高考评价体系在高考物理实验命题中的体现——以3道2020年高考“测量重力加速度”实验题为例

2021-08-12 03:50:12王远虎
物理教师 2021年7期
关键词:重力加速度考查

王远虎

(1.阜宁县第一高级中学,江苏 阜宁 224400;2.阜宁县教师发展中心,江苏 阜宁 224400)

高考评价体系主要由“一核、四层、四翼”3部分内容组成.其中,“一核”为核心功能,即“立德树人、服务选才、引导教学”,是对素质教育中高考核心功能的概括,回答“为什么考”的问题;“四层”为考查内容,即“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”,是素质教育目标在高考中的提炼,回答“考什么”的问题;“四翼”为考查要求,即“基础性、综合性、应用性、创新性”,是素质教育的评价维度在高考中的体现,回答“怎么考”的问题.同时,高考评价体系还规定了高考的考查载体——情境,以此承载考查内容,实现考查要求.[1]

虽然2020年高考物理浙江卷第18题、海南卷第14(2)题及山东卷第13题测量重力加速度的命题素材不同,但是3道高考题都能体现“一核、四层、四翼”的考查要求,都能实现教育考试的考查、区分与评价功能,弘扬“立德树人”的教育理念,促进学生探究和解决问题的能力,增强创新意识,培养实事求是的科学态度,形成正确的价值观,为学生的终身发展奠定坚实的基础,发挥高考在育人方面的导向功能.

1 高考物理实验题命题素材

1.1 利用教材中的实验作为素材进行命题

考查教材中的实验时,高考实验题能够很好地将常动手做实验的考生与不常做实验的考生有效区分开来,对教师实验教学有良好的导向作用,鼓励教师多让学生动手做实验,避免教师错误的通过实验习题训练来提高学生的成绩.高考实验题命制时常利用教材中实验过程的描述、照片、简图、数据处理等方式,真实呈现实验过程中的某一场景,让考生对相关问题进行分析判断,考查考生对一些重要的实验过程的深刻理解;高考实验题命制时也可通过呈现教材中“做一做”活动的场景,考查考生自主开展实验探究的能力,测试情况往往能够反映学生是否真正动手动脑经历实验的过程.

例1.(2020年高考浙江卷第18题)某同学用单摆测量重力加速度.

(1)为了减少测量误差,下列做法正确的是______(多选).

(A)摆的振幅越大越好.

(B)摆球质量大些、体积小些.

(C)摆线尽量细些、长些、伸缩性小些.

(D)计时的起、止位置选在摆球达到的最高点处.

(2)改变摆长,多次测量,得到周期平方与摆长的关系图像如图1所示,所得结果与当地重力加速度值相符,但发现其延长线没有过原点,其原因可能是_____ .

图1 T2- L图像

(A)测周期时多数了一个周期.

(B)测周期时少数了一个周期.

(C)测摆长时直接将摆线的长度作为摆长.

(D)测摆长时将摆线的长度加上摆球的直径作为摆长.

必备知识:单摆模型这一概念性知识;计时的起、止位置如何选定这一策略性知识;如何分析周期平方与摆长的关系图像这一策略性知识.

关键能力:知识获取能力:考生要能从试题情境结合教材中“探究单摆周期与摆长的关系”实验提取有效信息,能够准确描述单摆模型中摆球的质量、大小,摆线的长短、粗细,摆角的大小要求;实验操作能力:考生要能从实验的情境活动中理解实验的设计,由实验数据作图可得到T2-L的关系,结合实验原理,寻找图像延长线没有过原点的原因;思维认知能力:考生要能明确选定计时的起、止位置的内在逻辑.

四翼层级:试题情境只包含单一的稍复杂的情境活动,考生需要调动多种物理知识与能力来解决问题.属于“四翼”考查要求中的综合性层级.

命题角度展望:(1)本题命制周期平方与摆长的关系图像时横轴和纵轴没有具体数值,只能定性分析,如命题设计具体数值,则可考查考生定量计算重力加速度及小球的半径.

