纸笔测试中评价科学探究要素的途径

摘 要：纸笔测试中，科学探究是解决系列实验环节问题的过程.根据课标对科学探究的定义及科学探究水平4的描述，將科学探究的四个要素与学生熟悉的实验环节相对应.结合江苏省两次适应性考试实验题，给出了科学探究的四个要素的评价途径.

关键词：科学探究要素;实验环节;评价途径;纸笔测试

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）23-0007-05

1 科学探究要素的解构

1.1 课标关于科学探究的表述

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中明确指出：“科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力[1].”课程标准根据以上定义将科学探究概括为问题、证据、解释、交流四个要素.

课标将高中物理学业分五级水平，其中学业质量水平4是高考命题的依据.科学探究水平4的描述为“能分析相关事实或结论，提出并准确表述可探究的物理问题，作出有依据的假设;能制订科学探究方案，选用合适的器材获得数据;能分析数据，发现其中规律，形成合理的结论，用已有的物理知识进行解释;能撰写完整的实验报告，对科学探究过程与结果进行交流和反思[1].”

1.2 纸笔测试中科学探究要素的解构

基于中国高考评价体系，教育部考试中心将物理科所要求的实验能力与科学探究整合为“实验探究能力”[2]，并在高考时通过纸笔测试考查学生的这种能力.纸笔测试是测试考生已有的知识、方法和能力，考查考生在封闭的情境下独立作答的能力，所以纸笔测试中的实验题属于结构良好的问题.

众所周知，一份完整的高中实验报告一般包括以下几个环节：实验名称、实验者信息、实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤、实验数据记录和处理、误差分析和问题讨论.结合科学探究的定义和科学探究水平4的描述，将科学探究四个要素和物理实验报告的相关环节进行了拆分、分类和配对，如图1所示，以便于从实验环节的操作层面研究纸笔测试中科学探究四个要素的评价途径.纸笔测试中，在对一些问题讨论时需要准确的书面表达，在交流要素中增加了“准确表述”环节.

纸笔测试中，科学探究是解决系列实验环节问题的过程.实验探究能力考查的是解决实验题设问的能力，因为实验题的设问可以融入实验的相关环节，所以科学探究要素的评价途径也就体现为具体实验环节的考查方式.

1.3 两道适应性考试实验题

江苏省2021年两次适应性考试实验题关注了实验众多环节的考查，通过填空、作图、问答等多种的作答方式，很好地考查了学生的实验探究能力.本文以两次适应性考试的实验题为例，探讨科学探究四个要素的评价途径及相关问题解决的思路.

例题1 （2021年江苏1月适应性考试 12题）用如图2所示的实验装置测量木块与长木板间的动摩擦因数μ.把左端带有滑轮的长木板平放在实验桌上，载有砝码的木块右端连接穿过打点计时器的纸带，左端连接细线，细线绕过定滑轮挂有槽码，木块在槽码的牵引下运动.通过纸带测量木块的加速度，并测出木块与砝码的总质量M、槽码的总质量m，计算木块与木板之间的摩擦力f.改变M和m进行多次实验.

（1）下列实验操作步骤，正确顺序是_____.

①=释放木块

②接通打点计时器电源

③将木板固定在水平桌面上

④调节滑轮高度使细线与木板平行

⑤将纸带穿过打点计时器的限位孔并固定在木块上

（2）实验打出的一段纸带如图3所示.打点计时器的工作频率为50Hz，图中纸带按实验尺寸画出，则木块的加速度为____m/s2.

（3）甲同学测得的数据见表1.

请根据表中的数据，在方格纸（图4）上作出 f-M 图像.

（4）已知重力加速度g=9.80m/s2，可求得该木块与木板的动摩擦因数μ=_____.

（5）乙同学用（3）问表中的数据逐一计算出每次测量的μ值，取其平均值作为测量结果.他发现该值比甲同学在（4）问中得出的μ值大.你认为哪位同学的结果更准确，请简要说明理由.

例题2 （2021年江苏4月适应性考试 11题）某同学测量一根长直电阻丝的电阻率.按图5所示的电路用等效替代方法测出一段电阻丝的电阻：导线Ⅰ和Ⅱ先按图5中的实线连接，后按图5中的虚线连接.在上述两种情形下，当电流计的示数为零时导线Ⅰ和Ⅱ中无电流流过，电压UP1C=UP2B，则RP1B+R0=RP2B，由此可测得P1P2段的电阻为R0.R0的阻值已知，P1P2的长度通过固定在电阻丝旁的刻度尺读出.

（1）待测电阻丝的总电阻约20Ω，若有两种阻值的定值电阻：①10Ω;②30Ω.实验中R0应选用_____.

（2）根据图5中实线的电路，请用笔画线代替导线，将滑动变阻器连入图6所示的实物电路.

（3）按图6中实线连接好电路后，闭合开关S1和S2，接下来的正确操作顺序是_____.

①将导线Ⅰ连接在B上

②记下P1位置在刻度尺上的读数

③记下P2位置在刻度尺上的读数

④调节滑动变阻器的触头，使的示数为零

⑤改变导线Ⅱ连接在电阻丝上的位置，使的示数为零

（4）该同学多次更换定值电阻R.重复上述实验.当R0=15Ω时，记下P1的读数为70.00cm，P2的读数为20.00cm.用螺旋测微器测得电阻丝的直径，并计算出电阻丝的横截面积为0.500mm2.由此求得电阻丝的电阻率ρ=_____Ω·m.

（5）小明同学认为，与教材中“测量金属丝的电阻率”的实验方法相比，上述实验测得电阻的误差更小.你是否同意他的观点？请简要说明理由.

