IGCSE考试中水温变化实验笔试考核的分析与研究

张敏玥 袁海泉

摘要：笔试题是我国中考、高考物理实验技能考查的重要方式，有必要研究实验笔试题的考查功能.本文通过分析IGCSE物理实验笔试卷，总结出水温变化实验重点考查了学生实验数据处理技能、实验误差控制与分析技能和实验设计技能.据此，提出了对我国初中物理实验教学和命题的建议.

关键词：物理实验;IGCSE考试;水温变化实验

作者简介：张敏玥（1997-），女，上海人，本科生在读，研究方向：中学物理教学;

袁海泉（1962-），男，江苏南京人，硕士，副教授，研究方向：物理教学论.物理学是一门以实验为基础的科学.物理学科的核心素养是学生在物理学习过程中逐步形成、长期积累的行动习惯和关键能力[1].中学生不仅要掌握物理基础知识，还应学会物理实验的基本方法和技能，培养良好的科学素质与创新精神.目前，我国中学物理实验的考查基本采用笔试方式，而IGCSE用笔试方式考查学生实验技能已有多年历史，因此研究IGCSE实验笔试卷如何评判学生实验能力很有价值.

1IGCSE考试物理试卷结构简介

IGCSE（International General Certificate of Secondary Education）是由国际剑桥考试委员会主办，面向14-16岁学生的国际普通中等教育认证的简称.IGCSE考试主要在每年的夏季（5-6月）和冬季（11-12月）进行两次测试，每次物理考试有6份试卷（Paper 1-Paper 6），每份试卷针对不同考区有3套试题.

学生可以选择考试的难度.参加核心课程内容考试的学生，考Paper 1、Paper 3以及Paper 5或者Paper 6;参加拓展课程内容考试的学生，考Paper 2、Paper 4以及Paper 5或者Paper 6.概括起来，IGCSE物理学科试卷结构如表1所示.

2 IGCSE物理学科课程要求

在研究笔试题之前，我们有必要分析课程要求.笔者选取了2019年版的IGCSE物理教学大纲（syllabus）[2]进行分析.特别说明的是，IGCSE每年更新一次教学大纲，虽然它在内容编排、说明上更接近于我国的考纲，但是在指导教师教学与考生考试方面，IGCSE教学大纲与我国的课程标准作用一致.

表2呈现了2019年IGCSE物理教学大纲中的评价目标（assessment objectives）以及各个评价目标在IGCSE物理学科考试的各份试卷中的比重.

从“实验技能和探究”目标在IGCSE实验笔试卷中比重为100%，我们可以发现实验笔试卷重点评价学生的“实验技能和探究”能力，弱化了对“知识点的了解”以及“处理信息和解决问题的能力”的考查.

其中，“实验技能和探究”目标对考生的具体要求为：（1）能安全地使用技术、仪器和材料;（2）能制定实验和调查计划;（3）能进行实验并记录观察结果、测量数据和估计值;（4）能解释并评估实验结果和数据;（5）能评估实验方法并给出改进建议.此外，教学大纲还列出了17个考生应具备的能力，对实验技能提出了具体的要求，这里本文不再一一赘述.

3水温变化实验考查频度分析

笔者查阅了近年来IGCSE物理实验操作卷（Paper 5）和实验笔试卷（Paper 6），发现操作卷与笔试卷题型类似.因此，选取了2015-2017年夏、冬两季各考区共18套实验笔试卷（Paper 6）为研究对象.通过阅读与研究实验笔试卷，笔者发现水温变化题有研究价值.

水温变化实验笔试题目考查频度很高，18套试卷中共有17套试卷、18道试题.据表3统计，该实验的平均占分比为20.6%，2016年夏季（考区1）卷占分比最高为30.0%，而最低占分比为17.5%.虽然不同季不同考区的实验笔试卷中水温变化实验题的分值会略有波动，但是它的考查频度比国内中考卷高得多，因此值得进一步研究.

4水温变化实验笔试题的实验技能考查分析

综合分析真题的考核功能，对于研究如何评判学生的实验能力至关重要.笔者从IGCSE水温变化笔试题的考核功能出发，分析出其技能考核主要集中在以下三个方面.

4.1实验数据处理技能

IGCSE对于学生处理数据的能力要求较高.教学大纲对于表格、图像以及数值结果都有明确的要求，考题对作图的要求尤为严格.因此，笔者以作图法处理实验数据为切入点，研究IGCSE对实验数据处理技能的考查.

以2015年夏季 （考区1）第二题为例，示意图如图1.题干描述的是一位同学用温度计测量了烧杯中热水的初始温度，然后让热水自然冷却并每30秒记录水温.试题要求考生填写表头中的单位与初始温度、画出水温随时间变化的图像、陈述水冷却速率变化的特征并根据图像阐述理由.

本题共计9分，其中用作图法处理实验数据占5分，并且试题仅提供网格，没有任何其他提示.相比较而言，我国中考卷考查作图法的频率更低，并且要求更低，大多试题提供的网格都标明了原点、自变量、因变量，甚至标明了横轴与纵轴旁的数据;而我国近十年江苏省物理高考卷有九年涉及作图题，考查频率很高.结合表4中IGCSE作图题的评分细则，我们可以发现IGCSE非常重视学生的实验数据处理技能.

图像相较于表格更加简明、直观，可以帮助学生定性地理解实验规律.此外，用作图法处理数据的题型具有很强的真实情景性，能反映考生对实验方案的理解程度、引导学生减小实验中的偶然误差.笔者认为我国中考的命题方式考查學生的实验技能较少且不利于提高学生分析数据、处理数据的能力.

4.2实验误差控制与分析技能

虽然初中物理实验较为简单并且对精度的要求不高，但认真分析实验误差来源、改进实验方案能提高学生分析问题的能力，有助于培养学生严谨认真、实事求是的科学态度.IGCSE实验笔试卷在实验前、实验中和实验后均不同程度地考查了学生实验误差控制与分析技能，具体表现如下.

4.2.1实验前分析环境与仪器的影响

2015-2017年IGCSE实验笔试的18套试卷中有18道水温变化实验试题，其中有12道考查了温度计的使用（包括了4道开放性实验设计题），具体设问为“请说明一条预防措施以确保温度计的示数尽可能的可靠”.该类题型一般只要考生写出1-2条预防措施即可取得该项满分，笔者总结了参考答案，具体如下.

（1）等温度计示数不再上升后读数.

（2）垂直于温度计读数/在与视线水平方向读数.

（3）读数前搅拌液体.

（4）温度计测温泡放在水的中央/不接触烧杯.

（5）保持温度计在同一深度.

（6）把秒表放在接近温度计的位置/快速读出示数/保证适时读数/各操作之间没有不当延误.

从参考答案中可以发现，IGCSE考试鼓励考生从仪器的使用、变量的控制、读数的同时性等多方面分析问题，消除实验中与个人读数反应能力、温度计放置位置、秒表放置位置等有关的偶然误差，以获得较为准确的实验数据.

4.2.2实验中发现、分析实际值与理想值的差异

IGCSE温度变化的试题关注实验中实际值与理想值的差异，这类试题具有很强的训练价值.以2016年冬季（考区1）第二题为例，题干描述的是：在探究水冷却时，一位同学将100cm3、88℃的热水倒入烧杯中，再倒入100cm3、19℃的冷水.他计算出了热水与冷水的平均温度为53.5℃，却发现实际测出的水温为46℃，小于平均值.为了减少热能的损失，试题要求考生利用有孔的盖子、绝热材料、两根橡皮筋设计实验，并写出实验中需要保持不变的实验条件.

类似地，2015年冬季（考区1）水温变化题也以此为背景设问，区别是题目将实验现象抛给考生，让他们分析造成实际水温与平均水温不同的影响因素，参考答案包括：（1）水向烧杯和周围环境放出热量/蒸发使水温降低;（2）读温度计示数时的时间延误;（3）测量体积时的误差.这里，参考答案忽略了温度对水密度的影响，并且没有从热容角度考查学生对知识点的理解与运用，而是从实验系统误差、实验规范的角度解释实际值与理想值的差异.

实验是发现、了解、探索自然规律的重要途径.虽然解决问题很重要，但是引导学生发现问题更有價值.分析实际与理想差异的题型能将学生从发现物理现象的层面引领到探究科学问题的层面，鼓励学生尊重实验现象，发现问题、解决问题.

笔者认为在命题时可以将以上两种命题思路结合，先使学生发现问题，然后引导学生分析造成实际值与理想值不同的原因，最后鼓励学生设计实验解决问题.这样，能更好地评判学生的实验能力.

4.2.3实验结束后强调优化实验的方法

优化实验的题型能调动学生的发散性思维、体验科学探究的趣味与艰辛、经历真实探究的全过程并培养学生严谨的科学态度.笔者总结了三种典型的题型，具体如下：

（1）直接考查实验中的无关变量

以2016年冬季（考区1）试题为例，要求考生写出两个保持不变的实验条件.参考答案如下：室温（或者其他环境因素）、冷水（初始）温度、热水（初始）温度、水的体积、烧杯的尺寸/形状/材料/表面积.这种设问方式简洁明了，旨在考查学生对自变量、因变量和无关变量的掌握程度以及学生思考的全面性.