1.2 利用创新探究设计实验为素材进行命题

创新探究设计实验题的“创新”点有:改变实验探究的条件、改变实验探究的结论、改变实验探究的思路、改变实验探究的方法、体现实验探究结果的开放性、评估实验探究的过程与结果等.

1.2.1 实验仪器的创新

高考实验题命制时常将教材中的实验器材进行替换或改进,比如用气垫导轨代替长木板,用光电门、频闪相机代替打点计时器,用电子秤或已知质量的钩码等代替弹簧测力计,呈现新的实验过程情境,让考生运用学过的知识理清实验原理,解答相关问题,从而考查考生的理解实验原理、处理实验数据、分析实验误差等能力.

例2.[2020年高考海南卷14(2)]某同学用如图2所示的装置测量重力加速度.

图2 测量重力加速度

实验器材:有机玻璃条(白色是透光部分,黑色是宽度均为d=1.00 cm的挡光片),铁架台,数字计时器(含光电门),刻度尺.

主要实验过程如下:

① 将光电门安装在铁架台上,下方放置承接玻璃条下落的缓冲物;

② 用刻度尺测量两挡光片间的距离,刻度尺的示数如图3所示,读出两挡光片间的距离L=________cm;

图3 刻度尺的示数

③ 手提玻璃条上端使它静止在____方向上,让光电门的光束从玻璃条下端的透光部分通过;

④ 让玻璃条自由下落,测得两次挡光的时间分别为t1=10.003 ms和t2=5.000 ms;

⑤根据以上测量的数据计算出重力加速度g=____m/s2(结果保留3位有效数字).

必备知识:用刻度尺测量两挡光片间的距离如何读数这一策略性知识;用光电门如何测玻璃条的速度这一策略性知识;“落体法”测重力加速度实验操作过程这一程序性知识;如何据测量的数据计算出重力加速度这一策略性知识.

关键能力:知识获取能力:考生要能从试题描述的实验过程发现隐含的测量重力加速度的原理,要会读出刻度尺测量两挡光片间的距离;实验操作能力:考生要能将实验操作中获得的数据,计算出玻璃条的速度,再运用运动学公式计算出重力加速度;思维认知能力:考生要能据实验过程描述,演绎推理出重力加速度的计算式.

四翼层级:试题情境只包含单一的复杂的情境活动,考生需要系统地、全面地、协调地调动各种物理知识与能力才能解决问题.属于“四翼”考查要求中的应用性层级.

命题角度展望:(1)本题命题设计将打点计时器创新替换为光电门用来测有机玻璃条下落过程中两个位置的速度,考查了考生对光电门测速原理的理解及运用运动学公式解决实际问题的能力.如能设计考查此实验的误差分析及如何减小误差,将达到学业质量水平4要求,考查考生对科学探究过程与结果进行交流和反思.

(2)本题设计方案中最难操作的是手提玻璃条上端,松手瞬间手的抖动会影响玻璃条的下落,玻璃条有一定的长度,松手较难控制使它在竖直方向上作自由落体运动.可设计改进方案如下:如图4所示,用游标卡尺测出立方体小铁块的边长d;用刻度尺测出电磁铁下端到光电门的距离h(h≫d);电磁铁先通电(电源未画出),让小铁块吸住上端;断开电源,让小铁块自由下落;计时装置记录小铁块经过光电门所用时间为t,计算出相应速度v;用学过的运动学公式v2=2gh,从而计算出重力加速度.此方案要保证铁块要小(即满足电磁铁下端到光电门的距离h≫d),保证铁块下落过程中平动经过光电门,不能有转动,以减小时间测量的误差.[2]

图4 测量重力加速度

1.2.2 实验方法的创新

高考实验题命制时常通过呈现新的实验过程情境,将考生置于陌生环境,让考生理顺实验探究的新方法、新步骤,理解实验的基本原理,解答相关问题,从而考查考生的自主探究能力、知识迁移能力和解决实际问题的能力.[3]

例3.(2020年高考山东卷第13题)2020年5月,我国进行了珠穆朗玛峰的高度测量,其中一种方法是通过使用重力仪测量重力加速度,进而间接测量海拔高度.某同学受此启发就地取材设计了如下实验,测量当地重力加速度的大小.实验步骤如下.