2 “问题”的评价途径

2.1 实验目的

纸笔测试中，一般会开门见山，题干的第一句话会明确给出实验目的，请注意圈划.

2.2 实验原理

实验原理指实现实验目的的物理规律（公式），要根据实验的目的来思考实验的原理.根据实现实验目的可以分为明确型、多样型，如果是未学过的则为创新型，如图7所示.例如，“测量电源电动势和内阻”的实验原理为闭合电路的欧姆定律，但是根据不同的实验仪器可以写出不同的表达式，可认为该实验的原理为多样型.

问题1：阅读例1、例2的题干，圈划实验目的，力学实验注意明确研究对象，写出实验原理，猜测需要测量的物理量.

答：例题1和例题2的实验原理均为明确型.例题1：实验目的为“测量木块与长木板间的动摩擦因数μ”.研究对象为木块，所用规律为滑动摩擦力的公式f=μFN，得μ=fFN，需要测量滑动摩擦力和木块与长木板间的弹力.例题2的实验目的为“测量一根长直电阻丝的电阻率”.所用规律为电阻定律的公式R=ρlS，得ρ=RSl，需要测长直电阻丝的电阻、横截面积和长度.

3 “证据”的评价途径

3.1 实验方案

实验方案是从操作的角度把实验原理具体化、程序化，即按照实验的原理设计实验的程序和步骤，实现对需要的物理量的测量，如图8所示.特别要注意的是，实验方案要完全根据命题者对题目的叙述或提供的线索来构思.

问题2：完成例2（1），并写出理由.

答：该问题考查的是器材选择.选择①，因为根据题干条件RP1B+R0=RP2B，待测电阻丝的部分阻值已经大于R0.

问题3：仔细观察例2图5中滑动变阻器的接法，在图5中完成例2（2）.

答：滑动变阻器连接时分两步进行，首先将变阻器的整个阻值与电源、开关相连，然后再连其他部分，如图9所示.

问题4：完成例2（3），并写出排序理由.

答：②④①⑤③（或④②①⑤③）.回到题干中去：按图5所示的电路用等效替代方法测出一段电阻丝的电阻：导线Ⅰ和Ⅱ先按图5中的实线连接，后按图5中的虚线连接.在上述两种情形下，（补充第一种情形的操作，步骤②，补充操作，根据题干排序，步骤④）当电流计的示数为零时导线Ⅰ和Ⅱ中无电流流过，（补充第二种情形的操作，步骤①⑤③）电压UP1C=UP2B，则RP1B+R0=RP2B，由此可测得P1P2段的电阻值为R0.

问题5：完成例1（1），并写出排序理由.

答：③⑤④②①.回到题干中去：把左端带有滑轮的长木板平放在实验桌上（根据题干排序，步骤③），载有砝码的木块右端连接穿过打点计时器的纸带（根据题干排序，步骤⑤），左端连接细线，（补充操作，步骤④）细线绕过定滑轮挂有槽码，（补充操作，参考经典实验的操作注意点，步骤②①）木块在槽码的牵引下运动.

3.2 记录数据

实验原始数据是实验的重要证据.该环节常常考查实验仪器的读数，力学和电学实验的读数注意点如图10所示.

4 “解释”的评价途径

4.1 处理数据

处理数据就是对原始数据进行运算和分析，常常用计算法和图像法，如图11所示.

4.2 实验结论

处理数据后，分析出实验结论.例如，填写计算的数值结果，写出发现的数据规律，用已有知识进行解释等.

问题6：完成例题1（2）和例题2（4）.

答：例题1（2）可以将后面的18个间隔分成两大段，按实际印刷大小，用Δx=aT2（要理解推论中的物理量）计算加速度.例题2（4）的结果为1.5×10-5，电阻

和横截面积直接给了数值，有效长度为两读数之差.两题均要注意单位换算.

问题7：完成例1（3）（4）.

答：如图12所示.

由滑动摩擦力公式得f=μgM，可知f-M图线的斜率为μg，则k=ΔfΔM=2.4-0.20.68-0=μg，解得μ=0.33.

5 “交流”的评价途径

5.1 误差分析

实验的误差是不可避免的.分析误差时要反思实验的过程和结果，寻找误差的来源，并知道如何有效地减小测量误差.系统误差的来源途径和减小偶然误差的方法如图13所示.

5.2 准确表述

实验问题讨论的文字表述需要准确、简洁，要做到有问必答，并根据设问，顺着命题者的思路和要求解答，关键词要显眼.

问题8：完成例1（5）、例2（5）.

答：例1（5）：甲同学，因为从f-M图像可知实验中存在纸带和打点计时器的摩擦力f0，实际f=μMg+f0，用图像法计算时，f0不会影响斜率;如果逐点计算，会将f0算作μMg的一部分，导致摩擦系数变大，产生系统误差;例2（5）：同意，因为按教材的方法电表内阻导致实验误差更大.建议：对教材的经典实验要非常熟悉，才能比较、迁移.

总之，纸笔测试中评价科学探究要素的途径是具体的实验环节，目的是考查考生的科学探究能力.如何提升学生的科学探究能力？平时的教学中，教师要创造良好的实验环境，让学生通过自主学习、合作學习、探究学习等多种学习方式，经历完整的实验过程，写好实验报告，并鼓励学生积极参加课外探究活动，提升实验探究能力.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） [M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径[J].中国考试，2019（12）：38-44.

（收稿日期：2021-09-25）

基金项目：江苏省南通市教育科学“十三五”规划课题“基于物理学科核心素养培育的深度学习研究”（项目编号：JY2020010）.

作者简介：程柱建（1977-），男，江苏如皋人，硕士，中学高级教师，教研员，研究方向：中学物理课程与教学、教师队伍建设研究.