刘利澜 李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

力学实验是高考的重要考查内容，把握高考实验试题的命题特征能有效提高实验教学的效率．本文以自由落体运动实验为例，梳理2010-2019年间的22份高考全国卷力学实验，发现其中有4次考查了自由落体运动实验．实验的方法灵活，情境多变，实验目的不局限于测量重力加速度，实验装置亦不受打点计时器的束缚．命题角度和考查情境虽存在差别，但也按一定规律发展，将4个自由落体运动实验按命题特征可分为3类：原型实验、发展型实验、情境型实验[1]，赏析近10年全国卷自由落体运动实验的命题特点，以期对高中物理实验教学有所启示．

1 原型实验

该类实验与教材实验相差无几，以学科知识为实验情境，关注学生对实验的基础知识与技能的掌握情况，展现实验的整体性．

【例1】(2010年高考新课标第22题)利用图1所示的装置可以研究自由落体运动．实验中需要调整好仪器，接通打点计时器的电源，松开纸带，使重物下落．打点计时器会在纸带上打出一系列的小点．

(1)为了测试重物下落的加速度，还需要的实验器材有______(填入正确选项前的字母)

A．天平 B．秒表 C．米尺

(2)若实验中所得到的重物下落的加速度值小于当地的重物加速度值，而实验操作与数据处理均无错误，写出一个你认为可能引起此误差的原因__________．

图1 2010年高考全国新课标第22题图

2010年新课标力学实验试题重现了教材实验，选择性地考查了仪器选择和误差分析两方面的内容．第(1)问选择自由落体测重力加速度的实验仪器和第(2)问分析引起实验结果偏小的原因，都属于基础的内容．该题要求学生熟悉该实验操作过程，明确实验的误差来源，在具体的学科知识背景中考查学生的基本实验能力．该题具有一定的开放性，填空题的题型设置，渗透了对学生语言表达能力的考查．但仅以一道选择题和填空题考查学生对实验过程的理解，难体现学生对自由落体运动实验的掌握程度．

原型实验与教材实验基本相同，无法区分学生是具备实验能力还是“背记”了实验知识．因此，以原型实验为基础衍生了系列发展型实验，命题角度更加丰富，试题命制逐步从知识导向过渡到能力导向．

2 发展型实验

该类实验的特点是以原型实验为背景，通过实验原理、器材、步骤、数据采集做巧妙的改进以达到新的实验目的．将物理基础知识整合后迁移到新的实验情境中，对学生转换思想和构建模型的能力要求增高．

【例2】(2016年高考全国Ⅰ卷第22题)某同学用图2(a)所示的实验装置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220 Hz，30 Hz和40 Hz，打出纸带的一部分如图2(b)所示．

图2 2016年高考全国Ⅰ卷第22 题图

该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他条件进行推算．

(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图2(b)中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为______，打出C点时重物下落的速度大小为______，重物下落的加速度大小为______．

(2)已测得s1= 8．89 cm，s2= 9．50 cm，s3=10．10 cm；当重力加速度大小为9．80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%．由此推算出f为______Hz．

发展型实验虽设计新颖，但实验模型较为理想，较抽象的实验难以在现实场景中实现，因此，实验试题命制开始从能力导向的发展型实验走向素养导向的情境型实验．

3 情境型实验

该类实验具有两个明显的特征是情境性和实践性[2]，创设情境从以学科知识为背景的实验情境中过渡到以社会生活为主的实验情境中，情境性与实践性也是STSE的两个显著特征，体现了STSE情境化试题的命题思想[3]．

【例3】(2018年高考全国Ⅲ卷第22题)甲、乙两同学通过下面的实验测量人的反应时间．实验步骤如下：

(1)甲用两个手指轻轻捏住量程为L的木尺上端，让木尺自然下垂．乙把手放在尺的下端(位置恰好处于L刻度处，但未碰到尺)，准备用手指夹住下落的尺．

(2)甲在不通知乙的情况下，突然松手，尺子下落；乙看到尺子下落后快速用手指夹住尺子．若夹住尺子的位置刻度为L1，重力加速度大小为g，则乙的反应时间为______(用L，L1和g表示)．

(3)已知当地的重力加速度大小g=9．80 m/s2，L=30．0 cm，L1=10．4 cm，乙的反应时间为______s．(结果保留2位有效数字)

