广东省阳山县阳山中学(513100) 谭 程

1 引言

《普通高中物理课程标准(2017年版)》在实验教学建议中明确指出：“物理实验是增加学生物理学习体验性的重要手段。实验是实践体验性最强的物理学习方式，它可通过实验设计与动手操作、观察现象与记录数据、分析归纳得出结论等环节，全方位地培养学生的科学探究能力。学生实验是其他任何方式都无法替代的物理学习方式。”这个建议实质上提出了新课程理念下，物理实验教学要十分注重培养学生的科学探究能力。众所周知，高考中的创新设计实验便是检查学生实验探究能力是否形成的试金石。今年的高考实验创新题依托《中国高考评价体系》，强化基础性和关键能力考查，充分体现了评价体系中提出的“创新性”。

2 对2021年高考物理实验创新的赏析

笔者通过对2021年高考物理实验题的分析发现，2021年高考物理实验题的创新角度主要体现在以下几个方面：

图1 缓冲装置

2.1 创新设计1：实验数据处理方法的迁移

例1(2021·广东)：某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数。缓冲装置如图1所示，固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角为30°，弹簧固定在有机玻璃管底端。实验过程如下：先沿管轴线方向固定毫米刻度尺，再将单个质量为200 g的钢球(直径略小于玻璃管内径)逐个从管口滑进，每滑进一个钢球，待弹簧静止，记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数Ln，数据见表1。实验过程中弹簧始终处于弹性限度内，采用逐差法计算弹簧压缩量，进而计算其劲度系数。

表1 实验数据

(3)忽略摩擦，重力加速度g取9.80 m/s2，该弹簧的劲度系数为________N/m(结果保留3位有效数字)。

解析:(1)依据ΔLi=Li+3-Li(i=1,2,3)可得：

ΔL3=L6-L3=18.09 cm-12.05 cm=6.04 cm

6.04 cm

(3)由以上计算可知，每3个钢球对弹簧的压力为：F=3mgsin30°=2.94 N。

2.2 创新设计2：测量方法的巧妙设计

例2(2021·湖南)：某实验小组要测定电池的电动势和内阻，器材有：1节待测电池、1个单刀双掷开关、1个定值电阻(阻值为R0)、1个电流表(内阻为RA)。1根均匀电阻丝(电阻丝总阻值大于R0，并配有可在电阻丝上移动的金属夹)、导线若干。由于缺少刻度尺，无法测量电阻丝长度，但发现桌上有一个圆形时钟表盘。某同学提出将电阻丝绕在该表盘上，利用圆心角来表示接入电路的电阻丝长度。主要实验步骤如下：

(1)将器材如图2(a)所示进行连接；

(2)开关闭合前，金属夹应夹在电阻丝的________端(填“a”或“b”)；

(3)改变金属夹的位置，闭合开关，记录每次接入电路的电阻丝对应的圆心角θ和电流表示数I，得到多维数据；

(4)整理数据并在坐标纸上描点绘图，所得图像如图2(b)所示，图线斜率为k，与纵轴截距为d，设单位角度对应电阻丝的阻值为r0，该电池电动势和内阻可表示为E=________，r=________(用R0、RA、k、d、r0表示)；

(5)为进一步确定结果，还需要测量单位角度对应电阻丝的阻值r0，利用现有器材设计实验，在图2(c)方框中画出实验电路图(电阻丝用滑动变阻器符号表示)；

(6)利用测出的r0，可得该电池的电动势和内阻。

图2 测定电池的电动势和内阻

解析：第(2)问：为了测量多组数据，开关闭合前，金属夹应夹在电阻丝的b端，这样金属线的长度最长，使得实验数据的测量范围更大。

第(5)问：根据题目中的器材可知，要测量单位角度对应电阻丝的阻值r0，可利用等效替代法进行测量，根据电阻等效替代法的原理，设计的电路原理图如图3所示。

图3 电路原理图

2.3 创新设计3：实验原理的创新

例3(2021·河北)：某同学探究机械能变化量与力做功的关系。所用器材有一端带滑轮的长木板、轻细绳、50 g的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块(质量为200 g，其上可放钩码)、刻度尺。当地重力加速度9.80 m/s2。实验操作步骤如下：

“秦岭汉坡，九浅一深”是盗墓行话，意思是抢劫秦汉墓葬，危险极大。“秦岭”和“汉坡”不是地名，而是清汉墓葬所在地，所以用音译法译成“秦岭汉坡”不是很好。“九浅一深”是“九死一生”的语音双关语。因此，译者选择了释义，将“秦岭汉坡，九浅一深”翻译成“You will have a narrow escape from robbing the tombs of Qing and Han Dynasty(盗窃秦汉墓，九死一生).”因此，虽然在一定程度上会造成文化信息在语言符号上的丢失，释义仍然不失为保留源语言文化信息的较好翻译方法。

(1)安装器材，调整2个光电门距离为50.00 cm，轻细绳下端悬挂4个钩码；

(2)接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过2个光电门的时间，并计算出滑块通过2个光电门的速度；

(3)保持绳下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；

(4)完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统(包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码)总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量ΔE，结果见表2。

表2 实验数据

回答下列问题:

(1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为________J(保留三位有效数字);

(2)步骤中的表格所缺数据为________；

(3)以M为横轴，ΔE为纵轴，选择合适的标度，在图4中绘出ΔE-M图像;

