高考物理试题中数字化实验的考查情况探析

袁小堂

(重庆市求精中学校，重庆 400015)

1 问题的提出

为提升学生的物理实验能力，《普通高中物理课程标准(2017年版)》建议有条件的地区为学校专门创建数字化实验室，或引进教师演示用的数字实验系统。学校要重视引导教师研究数字实验系统对传统实验的改进方法，研究数字实验系统的教学方式，促进教学手段与方式的现代化。数字化信息系统(DIS)是一种将传感器、数据采集器和计算机组合起来，共同完成对物理量测量、处理的装置。在DIS实验中，可以利用传感器测得实验数据，并通过图表、图线等方式呈现实验结果，十分直观与简便，大大简化了以往实验课上繁琐的计算过程，既节约了时间又让学生感到直观易懂。DIS可以让学生更直观、更真实地理解较为抽象的物理原理和公式，帮助学生建构物理概念、探寻物理规律。

基于DIS的物理探究实验的核心是改变学生的学习方式，强调学生的主动探究，学生通过使用不同类型的传感器收集、分析和处理数字化信息来体验知识的形成过程，进而学会学习，有助于培养学生分析问题、解决问题的能力。在新课程体系下，DIS实验是教材中不可或缺的重要组成部分，在近年来的高考题中也有相应体现。笔者在梳理2015年至2021年全国物理高考DIS物理实验的基础上，分析其特点，以便教师在日常教学中充分挖掘DIS实验的育人价值，利用DIS开展物理教学。

2 全国高考物理试题中DIS实验分析

高考中关于传感器的或者以传感器为背景的题目逐年增多，笔者汇总了2015年至2021年全国高考试题中出现传感器的情况(表1)。

表1

3 特点分析

对以上DIS高考题进行分析，发现有如下特点。

3.1 传感器类型丰富

在全国各省市高考物理试题中出现的传感器可分为力传感器、光电传感器、电压电流传感器、磁传感器、温度传感器、光强度传感器等，以力传感器、位移传感器为主。

3.2 传感器涉及题型分布广泛

高考题中多以传感器作为测量工具，通常是以传感器为背景，各种题型都有可能出现，实验题的占比最大。

3.3 使用传感器可提高实验效率

在传统实验中，若要测量物体的加速度常采用打点计时器，运用“逐差法”或者图像法测定加速度。但由于实验操作过程中数据较多，难以避免繁琐的计算过程。甚至有的学生认为本节课的实验目的就是计算加速度，而忽视了科学推理过程。利用位移传感器可以避开复杂的计算过程，而将重点放在思维能力和探究能力的培养方面。例如在2016年全国Ⅲ卷第23题中，要探究物体加速度与其所受合外力之间的关系，利用位移传感器避开对加速度繁琐的计算过程，利用传感器测得的数据直接给出位移-时间图像，要求学生对图像进行分析与处理，得到加速度的数值，使实验过程直观、简洁，将考查的重点放在科学探究和科学推理能力上。

3.4 使用传感器使抽象概念的教学“可视化”

高中物理中有些概念较为抽象，容易造成学生思维障碍，例如力、压力、压强等。力具有瞬时性，当力变化时，我们很难用弹簧测力计示数反映这种变化，在气体或液体中压力的测量较难进行，如果使用传感器就可以使数据可视化，例如在2016年上海卷第29题中，利用压强传感器直接测出气体的压强，给出压强随气柱长度的关系图像，使气体压强的变化直观化。在2020年北京卷第11题中，利用力传感器代替弹簧测力计，记录力随时间的变化情况，使任意时刻、任意位置对应的力的大小可以通过电脑直接读取，加强了实验的可视化，有效突破学生的思维障碍。

3.5 注重创新，训练思维

传感器的主要测量元件具有不同的物理特性，其材料的性质受外界因素(如温度、压强等)的影响，人们利用相应的特性制成了相应的传感器。教材中对一些常见材料的特性做了一些介绍，而有的高考题又以实验的方式来考查学生对元件物理特性的认识。在此基础上，还可以进一步让学生分析实验原理，改进实验方法，优化实验过程，培养学生的创新能力。2019年全国理综Ⅱ卷第23题运用闭合电路欧姆定律，利用电压传感器进行测量，分析了硅二极管两端的电压与温度的关系，考查了学生的实验探究能力和创新能力。

3.6 注重实验操作能力的考查

物理学是一门以实验为基础的科学，物理实验是物理教学的重要组成部分，在教学中要通过各种重要途径、运用技术手段切实加强物理实验教学，以达到培养学生实验操作能力的目的。2016年上海卷第28题考查了描绘电场等势线实验操作原理和实际操作步骤，2015年第28题考查在测量磁感应强度时对磁传感器调零的操作，两道题的考查重点都涉及实际操作。如果在日常学习中对本实验进行过操作，那么学生就会熟悉这个情境。

3.7 注重数形结合

数形结合是指在解决问题过程中，通过将具体的图形、图像与数学公式紧密联系在一起，对问题进行简化，以达到解决问题的目的，是物理学研究的重要方法。通过数形结合可以将抽象的物理概念转化为具体表达形式，可以将难以用语言表达的物理过程转化为定量关系式，在实践中往往能够帮助我们更好地解决物理问题。2019年全国Ⅲ卷第20题借助板块模型考查牛顿运动定律，试题给出了力传感器读数、木块的速度随时间的变化图像，运用数形结合方法展示了木块与木板的受力情况和运动情况，DIS可以显示出弹力随时间的变化，若将本题中的传感器改成弹簧测力计进行实验操作，实验较难完成。

3.8 注重与实际生产、生活的联系

随着科学技术的不断进步，物理学取得的成果也日益丰富，物理知识已经渗透到生活的方方面面，现实生活中有很多问题要用物理学来解决，要培养学生成为具有终身学习能力的社会人，就需要帮助学生树立科学意识，掌握科学方法，学有所获并学以致用，为今后的工作、生活打下坚实的基础。2016年全国Ⅰ卷第23题，借助闭合回路欧姆定律考查热敏电阻在报警器中的应用，考查学生运用物理知识将解决实际问题的能力。

4 对高中物理教学的启示

4.1 与时俱进，重视DIS实验

新高考以DIS为背景的试题越来越多，在教材中的出现也越来越频繁，这也是物理课程时代性的体现。实验技术现代化是大势所趋，在高考中应该重视，在日常教学中同样应该重视，教学中要将DIS与物理实验有效结合，培养学生的实验创新能力。

4.2 整合资源，日常渗透

DIS传感器的原理及使用是物理实验的重要组成部分，对于教材中提及的DIS实验，教师要有意识引导学生运用DIS进行实验，提高他们的自主探究能力和创新能力。