摘 要：實驗教學是高中物理教學的重要內(nèi)容。培養(yǎng)學生的實驗能力是物理教學的重要目標。實驗類試題是高考物理的必考題型。根據(jù)高考評價體系建構(gòu)的關(guān)鍵能力，本文對2013年至2022年高考物理卷中的電學測量類實驗試題進行分類統(tǒng)計，在分析電學測量類實驗試題的基礎上，對實驗教學提出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：高考物理；電學測量類實驗試題；統(tǒng)計分析

1 引言

學生實驗是培養(yǎng)學生科學思維、科學探究能力和創(chuàng)新能力的重要載體，實驗能力在高考中處于十分突出的位置。［1］《中國高考評價體系說明》提出：“關(guān)鍵能力和必備知識是指即將進入高等學校的學習者在面對與學科相關(guān)的生活實踐或?qū)W習探索情境中的問題時，有效地認識問題、分析問題、解決問題所必須具備的綜合能力和學科知識?！保?］物理學科作為自然科學的一部分，其關(guān)鍵能力的培養(yǎng)側(cè)重于科學思維和科學探究，高考實驗試題的考查也主要圍繞這兩方面能力展開。本文以電學測量類實驗為研究對象，基于《中國高考評價體系》，對2013年至2022年高考物理卷中電學測量類實驗試題的能力考查情況進行統(tǒng)計與分析，從測量方法、電路設計和數(shù)據(jù)處理三個角度對實驗內(nèi)容進行具體分析。

2 近十年物理高考電學測量類實驗試題統(tǒng)計

2.1 電學測量類實驗試題的考查頻次統(tǒng)計

本文從2013年至2022年的物理高考卷中收集到233個實驗題，其中測量類實驗試題有109個，包括力學、電學、光學和熱學實驗。根據(jù)《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）對主題內(nèi)容的劃分，本文對這些測量類實驗題進行了分類統(tǒng)計，各主題的實驗題數(shù)量如圖1所示。其中，電路及其應用主題的實驗題數(shù)量明顯多于其他主題。這些電學測量類實驗試題涵蓋了4個學生必做實驗（長度的測量及其測量工具的選用、測量金屬絲的電阻率、用多用電表測量電學中的物理量、測量電源的電動勢和內(nèi)阻）［3］與伏安法測電阻實驗。電學測量類實驗將電學實驗中的電路問題與測量類實驗的數(shù)據(jù)處理問題相結(jié)合，增加了實驗的難度，并對學生的實驗探究能力提出了更高的要求。

在65個電學測量實驗試題中，各類實驗試題的數(shù)量統(tǒng)計如表1所示，測量電源的電動勢和內(nèi)阻實驗試題數(shù)量最多，伏安法測電阻實驗次之。在測量電源的電動勢和內(nèi)阻的實驗中，測量方法、電路設計和數(shù)據(jù)處理的多樣性增強了實驗的探究性。這個實驗全面考查了學生的實驗能力，并因此受到高考命題者的青睞。

盡管《課程標準》沒有將伏安法測電阻實驗列為學生必做實驗，但該實驗在測量對象、測量方法和數(shù)據(jù)處理方法上較其他實驗有所拓展和深入，所以它一直是高考實驗試題的考查熱點。［4］電學測量類實驗雖然各有不同的實驗目的，但在實驗思維和方法上有共同之處。

2.2 電學測量類實驗試題的能力考查統(tǒng)計

學科考試中的實驗題目主要側(cè)重于考查學生的實踐操作能力和思維認知能力。其中，考查的“實踐操作能力”包括實驗設計能力、數(shù)據(jù)處理能力、信息轉(zhuǎn)化能力、動手操作能力等；而考查的“思維認知能力”則主要體現(xiàn)在演繹推理能力和批判性思維能力方面。［5］

