2020年高考物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技能的考查特征分析

王芳蘇 袁海泉

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215006)

1 實(shí)驗(yàn)題的考查要點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理考查方式

實(shí)驗(yàn)題歷來重視對基本儀器的讀數(shù)、操作和對作圖能力、數(shù)據(jù)分析處理能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和探究能力的考查.高考實(shí)驗(yàn)題一般以定量實(shí)驗(yàn)為主，這就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理.對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理時，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理、要求以及限制條件，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行理性的分析，運(yùn)用學(xué)過的物理知識和有關(guān)的數(shù)學(xué)方法(如解析法、圖像法、列表法等)得出合理的結(jié)論.許多學(xué)生認(rèn)為所謂的數(shù)據(jù)處理不過是對實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最后得出一個實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)規(guī)律而已.其實(shí)不然，數(shù)據(jù)處理不單純是實(shí)驗(yàn)后的數(shù)學(xué)運(yùn)算問題，而是滲透在從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的全過程之中，它是物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分.

2020年全國高考共有10套試卷，分別是全國卷Ⅰ、全國卷Ⅱ、全國卷Ⅲ、新高考卷Ⅰ(山東使用)、新高考卷Ⅱ(海南使用)，北京、天津、上海、浙江、江蘇自主命制各一套.不同試卷均有一道力學(xué)和一道電學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)題，分值在10～18分的范圍內(nèi).從分值、考查范圍、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、考查要點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理考查形式出發(fā)，細(xì)致分析可以得到表1.

表1 2020年高考物理實(shí)驗(yàn)題考查要點(diǎn)和考查方式

由表1可見，實(shí)驗(yàn)題的考查范圍集中在課程標(biāo)準(zhǔn)中要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，力學(xué)以運(yùn)動學(xué)實(shí)驗(yàn)為主，電學(xué)的考查則以伏安法測電阻的實(shí)驗(yàn)為主.總體難度適中，數(shù)據(jù)處理為考查的重點(diǎn),符合《考試說明》中明確提出“會記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論，對結(jié)論進(jìn)行分析和評價”的要求，數(shù)據(jù)處理已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)題的必考部分.

2 物理實(shí)驗(yàn)題數(shù)據(jù)處理技能的考查特征

2.1 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)推斷實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方案 增加了實(shí)驗(yàn)的綜合性和創(chuàng)新性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果有多種表現(xiàn)形式，大多數(shù)以表格的方式展現(xiàn)豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也會以圖像的方式展示各因素之間的函數(shù)關(guān)系.對實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的分析是科學(xué)探究過程中的重要環(huán)節(jié)，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)是形成結(jié)論的根據(jù)，也正是科學(xué)探究能力中“證據(jù)”要素的體現(xiàn).2020年實(shí)驗(yàn)試題就考查了從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差、圖像角度選擇實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)條件，與具體的實(shí)驗(yàn)情境相結(jié)合，評價學(xué)生的推理能力、圖像分析能力、有效數(shù)據(jù)提取能力，增加了實(shí)驗(yàn)的綜合性和創(chuàng)新性.

圖像具有形象、直觀反映物理量間的變化規(guī)律等特點(diǎn)，圖像的斜率、截距、橫縱坐標(biāo)、交點(diǎn)甚至面積都有一定的物理意義，圖像的描繪、從圖像中獲取、發(fā)現(xiàn)有用的信息進(jìn)而求解相應(yīng)物理量是高中學(xué)生應(yīng)具備的基本能力.依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的圖像設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案，是數(shù)據(jù)處理技能考查的一條路徑.如全國卷Ⅲ第23題(圖1所示)，用伏安法研究熱敏電阻阻值隨溫度的變化關(guān)系，考查了數(shù)據(jù)計(jì)算和讀取圖像數(shù)據(jù)的能力，新穎點(diǎn)在于利用熱敏電阻做警報(bào)器，用R-t圖像中的數(shù)據(jù)推理報(bào)警器中熱敏電阻所處的位置,并求出另一個定值電阻的阻值.考查的是利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和選擇實(shí)驗(yàn)條件.再如上海卷第8題，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中,得到了Ek-θ圖，由結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行推理得到擺長.還有全國卷Ⅰ第22題,考查伏安法測電阻的實(shí)驗(yàn)，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的U-I圖像，由直線斜率去推斷實(shí)驗(yàn)的電路連接方式(“外接法”“內(nèi)接法”)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差考慮實(shí)驗(yàn)方案的選擇.

圖1 高考全國卷Ⅲ第23題題圖

除了依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差和圖像考查實(shí)驗(yàn)方案的選擇外，還考查了由實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)推斷實(shí)驗(yàn)條件.如全國卷Ⅲ第22題驗(yàn)證動能定理實(shí)驗(yàn)，通過對紙帶的數(shù)據(jù)處理得到速度，再反向推理需要的其他實(shí)驗(yàn)條件，山東卷第14題對“測量電源電動勢和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行考查，將得到的數(shù)據(jù)描點(diǎn)、作圖，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果推理所選擇的定值電阻.浙江卷也在第18題測量干電池的電動勢和內(nèi)阻，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直線進(jìn)行分析，選擇對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，并依據(jù)圖像求出電動勢和內(nèi)阻.

