如何突破电学实验瓶颈
——以广东新高考电学实验题为例

任富华

(广东省佛山市三水区教育发展中心)

一、试题展示,熟悉情境问题

(2022·广东卷·12)弹性导电绳逐步成为智能控制系统中部分传感器的敏感元件,某同学测量弹性导电绳的电阻与拉伸后绳长之间的关系,实验过程如下：

(1)装置安装和电路连接

如图1(a)所示,导电绳的一端固定,另一端作为拉伸端,两端分别用带有金属夹A、B的导线接入如图1(b)所示的电路中。

图(a)

(2)导电绳拉伸后的长度L及其电阻Rx的测量

①将导电绳拉伸后,用刻度尺测量并记录A、B间的距离,即为导电绳拉伸后的长度L。

②将滑动变阻器R的滑片滑到最右端。断开开关S2,闭合开关S1,调节R,使电压表和电流表的指针偏转到合适位置。记录两表的示数U和I1。

③闭合S2,电压表的示数________(填“变大”或“变小”)。调节R使电压表的示数仍为U,记录电流表的示数I2,则此时导电绳的电阻Rx=________(用I1、I2和U表示)。

④断开S1,增大导电绳拉伸量,测量并记录A、B间的距离,重复步骤②和③。

(3)该电压表内阻对导电绳电阻的测量值________(填“有”或“无”)影响。

(4)图1(c)是根据部分实验数据描绘的R-L图线。将该导电绳两端固定在某种机械臂上,当机械臂弯曲后,测得导电绳的电阻Rx为1.33 kΩ,则由图线可读出导电绳拉伸后的长度为________cm,即为机械臂弯曲后的长度。

二、试题分析,明晰考查方向

物理实验题是检验学生物理学科核心素养的重要工具,本题作为高校选拔的学业水平等级性考试试题,属于学业质量水平4的要求。课程标准明确了核心素养四个要素在各个水平层次的学业质量标准,其中,科学探究要素学业质量水平4要求如下：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。结合以上要求,试题分析如下。

本题情境新颖,与探究金属导体电阻与导体长度的关系实验相似,但又有不同。探究金属导体电阻与导体长度关系时,改变接入电路的导体长度,实际上就是在改变接入电路的对象。而本题是测量弹性导电绳的电阻与拉伸后绳长之间的关系,实验过程中接入电路的弹性导电绳是不变的,导电绳接入电路的长度变化是通过外力作用产生的。另外,题中用弹性导电绳代替普遍意义上的导体、用外力作用下导电绳伸长后的长度代替通过移动接触点改变导体的长度,这就会给学生一种全新的情境,迫使学生逐字逐句的读题、审题,让学生通过读题理解实验方案。将实验方法、步骤给出,意在降低题目难度。第一问让学生判断电压表示数的变化情况,属于动态电路知识,考查学生用已学知识在新情境中分析新问题,属于容易题,2选1的设置,意在让大多数学生都能拿分。第二问推导弹性导电绳电阻的表达式,考查学生分析数据、发现规律、得出结论的能力,在读懂实验过程的基础上,学生只需熟悉欧姆定律和并联电路特点即可作答,难度不大。第三问考查学生对科学探究过程与结果进行交流和反思的能力,不少学生习惯将此问与外接法测电阻联系起来,导致出错,要正确做对此问,需要理解实验步骤中电压表两次示数均为U的巧妙设计,由于也是2选1,完全不懂的学生靠运气反而会做对,作为此题难度最大的一问,没有发挥应有的价值,此问区分度应该较低。最后一问考查学生对实验结果或结论应用的能力,学生只需会读图,即可作答,难度较小,然而可能有部分学生错误以为最难的问题放在最后一问,因放弃作答而丢分。

利用电学实验题考查学生的科学探究素养,可从基于事实提出问题、猜想与假设、设计实验方案、设计电路、器材选择、操作步骤、数据记录、数据分析、结论表达、误差分析、实验过程评估、实验创新优化、结论应用等方面进行。当然,一道规范化的考试题不可能考查以上各个方面,只能根据情境选择几个方面,正如上面的例题。高考试题要面向所有考生,问题的设置视角要多维、难度跨度要大,考查综合能力的问题不宜以选择出现,应让学生进行相对完整的表达,呈现思维过程,只有这样,试题的区分度、信度、效度才会高,才能真正实现“服务选才,导向教学”的目的。基于此,笔者尝试对上述例题进行变式,在帮助读者更好地理解此类电学实验的同时,也能更好地实现试题的评价和导向功能。

三、变式研究,探索命题规律

将以上例题改编如下：弹性导电绳逐步成为智能控制系统中部分传感器的敏感元件,某学校兴趣活动小组测量弹性导电绳的电阻与拉伸后绳长之间的关系,实验过程如下：

(1)装置安装和电路连接

如图2(a)所示,弹性导电绳的一端固定,另一端作为拉伸端,两端分别用带有金属夹A、B的导线接入如图2(b)所示的电路中。

图(a)

(2)弹性导电绳拉伸后的长度L及其电阻Rx的测量

①将弹性导电绳拉伸后,用________测量并记录A、B间的距离,即为导电绳拉伸后的长度L。

②将滑动变阻器R的滑片滑到最右端。断开开关S2,闭合开关S1,调节R,使电压表和电流表的指针偏转到合适位置。记录两表的示数U和I1。

③闭合S2,电流表的示数________(填“变大”或“变小”)。将滑动变阻器R的滑片向________滑动,使电压表的示数仍为U,记录电流表的示数I2,则此时弹性导电绳的电阻Rx=________(用I1、I2和U表示)。

④断开S1,增大弹性导电绳拉伸量,测量并记录A、B间的距离,重复步骤②和③。

(3)有同学提出在步骤④中通过平移金属夹B来改变弹性导电绳接入电路的长度一样能完成实验,你认为该同学的想法________(填“合理”或“不合理”)。

(4)在步骤③中要控制电压的示数与步骤②中电压表的示数均为U,原因是________________________。

(5)图2(c)是根据部分实验数据描绘的R-L图线。将该弹性导电绳拉直并将两端固定在某种机械臂上,当机械臂弯曲后,测得导电绳的电阻Rx增加了140 Ω,则由图线可知机械臂弯曲前后弹性导电绳长度的变化量为________cm(保留1位有效数字)。

试题经过改编后,呈现以下特点：设问视角更多维,从原来的4个问增加到7个问,增加了对实验器材、实验原理、实验操作的考查,对学生科学探究素养要求更立体;7个问题难度跨度更大,能让学习困难生找到价值,让中层生找到位置,让学优生找到挑战,能让学生感受到“实验题得分并不难,得满分也不容易”,对实验教学有较好的导向作用;更注重表达能力的考查,在对实验难点相对完整的思维表达中考查学生的综合分析能力,提高了试题的区分度;最后一问从直接读取图像信息,变为从图像中获取信息并对信息进行处理的考查,对学生思维的要求有提升,更符合最后一问的特点。

四、备考建议,有效突破瓶颈

广东新高考物理将以往选考内容全部变为必考内容,考试范围扩大,老师们在备考过程中总觉得时间不够,备考节奏难以把握。虽然试题的难度相对以往全国Ⅰ卷有所下降,但老师们还没有及时转变观念。如何把握备考节奏,提高备考的针对性和有效性?那就是找到学科的规律、命题的规律和学习的规律,针对以上案例及分析,结合教学备考实际,对有效突破电学实验瓶颈提出建议如下。