根據(jù)《中國高考評價體系》對關(guān)鍵能力的劃分，筆者對2013年至2022年高考電學測量類實驗試題的能力考查進行了分類和統(tǒng)計，高考電學測量類實驗試題的關(guān)鍵能力考查統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。其中，實驗1是測量金屬絲的電阻率，實驗2是測量電源的電動勢和內(nèi)阻。數(shù)據(jù)處理是測量類實驗的關(guān)鍵，因此在電學測量類實驗試題中，涉及數(shù)據(jù)處理能力的問題數(shù)量最多，且主要采用圖像法，這強調(diào)了學生運用數(shù)學工具解決物理問題的重要性；其次是實驗設計和動手操作能力的考查，這兩個方面的題目數(shù)量大致相等。實驗設計能力主要考查實驗電路的設計，而動手操作能力則集中在實物圖的連接、實驗儀器的使用和讀數(shù)上進行考查。在考查實踐操作能力的同時，實驗題目也強調(diào)了對學生思維認知能力的評估，這包括對實驗過程、實驗電路和實驗誤差的分析與評價，以此來考查學生的科學思維能力。

3 近10年高考物理電學測量類實驗試題分析

電學測量類實驗綜合性強、實驗電路復雜。在進行這類實驗時，學生不僅需要從整體上理解和把握實驗方案，選擇恰當?shù)臏y量方法和數(shù)據(jù)處理方法，還必須關(guān)注電路設計的細節(jié)問題。下文將從測量方法、電路設計和數(shù)據(jù)處理三個角度，對兩個高考電學測量類實驗試題進行深入分析。

3.1 測量方法

測量一般分為直接測量和間接測量。在高中物理電學實驗中，一些物理量可用實驗儀器直接進行測量，例如電流、電壓、電阻等。但仍有些物理量難以用基本實驗儀器直接測得，一般通過可直接測量的物理量與待測物理量之間的函數(shù)關(guān)系間接求得，例如電阻率、電動勢和內(nèi)阻等。間接測量一定程度上提高了物理實驗的可探究性?；趯嶒炘恚處熆梢酝卣钩龆鄻拥臏y量方法，而測量方法的選擇也將影響后續(xù)的電路設計、儀器選擇和數(shù)據(jù)處理等實驗過程。電學實驗中的伏安法、安阻法和伏阻法是教材中要求的三種測量方法，但是高考實驗試題考查的測量方法不局限于此。高考實驗試題還曾考查過安安法，測量思想也有所延伸，例如等效替代的思想。

2013年至2022年高考測量電源的電動勢和內(nèi)阻實驗試題中，伏安法的考查頻率最高，所以它成為所有學生必須掌握的測量方法（如表2所示）。在24個實驗題目中，有2個題目同時考查了伏安法和伏阻法。這些測量方法的主要區(qū)別在于所使用的電表組合。伏安法使用電流表和電壓表；安阻法使用電流表和電阻箱；伏阻法使用電壓表和電阻箱；而安安法和伏伏法則分別使用兩只電流表和兩只電壓表（如表3所示）。

在所用電表均視為理想電表的情況下，這五種方法是測量電源的電動勢和內(nèi)阻的基本方法，在設計實驗方案時，要根據(jù)實驗儀器的實際情況選擇合適的測量方法。

3.2 電路設計

電路設計是電學實驗方案設計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括電路原理圖的繪制和實物圖的連接。學生需要掌握基本的理論知識和實踐技能。選擇合適的測量方法有助于從整體上把握實驗的思路，而電路設計則需關(guān)注實驗的細節(jié)，以減小測量誤差，這是測量類實驗的核心目標。在電學實驗中，學生需要評估電表內(nèi)阻對測量結(jié)果的影響，并據(jù)此確定電流表或電壓表的接法，設計出能夠?qū)崿F(xiàn)誤差最小化的實驗電路。

有些試題直接給出電路圖和實物圖供學生理解實驗思路；有些試題則只提供實驗器材讓學生自主設計實驗電路或提出新的問題，讓學生改造電路，給學生充分的思考空間，讓學生成為實驗設計者。

例1 （2019年天津市物理高考試題第9題節(jié)選）利用下列器材設計一個電路，盡量準確地測量一段金屬絲的電阻。這段金屬絲的電阻Rx約為100Ω，畫出實驗電路圖，并標明器材代號。電源E（電動勢10V，內(nèi)阻約為10Ω），電流表A1（量程0～250mA，內(nèi)阻R1＝5Ω），電流表A2（量程0～300mA，內(nèi)阻約為5Ω），滑動變阻器R（最大阻值10Ω，額定電流2A）；開關(guān)S及導線若干。

