摘 要：紙筆測試中，科學(xué)探究是解決系列實驗環(huán)節(jié)問題的過程.根據(jù)課標(biāo)對科學(xué)探究的定義及科學(xué)探究水平4的描述，將科學(xué)探究的四個要素與學(xué)生熟悉的實驗環(huán)節(jié)相對應(yīng).結(jié)合江蘇省兩次適應(yīng)性考試實驗題，給出了科學(xué)探究的四個要素的評價途徑.

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究要素;實驗環(huán)節(jié);評價途徑;紙筆測試

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0007-05

1 科學(xué)探究要素的解構(gòu)

1.1 課標(biāo)關(guān)于科學(xué)探究的表述

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中明確指出：“科學(xué)探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力[1].”課程標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)以上定義將科學(xué)探究概括為問題、證據(jù)、解釋、交流四個要素.

課標(biāo)將高中物理學(xué)業(yè)分五級水平，其中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4是高考命題的依據(jù).科學(xué)探究水平4的描述為“能分析相關(guān)事實或結(jié)論，提出并準(zhǔn)確表述可探究的物理問題，作出有依據(jù)的假設(shè);能制訂科學(xué)探究方案，選用合適的器材獲得數(shù)據(jù);能分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律，形成合理的結(jié)論，用已有的物理知識進(jìn)行解釋;能撰寫完整的實驗報告，對科學(xué)探究過程與結(jié)果進(jìn)行交流和反思[1].”

1.2 紙筆測試中科學(xué)探究要素的解構(gòu)

基于中國高考評價體系，教育部考試中心將物理科所要求的實驗?zāi)芰εc科學(xué)探究整合為“實驗探究能力”[2]，并在高考時通過紙筆測試考查學(xué)生的這種能力.紙筆測試是測試考生已有的知識、方法和能力，考查考生在封閉的情境下獨(dú)立作答的能力，所以紙筆測試中的實驗題屬于結(jié)構(gòu)良好的問題.

眾所周知，一份完整的高中實驗報告一般包括以下幾個環(huán)節(jié)：實驗名稱、實驗者信息、實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗器材、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理、誤差分析和問題討論.結(jié)合科學(xué)探究的定義和科學(xué)探究水平4的描述，將科學(xué)探究四個要素和物理實驗報告的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行了拆分、分類和配對，如圖1所示，以便于從實驗環(huán)節(jié)的操作層面研究紙筆測試中科學(xué)探究四個要素的評價途徑.紙筆測試中，在對一些問題討論時需要準(zhǔn)確的書面表達(dá)，在交流要素中增加了“準(zhǔn)確表述”環(huán)節(jié).

紙筆測試中，科學(xué)探究是解決系列實驗環(huán)節(jié)問題的過程.實驗探究能力考查的是解決實驗題設(shè)問的能力，因為實驗題的設(shè)問可以融入實驗的相關(guān)環(huán)節(jié)，所以科學(xué)探究要素的評價途徑也就體現(xiàn)為具體實驗環(huán)節(jié)的考查方式.

1.3 兩道適應(yīng)性考試實驗題

江蘇省2021年兩次適應(yīng)性考試實驗題關(guān)注了實驗眾多環(huán)節(jié)的考查，通過填空、作圖、問答等多種的作答方式，很好地考查了學(xué)生的實驗探究能力.本文以兩次適應(yīng)性考試的實驗題為例，探討科學(xué)探究四個要素的評價途徑及相關(guān)問題解決的思路.

例題1 （2021年江蘇1月適應(yīng)性考試 12題）用如圖2所示的實驗裝置測量木塊與長木板間的動摩擦因數(shù)μ.把左端帶有滑輪的長木板平放在實驗桌上，載有砝碼的木塊右端連接穿過打點(diǎn)計時器的紙帶，左端連接細(xì)線，細(xì)線繞過定滑輪掛有槽碼，木塊在槽碼的牽引下運(yùn)動.通過紙帶測量木塊的加速度，并測出木塊與砝碼的總質(zhì)量M、槽碼的總質(zhì)量m，計算木塊與木板之間的摩擦力f.改變M和m進(jìn)行多次實驗.

（1）下列實驗操作步驟，正確順序是_____.

①=釋放木塊

②接通打點(diǎn)計時器電源

③將木板固定在水平桌面上

④調(diào)節(jié)滑輪高度使細(xì)線與木板平行

⑤將紙帶穿過打點(diǎn)計時器的限位孔并固定在木塊上

（2）實驗打出的一段紙帶如圖3所示.打點(diǎn)計時器的工作頻率為50Hz，圖中紙帶按實驗尺寸畫出，則木塊的加速度為____m/s2.

（3）甲同學(xué)測得的數(shù)據(jù)見表1.

請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙（圖4）上作出 f-M 圖像.

（4）已知重力加速度g=9.80m/s2，可求得該木塊與木板的動摩擦因數(shù)μ=_____.