2.2 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)考查實(shí)驗(yàn)誤差 增加了實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性和科學(xué)性

實(shí)驗(yàn)誤差存在于實(shí)驗(yàn)過程，對實(shí)驗(yàn)誤差的分析是準(zhǔn)確完成實(shí)驗(yàn)必不可少的能力.通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分析，可以判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否真實(shí)地反應(yīng)了實(shí)驗(yàn)規(guī)律.誤差分析也是實(shí)驗(yàn)題的?？键c(diǎn)，從得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)出發(fā)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差的分析，能夠培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)精神，有利于學(xué)生探究能力的提升，增加了實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性和科學(xué)性.2020年在此方面考查了7次，如全國卷Ⅰ第22題用U-I圖像(圖2)進(jìn)行誤差分析，對比兩條直線之間的差異求出待測電阻并計(jì)算系統(tǒng)誤差；第23題用實(shí)驗(yàn)條件求實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相對誤差.再如全國卷Ⅱ第22題，求定滑輪一側(cè)小球的加速度，用運(yùn)動學(xué)公式和牛頓第二定律求出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對比兩個實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，得到產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因.在新高考卷Ⅰ(山東卷)第14題第1小題、江蘇卷第10題第4小題、北京卷第16題第2小題中也有類似考查.

圖2 高考全國卷Ⅰ第22題題圖

2.3 由實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)考查儀器選擇和方案設(shè)計(jì) 引導(dǎo)關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程和背景

高考實(shí)驗(yàn)題以定量實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)儀器的選擇、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)經(jīng)常要以定量數(shù)據(jù)為依據(jù).一般為了完成一個物理實(shí)驗(yàn)，必然受到實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的制約，這些制約往往以具體的數(shù)據(jù)形式出現(xiàn)，對這些實(shí)驗(yàn)條件的準(zhǔn)確掌握和理解，是完成實(shí)驗(yàn)的首要條件，也成為高考的一個常考點(diǎn).根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)用物理規(guī)律和實(shí)驗(yàn)要求，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，選取合理的實(shí)驗(yàn)儀器以及連接方式，是設(shè)計(jì)性試驗(yàn)必備的能力.

實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)不僅考查對實(shí)驗(yàn)原理和要求的準(zhǔn)確掌握，還將數(shù)據(jù)與儀器、方案相關(guān)聯(lián)，考查數(shù)據(jù)計(jì)算、推理和分析能力.如例1天津卷第9題第2小題，測量電源電動勢和內(nèi)電阻，通過實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)的推理選擇合適的實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)背景，對實(shí)驗(yàn)的原理準(zhǔn)確掌握.

【例1】(2020年高考天津卷第9題)(2)某實(shí)驗(yàn)小組選用以下器材測定電池組的電動勢和內(nèi)阻，要求測量結(jié)果盡量準(zhǔn)確.

電壓表 (量程0～3 V，內(nèi)阻約為3 kΩ)

電流表 (量程0～0.6 A，內(nèi)阻約為1 Ω)

滑動變阻器 (0～20 Ω，額定電流1 A)

待測電池組 (電動勢約為3 V，內(nèi)阻約為1 Ω)

開關(guān)、導(dǎo)線若干

①該小組連接的實(shí)物電路如圖所示(圖3)，經(jīng)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)電路中有一條導(dǎo)線連接不當(dāng)，這條導(dǎo)線對應(yīng)的編號是.

圖3 2020年高考天津卷第9題圖

再如全國卷Ⅲ第23題，根據(jù)題目給的實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)，在所給的器材符號之間畫出連線，組成測量電路圖，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的重視.還有全國卷Ⅰ第22題，山東卷第12題中也有類似的考查.

2.4 由實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)推算實(shí)驗(yàn)結(jié)果 注重實(shí)驗(yàn)原理和方法的理解與遷移

科學(xué)規(guī)律只有經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才具有普遍性，這就依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)處理，才能使規(guī)律驗(yàn)證的過程更具有說服力.由已知的實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)推算實(shí)驗(yàn)結(jié)果是今年高考實(shí)驗(yàn)題中突出的考查方式，推算中注重實(shí)驗(yàn)原理和方法的理解與遷移，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)中科學(xué)推理、科學(xué)論證要素和證據(jù)意識的考查.

