.為了幫助理解楊氏模量在生活中的應用，進行了如下描述：“如果圓盤旋轉得非常快，它就能儲存動能，這常應用于巴士.當巴士減速時，動能轉化為飛輪的旋轉能量.在離開車站時飛輪的能量被用來加速巴士.這些飛輪是由復合輕量化材料制成，楊氏模量是設計這種飛輪的一個重要因素.”緊接著，試題省略公式推演，直接給出公式，將重點放在介紹測量木質米尺彈性特性的實驗器材、安全說明、實驗報告內容以及實驗報告要求.通過完整的實驗項目介紹，將要求測量的物理量概念，及其與日常生活經驗的關聯(lián)，十分明晰地呈現(xiàn)于學生面前，起到了現(xiàn)學現(xiàn)用的作用；實驗儀器、實驗流程及安全注意事項的描述，為學生搭建了初步的實驗流程框架，使得考查著重于體現(xiàn)完整操作流程及實驗結果可靠性評估的實驗報告中.試題中雖然對于楊氏模量的知識建構嚴謹性不足，但是在該實驗中并不影響數(shù)據(jù)的測量和圖表繪制.

1.3 完整呈現(xiàn)實驗內容 省略復雜公式推演步驟

為了擺脫原有知識框架的限制，試題完整呈現(xiàn)了實驗內容.2013年木制米尺彈性特性實驗中，給出了詳細的描述，以引導學生從靜態(tài)及動態(tài)兩個方面，呈現(xiàn)木制米尺的彈性特性.其中，實驗一的靜態(tài)形變測量步驟介紹如下：“將木制米尺夾在工作臺上，使它懸在工作臺的邊緣，一端用G型夾固定在工作臺的邊緣，如圖2(從工作臺下面擰緊G型夾，以免將螺絲的一端磨進尺子).借助卡紙等方法，將木塊固定到末端.其中L是從工作臺邊緣到通過重心的垂線的水平距離，D是尺的末端到水平位置的垂直位移，測量L和D，注意不要超過米尺的彈性極限.繪制D和L的圖形，并獲得最佳的直線擬合.假設

(1)

其中

(2)

E是木尺的楊氏模量，求出E的值.”該實驗的完整內容省略了復雜的原理推演，明確指出所需要測量的物理量，并將楊氏模量的數(shù)值計算公式呈現(xiàn)出來.

實驗二為測量木制米尺動態(tài)屬性，描述如下：“與實驗一相同安排，測量D和L值的范圍及重物的振蕩周期T(一個振蕩周期是指重物上升和下降所花費的時間)，假設

T=kLα

(3)

其中k和α是常量.繪制一個合適的圖來確定k和α的值.”通過描述，學生能夠清晰地了解實驗中所需要測量的物理量，需計算的物理量及其呈現(xiàn)的方式.

1.4 試題考查方式不以驗證已知實驗結果為導向 注重探究過程

BPhO考試試題的呈現(xiàn)也很符合科學家進行物理科學研究的過程.試題從科學家發(fā)現(xiàn)解決問題、思考和分析發(fā)現(xiàn)的過程來考查學生.以具體的實驗項目作為考查學生科學思維發(fā)展的載體，通過一小段文字的閱讀使學生領悟知識點，學生需要對知識點進行拓展，從而得出相應的結論和發(fā)現(xiàn)，符合學生的認知發(fā)展過程.

以2019年雙線擺項目為例，雙線擺為學生未學過的內容，該項目借助蘇格蘭愛丁堡皇家天文臺利用雙線擺預測了一場海上地震的例子引出了測量雙線擺周期的實驗，介紹了雙線擺的結構組成.由于水平橫梁是可以調節(jié)變化的，因此該實驗不存在統(tǒng)一的“正確”答案，其目的并非驗證某個已知的結論，而是更加注重考查實驗結果的探究發(fā)現(xiàn)過程.