（2）直接考查对仪器或实验步骤的优化

以2016年冬季（考区3）试题“探究液体表面积对水冷却效果”为例，要求考生写出一条对仪器的改进方法以及提出该方法的原因.这类题型的优化方法主要有：用绝热材料包裹烧杯壁、使用塑料烧杯、把烧杯放在垫子上、给烧杯加盖子/使用更厚或更绝热的盖子.回答原因时，一般考生只要提到使自变量成为实验中唯一的变量或者更少的热能从烧杯壁传导/向环境辐射即可.

（3）创设情境考查优化实验

以2015年冬季（考区3）“探究热传递”为例，题干描述的是一位学生做了两组实验，一组是将装有50cm3冷水的试管放入装有300cm3热水的烧杯中，另一组是把装有25cm3冷水的试管放入装有300cm3热水的烧杯中，他记录了试管与烧杯的温度变化.最后一问的情境为：某工业实验室的科学家们希望把这个实验看成是一种液体间热传递的模型.要求考生提出两条建议使冷水加热的效率更高并写出其中一条建议的原因.参考答案中针对优化仪器的建议有：给烧杯（或试管）加盖子、给烧杯包裹隔热材料、在试管里加棉絮、使试管有更大的接触面积.针对优化实验操作的建议有：使试管内冷水水位低于热水水位、运用水浴法.

此外，还有以学生视角创设情境的命题，以2017年夏季（考区1）试题为例.题干描述的是：冷却200cm3的热水，每180秒记录一次水温.根据表格中已有数据，0-180秒的温差θ1为11℃，180-360秒的温差θ2为8 ℃.倒数第二问情境为：另一位同学想要探究影响温差θ1和θ2的因素.要求考生提出两个操作变化使他能获得θ1和θ2差异更大的实验结果.本题实质上鼓励学生进一步思考如何将实验结果优化.

4.3实验设计技能

2016年夏季（考区1）、2016年冬季（考区2）、2017年夏季（考区2）以及2017年夏季（考区3）的温度变化题均以开放性实验设计的方式呈现.它们分别探究了绝热材料对水冷却的影响、加盖对水沸腾时间的影响、空气流动对水冷却的影响以及绝热材料层数对水冷却的影响.一般该类题型明确要求考生写出需要使用的仪器、需要控制的关键变量以及实验步骤.此外，还要求考生画出表格、写明表头、解释如何通过数据得出结论、阐述为了得到可靠的数据而采取的预防措施.

相比较而言，我国中考卷基本不涉及该类题型.笔者认为开放性实验设计能留出空间给考生发挥自己的聪明才智，避免了他们按照既定的步骤，“照方抓药”地思考问题，从而更好地将考生的实验能力与科学素养外显.

5对初中物理教学以及实验命题的建议

IGCSE物理学科考试在实验部分独立成卷，对学生实验技能的要求较高.对比之下，我国中考的实验探究题多出现在解答题部分并且重点考查学生对知识点的掌握.笔者认为这两种命题方式不存在绝对的好坏，可以学习IGCSE物理实验卷在实验技能考查上的优点的同时，保留自己的优点.在此，对初中实验教学和实验命题提出以下建议：

5.1渗透科学探究性思维

教师在实验教学时可以借鉴IGCSE开放性实验设计题，将实验仪器、清单（标明在设计实验方案时需要考虑的方面）提供给学生，引导学生积极分析实验原理、自主设计实验方案、主动反思实验步骤.特别是在创设实验情境时，教师不仅可以利用学生的认知矛盾（经验上的欠缺、经验型错误、思维定势）[3]，还可以学习IGCSE实验笔试卷中创设情境的方法，充分调动学生积极性.这样，使原本的演示实验转变为学生借助老师的“脚手架”后可以独立探究的实验，进而加深学生对知识的理解、提高他们的实验探究技能.

5.2淡化实验题对演绎推理能力的考查

演绎推理能力以及对知识点掌握程度的考查可以在选择题以及计算题部分体现，在实验探究题部分可以弱化对它们的考查.

5.3加强笔试题对实验技能的考查

在命题时，提高对学生实验设计技能、实验数据处理技能、实验误差控制与分析技能的关注.通过多样的命题思路使实验笔试题更具训练性与教育性，从而更好地将学生的实验技能外显，辅助教师评判学生的实验探究能力.

参考文献：

[1]曹义才.基于核心素养导向的中学物理实验教学表现性评价[J].物理教师，2016，37（07）：9-11.

[2]姜楠，袁海泉.英国IGCSE物理实验笔试特点分析及启示[J].中学物理，2019，37（12）：7-9.

[3]Syllabus Cambridge IGCSE Physics 0625 for examination in June and November 2019.

[4]周建军.创设物理实验情境，增强教学有效性[J].物理教学，2015，37（08）：20-21+78.

（收稿日期：2019-05-20）