聚焦科学探究素养，分析近三年全国理综Ⅰ卷物理实验题

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摘   要：全国高考Ⅰ卷对实验题的考查为第22题和23题，22题分值为5分，23题分值为10分，共15分。这还不包括选择题中对实验的考查。物理学科核心素养中的物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任在实验考题中都有所涉及。考查了学生对物理学科本质的深刻理解、运动与相互作用观念;重点体现了学科核心素养中的科学思维和科学探究两个方面。文章对近三年典型的实验考题进行分析，并指出物理学科核心素养在考题中的具体体现，指出在日常实验教学中需要注意的问题，强调不能以知识为目标引领教学，而应以物理学科核心素养来引领教学。

关键词：高考实验题;科学探究;科学推理;物理实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）8-0036-5

1    引  言

本文欲分析、提炼物理核心素养是如何在高考实验考题中进行考查的，从而对我们在今后的实验教学中应该如何培养学生的学科素养提出几点教学建议。围绕物理学科的特征与核心素养的内容，教师要思考创新课堂教学方法，借助实验教学手段激活中学生的创新意识与创新能力，提高物理课程教学的趣味性与有效性[1-2]。

2016—2018年全国理综Ⅰ卷物理高考实驗第22题和23题考查了3个学生实验和3个拓展实验。每年该两道实验题分值都为15分，占整个物理考卷分值的13.6%，详细统计在表1中列出。

从近3年全国高考理综Ⅰ卷实验考题所考查的实验内容和考查能力的分析可以看出，全国Ⅰ卷每年考1个力学实验、1个电学实验，并且这两个实验一般都是1个学生实验、1个拓展实验。连续3年电学实验考查了热敏电阻的温度特性曲线，2017年考查的正温度系数的热敏电阻（电阻率随温度的升高而增大）材料金属丝，2016年和2018年都是考查的负温度系数的热敏电阻（电阻率随温度升高而减小）材料半导体，并且这两种电阻的电阻率随温度的变化都不是线性的。

从能力的考查来分析，实验题目重点考查了实验仪器的工作原理、仪器的读数和选择，实验原理和实验设计能力，重在突出整个物理的探究过程，曲线物理意义的理解与灵活应用的能力[3-7]。

2    物理核心素养在考题中的体现

2016年的第23题是一道热敏电阻控制的报警系统实验题。

现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 °C时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器（内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警），电阻箱（最大阻值为999.9 Ω），直流电源（输出电压为U，内阻不计），滑动变阻器R1（最大阻值为1000 Ω），滑动变阻器R2（最大阻值为2000 Ω），单刀双掷开关一个，导线若干。

在室温下对系统进行调节。已知U约为18 V，Ic约为10 mA;流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏;该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 °C时阻值为650.0 Ω。

（1）在答题卡上完成待调节的报警系统原理电路图的连线（图1）。

（2）电路中应选用滑动变阻器________（填“R1”或“R2”）。

（3）按照下列步骤调节此报警系统：

①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为______Ω;滑动变阻器的滑片应置于______（填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是______。

②将开关向______（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至______。

（4）保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。

该实验题的关键核心在于当有火灾发生，温度上升至60 °C时，热敏电阻的阻值为Rx=650.0 Ω。此时要求必须报警，也就是确保这种条件下，流经报警器的电流达到10 mA，从而起到报警的作用。此时滑动变阻器的电阻值为R，满足如下方程

■=Ic

解得R=1150 Ω，所以滑动变阻器应该选择R2。同时，为了保证流经热敏电阻的电流不超过20 mA，使电路中的总电阻大于900 Ω。

本题考查了滑动变阻器在电路中的作用及其规格选择，串联、并联电路的相关计算，等效替代思想方法;难点是获取题中信息并转化为解题所需的条件，理解电路设计原理，理解调节电阻箱和滑动变阻器的意义。题目中体现了完整的科学探究的物理核心素养，通过题目已给条件，分析综合可知：先将电阻箱的阻值调到热敏电阻报警温度时的阻值，调节滑动变阻器，使报警器报警，从而确定整个系统的电路参数。

学生通过科学探究过程，在认识了科学本质、形成科学态度和社会责任感的基础上，设计和组装火警报警器，形成具有可持续发展的责任感。

2018年的第23题也是一道关于热敏电阻温度特性研究的实验题。

某实验小组利用如图2所示的电路探究在25 °C～80 °C范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有：置于温控室（图中虚线区域）中的热敏电阻RT，其标称值（25 °C时的阻值）为900.0 Ω;电源E（6 V，内阻可忽略）;电压表■（量程150 mA）;定值电阻R0（阻值20.0 Ω），滑动变阻器R1（最大阻值为1000 Ω）;电阻箱R2（阻值范围0～999.9 Ω）;单刀开关S1，单刀双掷开关S2。

实验时，先按图2连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0 °C。将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0;保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0;断开S1，记下此时R2的读数。逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 °C。实验得到的R2-t数据见表2。

回答下列问题：

（1）在闭合S1前，图2中R1的滑片应移动到           （填“a”或“b”）端;

（2）在图3的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2-t图线;

（3）由图3可得到RT在25 °C～80 °C范围内的温度特性。当t=44.0 °C时，可得RT=       Ω;

（4）将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图4所示，该读数为             Ω，则手心温度为          °C。

该题也考查探究一定温度范围内负温度系数的热敏电阻的温度特性，测量电路图中只用一个电压表来测量定值电阻两端的电压。该电阻的测量没有采用常规的伏安法来测量，而是采用等效替代的方法，分别将热敏电阻与电阻箱接入该电路中，调解电阻箱的阻值，使同一温度下接入热敏电阻和电阻箱时，定值电阻两端电压相等，此时电阻箱的读数等于该温度下的热敏电阻的阻值。描点、用光滑的曲线连接从而得到该热敏电阻的R-t特征曲线，这个过程相当于给该热敏电阻定標，该曲线也就是定标曲线。这样如果知道了热敏电阻的阻值，在曲线上就可以对应找到此时热敏电阻所在环境的温度;同理，如果知道了环境温度，也可以确定该环境下热敏电阻的阻值。第3和第4小问就是考查的该热敏电阻定标曲线的应用，即可以用来制作温度计。该题具有开放性和探究性，整个实验体现了物理核心素养中的科学探究。

3    实验教学的几点启示

3.1    注重物理学科的科学本质

物理学的建立是以实验为依据的， 学生如果仅学习书面上的物理知识就会忽略物理学的实质。在学生实验或者演示实验中，要注意深入理解物理学科的科学本质，凡事都要刨根问底。通过物理实验，培养学生严谨认真、实事求是、持之以恒的科学探究精神。

比如，2016年全国理综Ⅰ卷实验第22题考查了验证机械能守恒定律。其中，打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz。通过已知做自由落体运动的重锤打出的纸带的加速度约为0.99倍9.80 m/s2，反向求出纸带上相邻两点间的时间间隔，从而判断该打点计时器所用电源的频率约为40 Hz。2017年考查了滴水计时器。等时间间隔地滴下水滴，每30 s共滴下46滴水，则可以得到每相邻两水滴之间的时间间隔为0.667 s，从而可以通过滴在桌面上的水滴来计算小车做匀减速直线运动的加速度的大小。

电磁打点计时器是最基本的一种实验器材。在高一最初学习打点计时器的时候，一定要从最基本的原理出发。为什么能够打点，怎样打点，打点的时间间隔为什么是0.02 s，如果改变了交流电源的频率，那么打点的时间间隔也会随之而变。电火花打点计时器的原理又是什么，两个电极间为什么能够发出电火花放电，电火花脉冲的周期也是0.02 s。只有在学生真正掌握了打点或者滴水的科学本质，才能真正理解其计时的原理，才能万变不离其宗，做到灵活运用，增加学生学习物理的强烈愿望和兴趣。