图4 ΔE-M坐标轴

若忽略滑块与木板之前的摩擦力做功，则滑块与木板之间的动摩擦因数为________(保留两位有效数字)。

解析：(1)根据题目的条件有：ΔEp=mgΔh=4×0.05×9.80×0.50 J=0.980 J

(2)根据能量守恒定律可知，实验中轻细绳所悬挂的钩码重力势能的减少量向两个方向转化，一部分转化为系统的动能ΔEk，另一部分转化为克服摩擦力做功而产生的热，即损耗的机械能，由能量守恒定律得：ΔEp=ΔEk+ΔE由(1)中分析可知，表2中缺少的数据为：

ΔE=ΔEp-ΔEk=0.980 J-0.392 J=0.588 J

(3)根据表格数据描点作图即可，所做的图像如图5所示。

图5 ΔE-M图像

由题意可知，滑块和木板之间的摩擦力做功即为系统损失的机械能，根据能量守恒定律则有：μMgL=ΔE,可见图像的斜率为：k=μgL。

代入数据解得：μ=0.41。

实验创新剖析：测定滑动摩擦因数的常用的方法有：①定义法，根据定义f=μN；②动力学思维，根据f=μN=ma，通常以纸带为载体结合牛顿第二定律考查。而本实验则“利用能量的观点巧妙地测量滑动摩擦因数”。本实验利用“能量守恒定律”测出每次实验中损失的能量，即克服摩擦力做的功，再根据动能定理得出μMgL=ΔE，然后建立ΔE—M图像，再要求考生利用图像的斜率求出滑动摩擦因数μ。本实验的另一个创新点就是器材上的创新：利用光电门巧妙地测出了系统动能的变化量，再结合能量守恒定律从而巧妙地求出了每次实验中摩擦力做的功。本实验中还利用“控制变量法”使每次实验中轻绳所悬挂钩码重力势能的减少量相同。

3 基于核心素养导向下的实验教学建议

3.1 研读课程标准，明确实验教学目标

有人对教学工作做过一个形象的比喻，把课程标准比喻为圆心，把教学目标比喻为半径，无论圆多大，都离不开圆心。课程标准作为实施教学的核心要素，决定了教学的方向，圆心找不准，就谈不上对学生创新能力的培养。更重要的是课程标准不但明确了“考什么”“为什么考”“怎么考”的三大关键高考问题，而且还明确了考查的内容，就是“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”，对考查内容的要求是“基础性、综合性、应用性、创新性”。例题1实验中所有的实验步骤、实验原理都与教材里的完全相同，这就体现了考查内容具有基础性的特点；从实验装置来看，研究对象是“缓冲装置中的弹簧”，这就体现了考查内容的应用性；与教材相比，本实验用斜面、玻璃管替代了铁架台，教材中的实验是让弹簧伸长，而本实验中是让弹簧压缩，这就体现了考查内容的创新性；另外本实验在进行实验数据处理时还要求考生将处理纸带中的“逐差法”迁移过来求弹簧的劲度系数，这就体现了考查内容的综合性。所以，教师在开展物理实验课堂教学时，对所教的实验内容要根据最新的课程标准，明确实验教学的“内容目标、层次目标以及考查要求”，然后设置好课堂教学中的每一个教学环节。

3.2 紧扣手中教材，夯实基础知识

根据国家发展所需人才的特质和素质教育的培养目标，《中国高考评价体系》对高考的考查内容明确了四个考查要求，其中“基础性”就是对高考命题的要求之一。在《中国高考评价体系说明》中也明确指出：“素质教育各个阶段的教育教学目标具有一定的连续性，这种连续性体现在前一阶段学习成果是后一阶段学习成果的基础。对于即将进入高等学校的学习者来说，应当为继续发展打下坚实牢固的地基。在广阔的学科领域，高考关注各学科中的主干内容，关注学习者在未来的生活、学习和工作中所必须具备、不可或缺的知识、能力和素养。因此，高考要求学生对基础部分内容的掌握必须扎实牢靠。”所以，课堂实验教学必须注重基础知识的教学，任何脱离基础知识的教学都是打造空中楼阁。每一个复杂的知识点都是由多个基础知识点组合而成的，而每一个基础知识都源于教材。教材是一切基础知识的源泉，是每一道高考试题的归宿点。所以，物理实验教学务必“紧扣手中教材，夯实基础知识”。

3.3 注重分层教学，落实学业质量标准

《普通高中物理课程标准(2017年版)》明确指出，高中物理学业质量分为5个等级水平，并强调：“学业质量水平4是进入高等院校相关专业学习应达到的水平要求。用于高等院校招生录取的学业水平等级性考试应具有较好的区分度，要求试卷结构设计科学合理，有利于区分学生不同层次的学业水平，有利于高校选拔人才。”可见平时的实验教学要重视分层教学，使“认知能力水平层次不同”的学生在“同一个实验教学问题”面前得到不同认知能力层次的培养，使实验课堂教学“达成学业质量水平教学效果最佳”状态。

3.4 注重亲身经历，旨在理解实验本质

华盛顿儿童博物馆有句格言：“我听见了就忘记了，我看见了就记住了，我做过了就理解了。”可见实验探究要让学生理解，就得让学生亲身经历，要让学生理解实验的本质，不但要做到知其然，更重要的是要知其所以然。我们让学生完成某一个探究实验，这就是一个让学生自主探究、亲身经历实验的一个过程，实验中能否得到一个正确的结果，绝不是老师所追求的终极目标，其目的是在于引起学生对自己正在探究的过程的关注：关注探究的过程中产生的问题、自己在探究过程中的思维，以及探究实验完成后是否达到了对实验本质的理解。