例如全國卷Ⅰ第23題驗(yàn)證動量定理，運(yùn)用了題干給的實(shí)驗(yàn)條件推理沖量和動量變化的關(guān)系，并求出相應(yīng)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)誤差.還有全國卷Ⅱ第23題研究小燈泡的伏安特性，根據(jù)電路圖寫出小燈泡兩端的電壓和電流代數(shù)式，運(yùn)用題干中的實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)求出小燈泡的安全電流并計(jì)算燈絲的電阻，題目的新穎處在于用實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)推理出能夠測量完整的伏安特性曲線的最小電阻值.

【例2】(2020年高考全國卷Ⅱ第23題)(3)實(shí)驗(yàn)時，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使開關(guān)閉合后兩電流表的示數(shù)為零.逐次改變滑動變阻器滑片位置并讀取相應(yīng)的I1和I2.所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在表2中給出.

表2 I1和I2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可算得，當(dāng)I1=173 mA時，燈絲電阻R=Ω (保留1位小數(shù)).

如果用另一個電阻替代定值電阻, 其他不變，為了能夠測量完整的伏安特性曲線，所用電阻的阻值不能小于Ω(保留1位小數(shù)).

3 對教學(xué)的建議

3.1 實(shí)驗(yàn)習(xí)題教學(xué)應(yīng)聯(lián)系真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)習(xí)題中設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)情境較多，教學(xué)往往注重演算，而缺少描述和抽象的過程，對物理現(xiàn)象和物理事實(shí)把握不夠.實(shí)驗(yàn)試題改革的方向之一，就是依據(jù)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行全面而系統(tǒng)的考查.2020年高考物理實(shí)驗(yàn)試題體現(xiàn)了這一方向，這就要求實(shí)驗(yàn)習(xí)題教學(xué)應(yīng)在真實(shí)的情境中進(jìn)行，重視學(xué)生與物理現(xiàn)象的多向性交互作用，以保證學(xué)生在真實(shí)情境中強(qiáng)化知識的建構(gòu).具體到教學(xué)上，教師可以通過演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)有效的真實(shí)情境，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入情境，得到客觀真實(shí)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)他們找到物理規(guī)律.

3.2 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程體驗(yàn)

《考試大綱的說明》要求“加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作技能的考查，將親手做過實(shí)驗(yàn)與沒有做過實(shí)驗(yàn)的考生區(qū)分出來；加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)分析能力的考查，將做過實(shí)驗(yàn)并深入思考實(shí)驗(yàn)的考生與做了實(shí)驗(yàn)但不思考的考生區(qū)分開來；加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)全過程整體思考的考查，把基于實(shí)驗(yàn)原理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的內(nèi)在邏輯考查出來”，這就要求高考評價必須基于核心素養(yǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考査.物理實(shí)驗(yàn)題是高考中最具活力和創(chuàng)造性的題型，現(xiàn)行課標(biāo)規(guī)定了21個學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，涵蓋了全部的實(shí)驗(yàn)類型(即觀察性實(shí)驗(yàn)、測量性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)).不同類型的實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生的能力要求不一樣，只有學(xué)生親自動手做實(shí)驗(yàn)，充分體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，關(guān)注實(shí)驗(yàn)操作中的細(xì)節(jié)，深入理解實(shí)驗(yàn)原理和規(guī)律，掌握數(shù)據(jù)處理的技能，才能夠更好地、循序漸進(jìn)地提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?實(shí)驗(yàn)教學(xué)是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體，我們應(yīng)該把培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、促進(jìn)學(xué)生終身發(fā)展作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn).

3.3 關(guān)注實(shí)驗(yàn)問題解決中的邏輯推理能力訓(xùn)練

今年高考物理實(shí)驗(yàn)題不僅重視課本實(shí)驗(yàn)，而且要求對實(shí)驗(yàn)的原理規(guī)律、操作步驟、誤差來源等充分理解和掌握，以核心素養(yǎng)為依據(jù)，對21個必做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，考查考生的綜合分析能力，培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)和科學(xué)推理的學(xué)科素養(yǎng).由“果”尋“因”，知“因”問“果”已成了數(shù)據(jù)處理的主要考查方式，無論是從結(jié)果出發(fā)去尋根溯源，還是順著研究方向去知因問果，都離不開數(shù)據(jù)在其中的作用.數(shù)據(jù)以“因”的面貌出現(xiàn)，要求學(xué)生尋找線索，在數(shù)據(jù)中找到突破點(diǎn)，考查創(chuàng)新思維和運(yùn)用物理知識綜合分析能力.數(shù)據(jù)可以以“果”的形式出現(xiàn)在表格、圖像和題干中，在考查求異思維和發(fā)散思維方面有其獨(dú)特的功能，不僅回避已學(xué)過的現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)，而且又恰到好處地考查了考生在遷移、回歸和發(fā)散的思維過程中見異求同，見同求異的能力.因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須關(guān)注實(shí)驗(yàn)問題解決中的邏輯推理能力訓(xùn)練，這樣的訓(xùn)練有利于培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng).