高考物理实验考查为何青睐电路实验

  物理学是一门实验科学，物理学的研究和发展都离不开实验。因此，在物理的教学过程中，必须重视实验教学，注重对学生进行实验技能、实验方法和实验思想的培养，进而培养和提升学生观察现象、分析现象，以及发现问题、提出问题、解决问题的能力。此外，实验还有利于学生养成实事求是的科学态度，树立“实践是检验真理的惟一标准”的科学世界观。鉴于此，实验能力对于学生的综合素质和未来发展具有重要意义。高考《考试说明》把“实验能力”作为一项能力考查项目，所占学科比例约为13%。纵观近几年的高考试卷，无论是物理单科卷，还是理科综合卷，旧课程卷还是新课程卷，也无论是全国统一试卷，还是各省市的地方试卷，对实验题的考查都几乎是选择了“电路实验”。为何高考物理实验考查如此青睐电路实验？笔者以为主要有以下三个原因。 一、高考实验考查的目标要求 《考试说明》明确指出：教学过程中的实验有助于加深学生对自然科学概念、原理和规律的了解，也有助于培养学生的科学态度和创新精神；实验能力也是考生将来从事科学研究的基础。并把“设计和完成实验的能力”作为五大能力要求之一，实验能力的考查包括： （1）独立完成实验的能力。包括理解实验原理、实验目的及要求，了解材料、用具的用途和使用方法，掌握实验方法步骤，会控制实验条件和使用实验仪器，会处理实验安全问题，会观察、分析和解释实验中产生的现象、数据，并得出合理的实验结论。 （2）能根据要求灵活运用已学过的物理学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案，并处理相关的实验问题。 从上述要求可以看出高考对实验的考查，不仅包括实验操作技能和处理实验问题的能力，还包括思辨性的假设和猜想、逻辑性的分析和论证、准确性的测量和记录、严密性的推理和清晰科学的表达，是对学生进行全面的科学素养和综合能力的考查。而具备这种全方位、多功能考查内容的实验题，必然是高考的首选。 二、《考试说明》的“实验知识内容” 在2005年《考试说明》物理科“知识内容表（新课程）”的131个知识点中，实验有19个，占14．5%，这与实验分数约占15%的比例相吻合。实验考查的“内容和说明”如表1。 从表中不难看出： （1）在高考考查的19个实验中，涉及电路的实验有5个，占26．3%，它们分别是测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）、描绘小电珠的伏安特性曲线、把电流表改装为电压表、用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻、用多用电表探索黑箱内的电学元件。这些实验在实验原理、实验器材、实验方法、实验技能和实验思想等方面具有内在的统一性。 （2）从“说明”中可以看出，实验考查要求会使用的仪器主要有13个，其中刻度尺、天平、弹簧秤、温度表等的使用，已在初中进行系统、重点的学习和考查，而与电路实验相关的器材有电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱、螺旋测微器等，占38．5%；此外，电路实验还凸显对误差问题的分析和研究，主要涉及仪器的选择、电路的组装、数据的读取和处理等，这也使试题更具探究性和时代性，强化了试题的选拔性功能。可见，高考选择电路实验进行考查，能最大限度地覆盖《考试说明》中给定的实验知识点，最大限度地满足“说明”中所强调的相关要求。 三、电路实验的特征和考查功能 众所周知，实验是物理学的基础。通过观察、测量和有计划的实验活动去认识自然、发现自然的规律，验证猜想和假设，并进行再创造，是科学工作者的基本素养。由于高考自身的局限性，高考物理力图通过笔试的形式，鉴别考生是否具有实验的经历和体验，是否具有进行实验研究的基本素养。鉴于此，高考着重考查《考试说明》中给定实验的原理、方法和器材重新组合的新实验，力求编制开放性、设计性较强的试题，以测试考生独立解决新问题的能力和“迁移”能力。而电路实验题所具有的一系列特征，较好地体现了高考实验的考查功能。 1．设计性 设计性物理实验，是让考生根据掌握的实验原理、实验器材和实验方法，设计和完成新的实验，它包含着新内容、新方案、新视角等诸多侧面。