解析：本問題主要考查電阻的測量方法。題目要求學生使用所提供的實驗器材設計實驗電路，但試題中只提供了兩個電流表，因此，需要使用其中一個已知內(nèi)阻的電流表來測量電壓。由于待測電阻的阻值遠大于滑動變阻器的阻值，滑動變阻器應采用分壓接法，設計的電路圖如圖3所示。本題主要考查實驗電路設計，同時又考查了實驗儀器和實驗誤差相關(guān)的問題，對學生的實驗能力要求較高。題目創(chuàng)設了真實的問題情境，實驗器材均標明規(guī)格，因此學生要根據(jù)已有的實驗儀器，從盡可能減小實驗誤差的角度來設計電路，這是對學生實驗能力的綜合考查。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理能力是學生進行物理實驗必備的實踐操作能力。多年來，高考實驗題頻繁涉及測量類實驗以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理問題，對數(shù)據(jù)處理的考查已不再局限于簡單的數(shù)據(jù)計算，而是拓展到對學生知識和能力的全面評估。

2013年至2022年高考實驗題數(shù)據(jù)處理問題數(shù)量如圖4所示。由圖可知，2014年高考實驗題數(shù)據(jù)處理問題數(shù)量最多，隨后兩年有所減少，但2017年開始總體上持續(xù)增加。數(shù)據(jù)處理能力基于對物理規(guī)律和實驗方案的理解，本研究中兩個實驗的理論基礎是電阻定律和閉合電路歐姆定律，主要的數(shù)據(jù)處理方法為解方程和圖像法。高考實驗題對數(shù)據(jù)處理方法的考查以圖像法為主，函數(shù)圖像在形式上也逐漸豐富。除了U-I圖像，高考試題還出現(xiàn)了1I-R、I1-I2、1U-R、1I-θ和R-1I等形式的圖像。這意味著實驗測量的方案和數(shù)據(jù)處理的方法都在不斷創(chuàng)新，要求學生具備一定的實驗創(chuàng)新能力。

例2 （2022年福建省物理高考試題第12題節(jié)選）（4）根據(jù)測得數(shù)據(jù)，作出U1-I1和U2-I2圖像（如圖所示），根據(jù)圖線求得電源電動勢E＝_______________，內(nèi)阻r＝_______________。（結(jié)果均保留兩位小數(shù)）

（5）由圖可知_______________（填“接法Ⅰ”或“接法Ⅱ”）測得的電源內(nèi)阻更接近真實值。

（6）綜合考慮，若只能選擇一種接法，應選擇_______________（填“接法Ⅰ”或“接法Ⅱ”）測量更合適。

解析：本實驗題的第（4）（5）小問是對學生數(shù)據(jù)處理能力的考查，以函數(shù)圖像的方式呈現(xiàn)了電壓U和電流I之間的關(guān)系。本題的特殊之處在于利用單刀雙擲開關(guān)呈現(xiàn)了兩種電路連接方式。第（5）小問和第（6）小問表面上是考查實驗方案，實際上還是考查圖像法問題。學生需要正確理解兩個U-I圖像，求出兩種接法下的內(nèi)阻，然后計算出測量誤差并進行比較，得出更合適的接法。三個問題環(huán)環(huán)相扣、相互聯(lián)系，對學生的實驗分析能力提出了較高的要求，同時也增加了數(shù)據(jù)處理問題的難度。在分析和解決問題的過程中，學生的邏輯分析和推理能力得到了培養(yǎng)。

4 教學啟示

物理實驗不僅是學生獲取和理解物理知識的重要手段，也是將理論知識應用于解決實際問題的重要途徑。根據(jù)近十年物理高考卷中電學測量類實驗試題的分析，測量方法、電路設計和數(shù)據(jù)處理的考查方式都展現(xiàn)了多樣性和靈活性。下面將針對這三個方面對實驗教學提出建議。