3.2    重视物理基本概念和规律的形成与建立过程

科学思维是基于物理实验和经验事实来建构物理模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。

在追寻物理基本概念和规律的形成和建立过程中，培养学生在基于实验事实的基础上对不同观点和结论提出质疑和批判的精神，培养学生探索自然、认识科学本质，严谨认真、实事求是、持之以恒的科学态度和社会责任。

比如，2018年全国理综Ⅰ卷第22题主要考查了游标卡尺的读数，弹簧劲度系数的测量、胡克定律及其相关的知识点，意在考查考生灵活运用教材上游标卡尺的使用和探究弹簧的伸长与形变量的关系等实验知识的能力。在胡克定律的教学过程中，应该充分体现核心素养中的科学探究。科学探究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]。

我们在胡克定律这节实验探究课的设计是这样的：首先准备一个演示实验，将完全相同的三根弹簧并联在一起制作成两套拉力器，请一位男同学和一位女同学各拉一套拉力器，并让学生观察实验现象。学生很容易观察到实验现象：男生拉的弹簧伸长的长，女生拉的弹簧伸长的短。也有学生认为男生拉的弹簧长度长，女生拉的弹簧长度短。这都没有关系的，可以让学生探究弹簧伸长量与弹簧弹力大小的关系，也同时让部分学生探究弹簧的长度与弹簧弹力大小的关系。

以研究弹簧弹力与弹簧伸长量之间的关系为例，请学生分组讨论如何设计一套实验方案，探究弹簧弹力与弹簧伸长量之间的关系。有几组学生设计的实验是将弹簧一端固定，放在水平面上，另一端用弹簧测力计拉弹簧，读出弹簧测力计的示数即为弹簧拉力大小，弹簧伸长量用刻度尺来测量。教师在肯定学生实验设计方案的可取之处后，给学生指出弹簧重力将会导致弹簧与水平桌面之间存在摩擦力，从而导致弹簧测力计的示数可能不等于弹簧弹力的大小。采用学生另外的实验设计方案，将弹簧竖直悬挂，等不挂钩码的弹簧稳定静止时，调节刻度尺使零刻度线对齐弹簧红色指针。在弹簧弹性限度内，依次逐一悬挂钩码1～6只，分别测量出相对应的弹簧伸长量。学生在坐标纸上作出F-x函数图像，并求出函数表达式，从而得到弹簧弹力与弹簧伸长量之间的函数关系式。这样的探究实验教学过程再现物理学家探究物理规律的过程，在科学探究过程中提升了学生的物理学科核心素养。

1678年胡克写了一篇《弹簧》论文，向人们介绍了对弹性物体实验的结果，为材料力学和弹性力学的发展奠定了基础;我国东汉的教育家郑玄（公元127—200）为《考工记·马人》一文的“量其力，有三钧”一句作注解中写到：“假设弓力胜三石，引之中三尺，驰其弦，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺。”通过介绍我国东汉郑玄对弓弦形变的注释，激发学生的民族自豪感，逐渐形成探索自然的内在动力、科学态度和社会责任感。

3.3    充分利用教材中的演示实验

物理学是一门实验科学，物理实验伴随着整个物理学的研究过程，物理实验也应该伴随着整个物理教学过程。物理教学承载着多样的功能：展示物理学发展中的重要的历史过程，回顾某个科学研究的经历，对某一类现象的总结、归纳，对某一科学规律的研究方法，对某一个物理理论的深入理解，物理学在各个领域的应用等。这些功能的实现离不开物理实验教学的开展。只有通过教师在教学中不断地展示出各种实验，才能让学生对物理学的发展过程有所了解，对物理学的理论有深刻理解，对物理学的应用有较深刻的认识[8]。

物理实验内容丰富，充满趣味性，能够提高学生对物理课的兴趣。教材中的演示实验、科学漫步、思考与讨论、“做一做”栏目和“说一说”栏目等，这些环节在培养学生的科学探究方面具有重要的作用。

在学生实验和演示实验中，应发掘实验在培养学生发现和提出问题能力方面的潜在价值。教师可在一些物理实验中创设情境，让学生在观测和体验后有所发现、有所联想，萌发出科学问题。还可在实验中创设一些任务，让学生在完成任务中运用科学思维，自己提出应探究的科学问题[1]。

比如选修3-2《电磁感应》一章演示动生电动势实验，同时还可以验证地磁场的存在，通过十几米长的导线串联一只灵敏电流计形成一闭合电路，注意闭合电路连接灵敏电流计的一端放在地面上不动，另一端近10米导线东西方向放置，上下快速摆动做切割地磁场磁感线运动，从而在灵敏电流计上清楚地观察到感应电流。这个演示实验需要让学生亲自去做、去体验、去观察。场本身就是看不见、摸不到的十分抽象的物质。之前在学习的时候，只是看到对处于地磁场中的小磁针产生力的作用，就认为地磁场是存在的，缺乏直观的认识。通过这个实验则能直接观察到导线上下切割时，真的产生了感应电流。虽然仍然无法看到地磁场，但学生真真切切地感受到地磁场的存在。

3.4    注重物理仪器工作原理的深入理解

在各类物理实验中，我们可以直接观察物理实验现象，也可以定量地进行精确测量。在物理量的测量过程中，离不开精密的测量仪器，比如最基本的长度测量仪器刻度尺、游标卡尺和螺旋测微器等;电流、电压的测量仪器电流表和电压表;测量电阻、电容所用的万用电表;用来观察和测量电流、电压信号的示波器;测量磁场强度的特斯拉计等测量仪器。要想能够熟练地选取和使用实验器材，必须对实验器材的工作原理进行详细讲解和探讨。只有这样才能深入理解物理本质，才能更深入地掌握实验器材的工作原理，才能熟练选取和应用实验器材进行物理实验。

比如，我们在学习示波器的使用时，示波器的面板上有AC和DC两个旋钮。我们在学习的时候，不能只明白要观察的信号如果是交流电信号，就把旋钮拨到AC，如果是要观察直流信号，就把旋钮拨到DC。而是要和学生一起探究示波器的内部电路图，一起研究为什么DC就是观察直流信号，AC就可以觀察交流信号，内部电路究竟是什么样的。经过与学生一起研究，得到示波器AC/DC和衰减内部电路原理图如图5所示。

以衰减×10为例，当旋钮拨到AC时，利用电容器通交流的特性，交流信号通过电容后，然后通过两个串联在一起的特定比例的电阻，从下边电阻上取信号，输送到下一级两个互相平行的水平电极板上，使电子沿YY"方向偏转;而当旋钮拨到DC时，直流信号直接加在电阻分压器上，再输到YY"方向的偏转电极上。通过这样的学习，学生才能知道直流信号和交流信号究竟是怎样测量到的，后面才能真正做到灵活使用示波器。

4    小  结

物理实验是物理学习和研究的重要方法和手段，加强物理演示实验和学生实验的教学，不仅能够提高物理学科的教学效果、学生科学研究的责任与态度，还有助于培养学生的科学探究素养。无论是学生实验还是教材中的演示实验，每一个实验都要力求科学地准备、严谨地操作、细心地观察，并对实验现象进行解释，对实验数据进行分析和讨论，对实验过程进行改进和拓展。利用科学实验激发学生的求知欲望和兴趣，促进学生掌握知识、运用知识，培养学生的科学探究能力。

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[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]陈敏.完善物理实验教学 培养学生核心素养[J].科技资讯，2017（4）：170-172.

[3]程社宏， 程力.核心素养视角下的高考物理实验考查研究[J].物理教学，2018，40（6）：57-61.

[4]程力. 增强基础性和综合性 深化高考物理内容改革[J].物理教师，2016，37（5）：74-77，79.

[5]朱行建，罗成.高考物理探究性试题的主要类型及解决策略[J].物理通报，2017（5）： 2-5.

[6]陈吉利. 对中学物理实验的思考[J].中学物理教学参考，2018，47（11）：52-53.

[7]黄红波. 基于核心素养的物理实验探究测评框架探索[J].物理教师，2018，39（2）：16-20.

[8]彭梦华.中学物理实验研究[M].北京：高等教育出版社，2016：50.

（栏目编辑    陈  洁）

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