电路实验中，除伏安法、多用电表法以外，还有电桥法、双电阻法、单电阻法、等效替代法和半偏法等，各种方法均具有相应的科学性、简捷性、精确性和便利性。例如2003年全国高考理综试卷的实验题（题略），第1小题属于电路的设计，涉及伏安法电路（外接法和内接法）和滑动变阻器电路（分压器和限流器）；第2小题属于数据处理的方案设计，涉及实验误差、数据的取舍、描点作图和图像的物理意义。 2．探究性 这是更高的思维活动层次，主要是考查学生综合运用所学实验的能力、收集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力，以及实验创新能力。电路实验涉及的知识点较多，如电表（量程）的选择、电表的调节和校准、伏安法电路的“外接法”“内接法”和“试接法”；滑动变阻器电路的分压器和限流器、电表的改装、电路的组合和数据处理、误差分析等。在实验方法上又涉及类比法、逆向思维法、综合法等，这为探究性实验题提供了广阔的空间和丰厚的素材。例如1998年全国高考物理试卷实验题（题略）第2小题中设定电流表每个分度表示的电流值未知，但指针偏转的角度与通过的电流成正比，求测未知电阻Rx的值。这种新情境给人的初步感觉是“电路中的电流无法测量”，但据题设令I＝ka，带入第1小题的结果（表达式），即可得到未知电阻Rx的值；再如2000年全国高考物理试卷的实验题（题略），要求测量电流表A1的内电阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的精确度，并能测出多组数据。本题涉及实验器材的选择（量程选择）和电路的组装（电路图），还要求写出待测电阻r1的表达式（分析和计算）。而实验电路的设计，如图1a，充分体现了电路实验的探究性。 3．灵活性 在以上的叙述中我们知道，电路实验具备的考点非常多，包含的物理学思想和实验方法也十分丰富，无论是考查实验操作、数据处理，还是考电路设计、误差分析，甚至是考综合、探究和创新的能力，都可以在电路实验中找到最佳的落脚点，设计出富有新意的、符合新课程理念和时代特征的开放性试题。近几年的全国统一高考和各地市单独考试的物理实验试题，几乎都是以电路实验为主要考查点，考查的内容、形式和要求各具特色、精彩纷呈。如2000年全国统一高考理综试卷的实验题（题略），是要求测量出“黑箱”中的电阻R1、R2、R3的阻值，如图1。本题的解法很多，但不同的操作方法，导致解题的难易程度不同，其中比较简捷的方法是“灵活地应用导线短接电路”进行测量（解法略）。 4．思想性 这是高考试题的灵魂所在。物理学的思想方法是辩证的思维方法，具有直观的、逻辑的、想象的和美的特质。电路实验彰显了物理学的思想方法和实验特征，能够最优化地实现高考实验的考查功能。例如2004年全国统一高考理综试卷的实验题（题略），就综合地考查了如下丰厚的物理学思想。 （1）“迁移”和“回归”思想。题中给定的量程为150mV的电压表，其实就等效于灵敏电流计G，可以充当“表头”，这样就自然回归为“电流表的改装”，即由表头并联分流电阻而成。虽然《考试说明》中只要求掌握“把电流表改装为电压表”实验，但这两种电表的改装在实验原理、器材和方法上如出一辙。 （2）发散思维。试题中给定了电压表内阻测量的电路图，要求作出对改装后的电流表进行校准的电路图。比较两个电路图可知：二者有变和不变之分──变化的是题图中滑动变阻器的“分压器电路”变化为答案的“限流器电路”；不变的是改装后的电流表与标准电流表的串联方式（电流相等）。 （3）求异思维。本题在考查中尽量回避已学过的现成实验，要求考生在迁移、回归和发散的思维过程中“见异求同，见同求异”，找寻改装电流表和改装电压表在理论上和实验操作上的异同点，从而完成实验的设计和问题的解决。 总之，电路实验由于具备开放性、设计性、探究性、灵活性和思想性等多个维度的考查功能，能凸显新课程的基本理念，符合高考的选拔性需要，因而备受高考的青睐。在平时的教学和复习中，理应以电路实验为突破口，强化实验目的和原理、实验设计和条件控制、实验仪器的使用和维护、数据处理和误差分析等各个环节的实践和训练，努力培养和提高学生的实验素养和创新意识。只有这样，才能以不变应万变，才能进行创造，才能在高考选拔中应付自如。