2 實驗引入內容豐富多樣

BPhO實驗操作題目的引入內容豐富多樣，給學生創(chuàng)設了良好的情境，從生活、現(xiàn)代科技或者對于某些問題的研究角度著手，引出實驗項目主題.從學習心理學的角度看，在解決實際問題時，要經歷兩個遷移過程：知識遷移、能力遷移[3].學生通過閱讀引入部分文字將其對物理學的知識以及思維能力遷移到具體的試題情境中.

例如2014年的重力輔助彈弓實驗項目中，試題描述的是五十多年前，太空旅行完全由火箭燃料推進劑的數(shù)量和功率決定.然而，美國實驗室通過“重力輔助彈弓機動”使航天器通過行星時，速度可以大幅提高.在飛行過程中，行星和航天器系統(tǒng)的能量和動量守恒.在這兩個物體的相對速度范圍內，行星將損失極小部分的能量，而宇宙飛船將獲得這種能量，大大增加其能量和速度.

彈弓效應后來被用于太空任務.最早始于旅行者2號的外行星任務，飛船飛越了木星等星球.在每次飛越中，由于彈弓效應，它的速度明顯地增加了.在12年的時間里到達了海王星，如果沒有彈弓效應的引力幫助，這段旅程將花費30多年的時間.而對于水星和金星這兩顆內行星的任務來說，要減慢航天器的速度，否則就會被太陽的引力場加速.在這種情況下，可以用彈弓效應來降低航天器的速度，行星從宇宙飛船獲得能量.

在此題中，從現(xiàn)代的科技角度出發(fā)，描述彈弓效應在航天技術方面的應用，豐富了學生對于現(xiàn)代科學技術的了解，提高學生的興趣，進而提升學生對實驗項目的投入程度.而國內目前的題目引入部分簡短，有部分生活實例,但是缺少對學生興趣的激發(fā)，缺少遞進式的銜接，很難調動起學生深入研究的實驗動機.

3 對學生安全意識導向明確

BPhO實驗操作題目十分關注實驗安全，不僅是實驗室安全部分，還包括具體的實驗程序涉及的安全細節(jié).試題中針對不同項目給出明確的操作指示，同時規(guī)定實驗報告必須包括提高實驗安全的措施.實驗過程中，學生可以與教師討論自己的想法，教師要給出必要的安全預防措施建議.

例如2012年比熱容實驗項目中，對于實驗安全的要求包括：

(1)通過與老師討論你的方法，獲得安全預防措施方面的建議;

(2)不要把燒杯的熱水放在長凳上以免打翻它(被燙傷);

(3)應避免使用蒸汽或者在火焰中加熱金屬;

(4)不要敲打大塊的磚頭，建議老師提供一些磚頭碎片(敲打大塊磚頭時碎片可能會飛濺出來，建議佩戴護目鏡);

(5)當進行實驗時必須意識到安全措施，你的報告也應該包括具體的安全參考.

題目中對于實驗的安全要求可以說是非常的細致明確，對于可能發(fā)生的危險都有具體的提示，要求學生在做實驗時處處牢記實驗安全.

4 實驗報告要求具體充實

實驗報告是實驗項目考核的主要依據(jù)，試題中對報告內容的要求包括物理量測量及其分析，即實驗過程描述、提高準確性和安全性的措施、測量表、對誤差的估計、結果計算、對準確度和結果的結論性討論和實驗裝置照片.學生可以根據(jù)自己的合理分析給出影響實驗結果的猜想，具有更多的包容性和創(chuàng)新空間.

例如2018年肥皂膜項目中，報告內容需要包括：

(1)對實驗過程的簡明描述，包括圖表和照片.

(2)對觀察到的現(xiàn)象進行簡要描述.

(3)描述對于提高準確性或減少不確定性的措施，以及實驗中對操作過程的修改.

(4)為安全而采取的預防措施.

(5)不確定度和準確性估計.

