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高考物理实验考查为何青睐电路实验

编辑: 路逍遥 关键词: 高中物理 来源: 逍遥右脑记忆


物理学是一门实验科学,物理学的研究和发展都离不开实验。因此,在物理的教学过程中,必须重视实验教学,注重对学生进行实验技能、实验方法和实验思想的培养,进而培养和提升学生观察现象、分析现象,以及发现问题、提出问题、解决问题的能力。此外,实验还有利于学生养成实事求是的科学态度,树立“实践是检验真理的惟一标准”的科学世界观。鉴于此,实验能力对于学生的综合素质和未来发展具有重要意义。高考《考试说明》把“实验能力”作为一项能力考查项目,所占学科比例约为13%。纵观近几年的高考试卷,无论是物理单科卷,还是理科综合卷,旧课程卷还是新课程卷,也无论是全国统一试卷,还是各省市的地方试卷,对实验题的考查都几乎是选择了“电路实验”。为何高考物理实验考查如此青睐电路实验?笔者以为主要有以下三个原因。

一、高考实验考查的目标要求

《考试说明》明确指出:教学过程中的实验有助于加深学生对自然科学概念、原理和规律的了解,也有助于培养学生的科学态度和创新精神;实验能力也是考生将来从事科学研究的基础。并把“设计和完成实验的能力”作为五大能力要求之一,实验能力的考查包括:

(1)独立完成实验的能力。包括理解实验原理、实验目的及要求,了解材料、用具的用途和使用方法,掌握实验方法步骤,会控制实验条件和使用实验仪器,会处理实验安全问题,会观察、分析和解释实验中产生的现象、数据,并得出合理的实验结论。

(2)能根据要求灵活运用已学过的物理学理论、实验方法和仪器,设计简单的实验方案,并处理相关的实验问题。

从上述要求可以看出高考对实验的考查,不仅包括实验操作技能和处理实验问题的能力,还包括思辨性的假设和猜想、逻辑性的分析和论证、准确性的测量和记录、严密性的推理和清晰科学的表达,是对学生进行全面的科学素养和综合能力的考查。而具备这种全方位、多功能考查内容的实验题,必然是高考的首选。

二、《考试说明》的“实验知识内容”

在2005年《考试说明》物理科“知识内容表(新课程)”的131个知识点中,实验有19个,占14.5%,这与实验分数约占15%的比例相吻合。实验考查的“内容和说明”如表1。

表1

从表中不难看出:

(1)在高考考查的19个实验中,涉及电路的实验有5个,占26.3%,它们分别是测定金属的电阻率(同时练习使用螺旋测微器)、描绘小电珠的伏安特性曲线、把电流表改装为电压表、用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻、用多用电表探索黑箱内的电学元件。这些实验在实验原理、实验器材、实验方法、实验技能和实验思想等方面具有内在的统一性。

(2)从“说明”中可以看出,实验考查要求会使用的仪器主要有13个,其中刻度尺、天平、弹簧秤、温度表等的使用,已在初中进行系统、重点的学习和考查,而与电路实验相关的器材有电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱、螺旋测微器等,占38.5%;此外,电路实验还凸显对误差问题的分析和研究,主要涉及仪器的选择、电路的组装、数据的读取和处理等,这也使试题更具探究性和时代性,强化了试题的选拔性功能。可见,高考选择电路实验进行考查,能最大限度地覆盖《考试说明》中给定的实验知识点,最大限度地满足“说明”中所强调的相关要求。

三、电路实验的特征和考查功能

众所周知,实验是物理学的基础。通过观察、测量和有计划的实验活动去认识自然、发现自然的规律,验证猜想和假设,并进行再创造,是科学工作者的基本素养。由于高考自身的局限性,高考物理力图通过笔试的形式,鉴别考生是否具有实验的经历和体验,是否具有进行实验研究的基本素养。鉴于此,高考着重考查《考试说明》中给定实验的原理、方法和器材重新组合的新实验,力求编制开放性、设计性较强的试题,以测试考生独立解决新问题的能力和“迁移”能力。而电路实验题所具有的一系列特征,较好地体现了高考实验的考查功能。