(1)如图5所示,选择合适高度的垫块,使木板的倾角为53°,在其上表面固定一与小物块下滑路径平行的刻度尺(图中未画出).

图5 测量重力加速度

(2)调整手机使其摄像头正对木板表面,开启视频录像功能.将小物块从木板顶端释放,用手机记录下小物块沿木板向下做加速直线运动的情况.然后通过录像的回放,选择小物块运动路径上合适的一点作为测量参考点,得到小物块相对于该点的运动距离L与运动时间t的数据.

(4)再次调节垫块,改变木板的倾角,重复实验.

回答以下问题:

(1)当木板的倾角为37°时,所绘图像如图6所示.由图像可得,物块过测量参考点时速度的大小为______m/s;选取图线上位于坐标纸网格交叉点上的A、B两点,利用A、B两点数据得到小物块下滑加速度的大小为______m/s2.(结果均保留2位有效数字)

图6 倾角为37°时图像

(2)根据上述数据,进一步分析得到当地的重力加速度大小为______m/s2.(结果保留2位有效数字,sin37°=0.60,cos37°=0.80)

试题情境设计:题目通过呈现新的实验过程场景将考生置于陌生环境,考生要通过阅读实验步骤,提炼测量重力加速度的新方法.让小物块沿倾角为θ的木板向下做加速直线运动,由牛顿第二定律:mg sinθ-μmg cosθ=ma,即a=g sinθμg cosθ,测出两个不同倾角对应的加速度,联立求解重力加速度.

四翼层级:试题情境包含多个简单或复杂情境活动,考生需要在全方位调动各种物理知识与能力的同时,协调和利用各种情境活动解决问题,得到创造性的结果.属于“四翼”考查要求中的创新性层级.

命题角度展望:(1)本题命题设计测量当地的重力加速度大小结果保留2位有效数字,此测量精度将对高度测量产生较大的误差.

2 高中物理实验教学的应对策略

2.1 重视核心价值的引领

核心价值是学生的政治素质、道德品质和思想方法的综合体现,是学生面对现实的问题情境时表现出来的情感态度和价值观.在高考评价体系中,核心价值处于“四层”评价内容的引领地位.物理实验教学中要凸显核心价值的地位,以核心价值引领教学,发挥学科的德育功能,完成立德树人的高考育人目标,要培养学生严肃认真对待实验的态度,尊重实验结果与事实,杜绝编造和修改实验数据的科学态度,愿意在将来从事物理方向工作的科学本质观.[4]

2.2 重视物理学科素养的培养

物理学科素养在“四层”考查内容中具有统领作用,界定了学科考查的必备知识和关键能力.高考评价体系中的学科素养,融会了国家课程标准中的核心素养要求和高校人才选拔的内涵素养要求,物理实验教学中必须贯彻物理学科核心素养培养的理念,切实帮助学生养成将来高校学习所需的能力,着重落实科学探究的核心素养要求,让学生掌握科学探究的具体操作过程.

2.3 重视关键能力的落实

物理科考试提出理解能力、推理论证能力、模型建构能力、实验探究能力、创新能力5种关键能力.高考评价体系确立了符合考试评价规律的3个方面的关键能力群:一是以认识世界为核心的知识获取能力群;二是以解决实际问题为核心的实践操作能力群;三是涵盖关键思维能力的思维认知能力群.物理实验教学中要落实学生的实验技能培养,比如实验操作、方案设计、可行性分析论证、数据收集处理、可靠性分析、反思修正、交流表达、团队协作等等.

2.4 重视必备知识的掌握

必备知识是指即将进入高等学校的学习者在面对与物理科相关的生活实践或学习探索问题情境时,有效地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的知识.[5]物理实验教学中要保证基础必备知识的牢固与完备,必须有坚实的概念性知识和程序性知识作保障,才能通过精心设计问题链重点突破如何总结实验规律,解决实验中出现的问题时如何明确思维方向等策略性知识.

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