(4)写出一条提高测量结果准确程度的建议：______．

2018年高考全国Ⅲ卷高考力学实验测人的反应时间，在真实情境中创设试题．该题利用运动距离和重力加速度逆向求解时间，第(2)问使用测量物理量推算反应时间的表达式，第(3)问分析数据求解反应时间，题目考查了学生的推理计算和数据分析能力，内容难度适中，考查学生的综合实验能力及在具体的情境中解决问题的能力．试题意在引导学生回归教材，将理论与生活联系，渗透物理知识源于真实问题场景的思想．

该题素材出现在人教版《物理·必修1》教材中“自由落体运动”章节的“做一做”栏目，是学生学习过程中易忽略的实验内容．真实情境与生活的联系不仅体现在物理实验场景的改变上，还体现在科技前沿与物理实验的融合中．

【例4】(2019年高考全国Ⅲ卷第22 题)甲、乙两位同学设计了利用数码相机的连拍功能测重力加速度的实验．实验中，甲同学负责释放金属小球，乙同学负责在小球自由下落的时候拍照．已知相机每间隔0．1 s拍1幅照片．

(1)若要从拍得的照片中获取必要的信息，在此实验中还必须使用的器材是______．(填正确答案标号)

A.米尺 B．秒表 C．光电门 D．天平

(2)简述你选择的器材在本实验中的使用方法．

(3)实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a，b和c得到ab=24．5 cm，ac=58．7 cm，则该地的重力加速度大小g=______m/s2．(保留2位有效数字)

2019年高考全国Ⅲ卷的自由落体运动测重力加速度采用创新的实验方法，将现代技术融入到物理实验中．第(1)问，对实验仪器的选择考查学生的观察测量能力．第(2)问，对实验的步骤设计考查学生的方案设计能力．将原型实验迁移到新情境中，描述仪器使用过程，考查学生对实验步骤的熟悉程度和语言概括能力．第(3)问，运用物理概念计算物理量考察学生的数据分析能力，每个小问层层铺垫，测量不同目标的实验能力．虽利用频闪照片测重力加速度的方法在学生群体中还不够普及，且该题没给出实验装置，但学生对于该方法并不算陌生．人教版教材中在“序言”“问题与练习”“做一做”栏目中介绍过利用数码设备拍摄频闪相片或频闪视频开展物理实验的方法．

该题将物理实验与现代信息技术结合，体现物理教育注意学科渗透，关心科技发展的教育思想．未来，物理与现代化信息技术还将有更广泛的联系，比如有研究者利用新兴的智能手机传感器开展自由落体运动实验测重力加速度[4]．

4 试题特征及教学启示

概览近10年高考物理全国卷对“自由落体运动”实验的考查，实验试题从大致相似的原型实验逐步过渡到内容丰富的发展型实验再到指向真实问题的情境型实验，3类实验间互相关联，如图3所示．实验情境从学科知识情境到STSE情境，实验命题从知识导向过渡到能力导向再逐渐走向素养导向，可见，高考实验试题对学生能力要求呈逐渐增高之势[5]．

图3 3类实验关联图

面对考查形式多样、实验情境丰富的高考实验试题，生搬硬套的学习方式已不可取，为突破教学瓶颈，提高教学效率[6～8]，笔者提出以下教学思考：

(1)原型实验与教材实验大体相同，回归教材、重视基础是应对该类试题的唯一解．且近年来，高考实验试题趋向于命制教材隐性实验的创新变式，教材隐性实验指实验素材源自教材的扩展栏目，如物理学史、做一做、科学漫步、教材插图等．该类试题意在引导考生回归课本，在实验教学中，教师应注重挖

掘教材隐性实验的创新变式考查，聚焦易被忽略的隐性考点区域，学生应积极实践教材中“做一做”“演示”实验等，领悟其中蕴含的物理思想．

(2)发展型实验以教材实验为本，对实验目的做微妙处理，从细微处考查学生的基本实验能力，立足教材，强化基本实验技能是解题的关键．教师应在立足教材，引导学生设计多样化、综合性的实验，以开放性的实验环境培养学生的发散思维．当学生面对“新”实验时，能跳出单一的知识情境，融入新的实验元素，灵活开展实验．

(3)创设现实性、开放性的试题任务情境是未来高考实验试题的发展趋势，情境型实验并非凭空产生，而是具有一定的现实基础，联系生活、建构模型是破题的核心．这要求教师在实验教学中，既要关注学生的基本实验能力，还应恰当地将物理实验模型迁移到生活情景，培养学生解决问题的能力．同时，教师也应适当向学生介绍新型的科技设备，引导学生关注科技发展，促进学生科学态度与责任能力的发展．