1.设计性

设计性物理实验,是让考生根据掌握的实验原理、实验器材和实验方法,设计和完成新的实验,它包含着新内容、新方案、新视角等诸多侧面。电路实验中,除伏安法、多用电表法以外,还有电桥法、双电阻法、单电阻法、等效替代法和半偏法等,各种方法均具有相应的科学性、简捷性、精确性和便利性。例如2003年全国高考理综试卷的实验题(题略),第1小题属于电路的设计,涉及伏安法电路(外接法和内接法)和滑动变阻器电路(分压器和限流器);第2小题属于数据处理的方案设计,涉及实验误差、数据的取舍、描点作图和图像的物理意义。

2.探究性

这是更高的思维活动层次,主要是考查学生综合运用所学实验的能力、收集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力,以及实验创新能力。电路实验涉及的知识点较多,如电表(量程)的选择、电表的调节和校准、伏安法电路的“外接法”“内接法”和“试接法”;滑动变阻器电路的分压器和限流器、电表的改装、电路的组合和数据处理、误差分析等。在实验方法上又涉及类比法、逆向思维法、综合法等,这为探究性实验题提供了广阔的空间和丰厚的素材。例如1998年全国高考物理试卷实验题(题略)第2小题中设定电流表每个分度表示的电流值未知,但指针偏转的角度与通过的电流成正比,求测未知电阻Rx的值。这种新情境给人的初步感觉是“电路中的电流无法测量”,但据题设令I=kα,带入第1小题的结果(表达式),即可得到未知电阻Rx的值;再如2000年全国高考物理试卷的实验题(题略),要求测量电流表的内电阻,要求方法简捷,有尽可能高的精确度,并能测出多组数据。本题涉及实验器材的选择(量程选择)和电路的组装(电路图),还要求写出待测电阻的表达式(分析和计算)。而实验电路的设计,如图1a,充分体现了电路实验的探究性。

3.灵活性

在以上的叙述中我们知道,电路实验具备的考点非常多,包含的物理学思想和实验方法也十分丰富,无论是考查实验操作、数据处理,还是考电路设计、误差分析,甚至是考综合、探究和创新的能力,都可以在电路实验中找到最佳的落脚点,设计出富有新意的、符合新课程理念和时代特征的开放性试题。近几年的全国统一高考和各地市单独考试的物理实验试题,几乎都是以电路实验为主要考查点,考查的内容、形式和要求各具特色、精彩纷呈。如2000年全国统一高考理综试卷的实验题(题略),是要求测量出“黑箱”中的电阻的阻值,如图1b。本题的解法很多,但不同的操作方法,导致解题的难易程度不同,其中比较简捷的方法是“灵活地应用导线短接电路”进行测量(解法略)。

图1

4.思想性

这是高考试题的灵魂所在。物理学的思想方法是辩证的思维方法,具有直观的、逻辑的、想象的和美的特质。电路实验彰显了物理学的思想方法和实验特征,能够最优化地实现高考实验的考查功能。例如2004年全国统一高考理综试卷的实验题(题略),就综合地考查了如下丰厚的物理学思想。

(1)“迁移”和“回归”思想。题中给定的量程为150mV的电压表,其实就等效于灵敏电流计G,可以充当“表头”,这样就自然回归为“电流表的改装”,即由表头并联分流电阻而成。虽然《考试说明》中只要求掌握“把电流表改装为电压表”实验,但这两种电表的改装在实验原理、器材和方法上如出一辙。

(2)发散思维。试题中给定了电压表内阻测量的电路图,要求作出对改装后的电流表进行校准的电路图。比较两个电路图可知:二者有变和不变之分??变化的是题图中滑动变阻器的“分压器电路”变化为答案的“限流器电路”;不变的是改装后的电流表与标准电流表的串联方式(电流相等)。

(3)求异思维。本题在考查中尽量回避已学过的现成实验,要求考生在迁移、回归和发散的思维过程中“见异求同,见同求异”,找寻改装电流表和改装电压表在理论上和实验操作上的异同点,从而完成实验的设计和问题的解决。

总之,电路实验由于具备开放性、设计性、探究性、灵活性和思想性等多个维度的考查功能,能凸显新课程的基本理念,符合高考的选拔性需要,因而备受高考的青睐。在平时的教学和复习中,理应以电路实验为突破口,强化实验目的和原理、实验设计和条件控制、实验仪器的使用和维护、数据处理和误差分析等各个环节的实践和训练,努力培养和提高学生的实验素养和创新意识。只有这样,才能以不变应万变,才能进行创造,才能在高考选拔中应付自如。


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