（5）乙同學(xué)用（3）問表中的數(shù)據(jù)逐一計算出每次測量的μ值，取其平均值作為測量結(jié)果.他發(fā)現(xiàn)該值比甲同學(xué)在（4）問中得出的μ值大.你認(rèn)為哪位同學(xué)的結(jié)果更準(zhǔn)確，請簡要說明理由.

例題2 （2021年江蘇4月適應(yīng)性考試 11題）某同學(xué)測量一根長直電阻絲的電阻率.按圖5所示的電路用等效替代方法測出一段電阻絲的電阻：導(dǎo)線Ⅰ和Ⅱ先按圖5中的實線連接，后按圖5中的虛線連接.在上述兩種情形下，當(dāng)電流計的示數(shù)為零時導(dǎo)線Ⅰ和Ⅱ中無電流流過，電壓UP1C=UP2B，則RP1B+R0=RP2B，由此可測得P1P2段的電阻為R0.R0的阻值已知，P1P2的長度通過固定在電阻絲旁的刻度尺讀出.

（1）待測電阻絲的總電阻約20Ω，若有兩種阻值的定值電阻：①10Ω;②30Ω.實驗中R0應(yīng)選用_____.

（2）根據(jù)圖5中實線的電路，請用筆畫線代替導(dǎo)線，將滑動變阻器連入圖6所示的實物電路.

（3）按圖6中實線連接好電路后，閉合開關(guān)S1和S2，接下來的正確操作順序是_____.

①將導(dǎo)線Ⅰ連接在B上

②記下P1位置在刻度尺上的讀數(shù)

③記下P2位置在刻度尺上的讀數(shù)

④調(diào)節(jié)滑動變阻器的觸頭，使的示數(shù)為零

⑤改變導(dǎo)線Ⅱ連接在電阻絲上的位置，使的示數(shù)為零

（4）該同學(xué)多次更換定值電阻R.重復(fù)上述實驗.當(dāng)R0=15Ω時，記下P1的讀數(shù)為70.00cm，P2的讀數(shù)為20.00cm.用螺旋測微器測得電阻絲的直徑，并計算出電阻絲的橫截面積為0.500mm2.由此求得電阻絲的電阻率ρ=_____Ω·m.

（5）小明同學(xué)認(rèn)為，與教材中“測量金屬絲的電阻率”的實驗方法相比，上述實驗測得電阻的誤差更小.你是否同意他的觀點(diǎn)？請簡要說明理由.

2 “問題”的評價途徑

2.1 實驗?zāi)康?/p>

紙筆測試中，一般會開門見山，題干的第一句話會明確給出實驗?zāi)康模堊⒁馊?

2.2 實驗原理

實驗原理指實現(xiàn)實驗?zāi)康牡奈锢硪?guī)律（公式），要根據(jù)實驗的目的來思考實驗的原理.根據(jù)實現(xiàn)實驗?zāi)康目梢苑譃槊鞔_型、多樣型，如果是未學(xué)過的則為創(chuàng)新型，如圖7所示.例如，“測量電源電動勢和內(nèi)阻”的實驗原理為閉合電路的歐姆定律，但是根據(jù)不同的實驗儀器可以寫出不同的表達(dá)式，可認(rèn)為該實驗的原理為多樣型.

問題1：閱讀例1、例2的題干，圈劃實驗?zāi)康?，力學(xué)實驗注意明確研究對象，寫出實驗原理，猜測需要測量的物理量.

答：例題1和例題2的實驗原理均為明確型.例題1：實驗?zāi)康臑椤皽y量木塊與長木板間的動摩擦因數(shù)μ”.研究對象為木塊，所用規(guī)律為滑動摩擦力的公式f=μFN，得μ=fFN，需要測量滑動摩擦力和木塊與長木板間的彈力.例題2的實驗?zāi)康臑椤皽y量一根長直電阻絲的電阻率”.所用規(guī)律為電阻定律的公式R=ρlS，得ρ=RSl，需要測長直電阻絲的電阻、橫截面積和長度.

3 “證據(jù)”的評價途徑

3.1 實驗方案

實驗方案是從操作的角度把實驗原理具體化、程序化，即按照實驗的原理設(shè)計實驗的程序和步驟，實現(xiàn)對需要的物理量的測量，如圖8所示.特別要注意的是，實驗方案要完全根據(jù)命題者對題目的敘述或提供的線索來構(gòu)思.

問題2：完成例2（1），并寫出理由.

答：該問題考查的是器材選擇.選擇①，因為根據(jù)題干條件RP1B+R0=RP2B，待測電阻絲的部分阻值已經(jīng)大于R0.

問題3：仔細(xì)觀察例2圖5中滑動變阻器的接法，在圖5中完成例2（2）.

答：滑動變阻器連接時分兩步進(jìn)行，首先將變阻器的整個阻值與電源、開關(guān)相連，然后再連其他部分，如圖9所示.

問題4：完成例2（3），并寫出排序理由.

答：②④①⑤③（或④②①⑤③）.回到題干中去：按圖5所示的電路用等效替代方法測出一段電阻絲的電阻：導(dǎo)線Ⅰ和Ⅱ先按圖5中的實線連接，后按圖5中的虛線連接.在上述兩種情形下，（補(bǔ)充第一種情形的操作，步驟②，補(bǔ)充操作，根據(jù)題干排序，步驟④）當(dāng)電流計的示數(shù)為零時導(dǎo)線Ⅰ和Ⅱ中無電流流過，（補(bǔ)充第二種情形的操作，步驟①⑤③）電壓UP1C=UP2B，則RP1B+R0=RP2B，由此可測得P1P2段的電阻值為R0.

問題5：完成例1（1），并寫出排序理由.

答：③⑤④②①.回到題干中去：把左端帶有滑輪的長木板平放在實驗桌上（根據(jù)題干排序，步驟③），載有砝碼的木塊右端連接穿過打點(diǎn)計時器的紙帶（根據(jù)題干排序，步驟⑤），左端連接細(xì)線，（補(bǔ)充操作，步驟④）細(xì)線繞過定滑輪掛有槽碼，（補(bǔ)充操作，參考經(jīng)典實驗的操作注意點(diǎn)，步驟②①）木塊在槽碼的牽引下運(yùn)動.

3.2 記錄數(shù)據(jù)

實驗原始數(shù)據(jù)是實驗的重要證據(jù).該環(huán)節(jié)常?？疾閷嶒瀮x器的讀數(shù)，力學(xué)和電學(xué)實驗的讀數(shù)注意點(diǎn)如圖10所示.

4 “解釋”的評價途徑

4.1 處理數(shù)據(jù)

處理數(shù)據(jù)就是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和分析，常常用計算法和圖像法，如圖11所示.

4.2 實驗結(jié)論

處理數(shù)據(jù)后，分析出實驗結(jié)論.例如，填寫計算的數(shù)值結(jié)果，寫出發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)規(guī)律，用已有知識進(jìn)行解釋等.

問題6：完成例題1（2）和例題2（4）.

答：例題1（2）可以將后面的18個間隔分成兩大段，按實際印刷大小，用Δx=aT2（要理解推論中的物理量）計算加速度.例題2（4）的結(jié)果為1.5×10-5，電阻

和橫截面積直接給了數(shù)值，有效長度為兩讀數(shù)之差.兩題均要注意單位換算.

問題7：完成例1（3）（4）.

答：如圖12所示.

由滑動摩擦力公式得f=μgM，可知f-M圖線的斜率為μg，則k=ΔfΔM=2.4-0.20.68-0=μg，解得μ=0.33.

5 “交流”的評價途徑

5.1 誤差分析

實驗的誤差是不可避免的.分析誤差時要反思實驗的過程和結(jié)果，尋找誤差的來源，并知道如何有效地減小測量誤差.系統(tǒng)誤差的來源途徑和減小偶然誤差的方法如圖13所示.

5.2 準(zhǔn)確表述

實驗問題討論的文字表述需要準(zhǔn)確、簡潔，要做到有問必答，并根據(jù)設(shè)問，順著命題者的思路和要求解答，關(guān)鍵詞要顯眼.

問題8：完成例1（5）、例2（5）.

答：例1（5）：甲同學(xué)，因為從f-M圖像可知實驗中存在紙帶和打點(diǎn)計時器的摩擦力f0，實際f=μMg+f0，用圖像法計算時，f0不會影響斜率;如果逐點(diǎn)計算，會將f0算作μMg的一部分，導(dǎo)致摩擦系數(shù)變大，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差;例2（5）：同意，因為按教材的方法電表內(nèi)阻導(dǎo)致實驗誤差更大.建議：對教材的經(jīng)典實驗要非常熟悉，才能比較、遷移.

總之，紙筆測試中評價科學(xué)探究要素的途徑是具體的實驗環(huán)節(jié)，目的是考查考生的科學(xué)探究能力.如何提升學(xué)生的科學(xué)探究能力？平時的教學(xué)中，教師要創(chuàng)造良好的實驗環(huán)境，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)方式，經(jīng)歷完整的實驗過程，寫好實驗報告，并鼓勵學(xué)生積極參加課外探究活動，提升實驗探究能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]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2020年修訂） [M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內(nèi)容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）：38-44.

（收稿日期：2021-09-25）

基金項目：江蘇省南通市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)培育的深度學(xué)習(xí)研究”（項目編號：JY2020010）.

作者簡介：程柱建（1977-），男，江蘇如皋人，碩士，中學(xué)高級教師，教研員，研究方向：中學(xué)物理課程與教學(xué)、教師隊伍建設(shè)研究.