4.1 創(chuàng)設問題情境

解決具體物理問題需要結(jié)合實際情況，學生必須基于對實驗原理的理解來設計出符合實驗條件的電路，這是進行電學實驗的基本技能。高考實驗題對電路設計能力的考查主要集中在電路圖的繪制和實物圖的連接上，其本質(zhì)是對實驗原理和實驗方案的理解和應用。

討論電路設計問題必須結(jié)合具體的問題情境才有實際意義。例如，在選擇和連接電流表、電壓表和滑動變阻器等實驗器材時，需要考慮電表的規(guī)格和內(nèi)阻大小。高考實驗題中提供的電流表和電壓表并非理想電表，可能具有一定的內(nèi)阻，且電表的連接方式也會影響測量精度。因此，在設計電路時，學生需要根據(jù)實際情況來確定是采用電流表的外接法還是內(nèi)接法。

4.2 強化數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理能力是學生進行測量類、探究類和驗證類實驗所必需的關(guān)鍵能力之一。電學實驗中數(shù)據(jù)處理的方法和形式多種多樣，但在高考電學測量類實驗試題中，圖像法是主要的數(shù)據(jù)處理方法。圖像法在處理數(shù)據(jù)時造成的實驗誤差較小，同時在計算上更為簡便。

用圖像法處理數(shù)據(jù)，學生要列表記錄數(shù)據(jù)、畫出函數(shù)圖像、厘清物理量之間的函數(shù)關(guān)系、理解函數(shù)圖像對應的物理意義、計算得出實驗結(jié)果、分析或計算實驗結(jié)果的誤差。這些步驟對學生的綜合實踐能力提出了較高的要求，也是實驗教學的難點和重點。在實際教學中，由于實驗條件的限制，實驗測量結(jié)果的誤差可能較大，但數(shù)據(jù)處理過程不應被忽視。因此，教學過程中教師應重視學生數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)，不能因為耗費時間而放棄數(shù)學運算。

4.3 滲透變式實驗

高考電學測量類實驗試題雖為命題者“原創(chuàng)”，但是所考查的測量方法并非“原創(chuàng)”，考點都來源于《課程標準》和教材，命題者只是創(chuàng)設了全新的實驗情境。由于電學實驗包含了多種測量方法，實驗教學應加強實驗變式的教學，即通過改變實驗條件來探索不同的實驗方法，幫助學生理解實驗的本質(zhì)，提升創(chuàng)新意識和能力。［6］

以測量電源的電動勢和內(nèi)阻為例，教材中介紹了伏安法、伏阻法和安阻法等測量方法。伏安法是基于閉合電路歐姆定律的基本方法，伏阻法和安阻法則是伏安法的替代方法。在實驗教學中，教師可以利用學生分組實驗的機會，為不同的小組提供不同的實驗器材組合，如“電流表＋電壓表＋滑動變阻器”“電壓表＋電阻箱”“電流表＋電阻箱”“電流表＋電流表＋滑動變阻器”“電壓表＋電壓表＋滑動變阻器”等，并提供不同的電源、不同量程的電表和不同規(guī)格的電阻，讓學生在變式實驗中理解實驗的本質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

綜上所述，在實驗課中，教師應鼓勵學生自主選擇實驗儀器、設計實驗方案、完成實驗操作、進行數(shù)據(jù)處理和分析、提出實驗改進措施。通過這些實踐操作，教師可以激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提高學生在新情境中創(chuàng)造性地解決問題的能力。

參考文獻

［1］楊君. 小議高考物理實驗能力和科學探究素養(yǎng)的考查［J］. 中國考試，2017（3）：25-30．

［2］教育部考試中心. 中國高考評價體系說明［M］. 北京：人民教育出版社，2019：22．

［3］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：43-44．

［4］葉兵. 高考物理實驗題命制的幾點思考［J］. 物理教學，2018，40（12）：32-36．

［5］教育部考試中心. 中國高考評價體系［M］. 北京：人民教育出版社，2019：24-25．

［6］李小青，張靜. 近10年湖北高考物理實驗題分析［J］. 物理之友，2015，31（5）：34-37．