這一部分試題主觀性較強，根據(jù)具體的要求，學生可以進行合理分析，給出各種可能的猜想和合理化的結論，給了學生更多的思考空間.再看試題中的報告指導部分，這部分針對實驗報告的要求進行補充，學生需要對報告中展現(xiàn)的內容進行具體詳細的說明.

以2020年復擺項目為例，實驗報告的細節(jié)要求呈現(xiàn)內容如下：

(1)所提交報告頁數(shù)不超過12頁,需簡單扼要地描述實驗進程和得出結果的方式，說明實驗中的發(fā)現(xiàn)和結果.在扉頁寫上標題、日期、姓名和學校的名字，并在頁腳寫上姓名和頁碼.允許提交電子版或者手寫版.

(2)必須附上實驗計劃，以便他人能根據(jù)計劃重復實驗.寫下其他的觀點，比如使用的特殊儀器、采取的預防措施、對減少測量不確定度的想法、有測量困難的物理量及原因.無需寫大段文字，僅需對每個好的想法做簡短描述.

(3)如果覺得結果不對，也不要把它們刪除，但需指出它們可能存在的問題.目的是表明你已經對這個設備進行了研究和實驗，讓讀者知道你在做什么.實驗可能會出錯，但需要展示你如何克服挫折得出正確答案的.如果刪除了你認為不對的所有內容，讀者可能會看到一個很好的最終結果表，但他們不知道你為得到這些結果付出了多少調查及努力.

試題中實驗報告的要求占據(jù)較大篇幅，通過實驗內容要求和報告指導兩部分對實驗報告進行規(guī)范，通過具體詳細的要求，讓學生明確實驗報告應該包含的內容，做到有的放矢地總結整個實驗.

5 重視科學態(tài)度要求

在BPhO實驗操作考試中除了重視學生的實驗技能，還通過對實驗過程和報告的要求，有目的地對學生多方面的科學態(tài)度提出要求.

一方面，科學態(tài)度不是自然形成的，許多科學態(tài)度是由模仿他人行為而獲得的[4].因此,試題中注重強調實驗科學家的行為習慣，使學生習得相似性行為.例如在報告指導中描述“學生要保存實驗日志簿，用一個A4筆記本，其中頁面不能撕掉，本子里粘貼表格、圖表、評論和記錄你的實驗想法.同時幫助記錄你的進步，并收集所有的實驗信息.所有物理學家都有這樣的筆記本.”該部分要求學生模仿物理學家行為，從而養(yǎng)成相似習慣，通過日常實驗記錄積累實驗技能和經驗，逐步培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和實驗習慣.

另一方面，科學態(tài)度的養(yǎng)成是系統(tǒng)而嚴謹?shù)模诿鞔_實驗目的的基礎上，規(guī)范實驗操作要求，如實記錄和分析實驗現(xiàn)象，思考總結結論，在整個過程中培養(yǎng)學生實事求是的態(tài)度.例如2015年共振實驗中要求：“應該對實驗過程作全面而簡明的描述，以不同形式表明你的想法.報告不需要太長,但要解釋清楚實驗的進程和結果.描述這兩個鐘擺是如何隨時間移動的，以及它們的擺動是如何相互關聯(lián)的?”既能讓學生從實際出發(fā)、尊重事實，又讓學生通過認真分析養(yǎng)成科學推理的習慣.

6 啟示

在研究BPhO物理實驗項目命題特色的基礎上得出對實驗操作命題的以下啟示:

(1)淡化對知識體系的依賴，降低題目中對于實驗原理的考查比例.注重考查對已有信息的運用，培養(yǎng)學生拓展信息的能力.

(2)注重實驗安全意識培養(yǎng)，從細節(jié)著手給出詳細的實驗安全指導，逐步構建起學生的實驗安全意識.

(3)注重良好的科學態(tài)度的養(yǎng)成，不過分追求實驗結果的正確性.