基于真实问题情境 培养科学探究素养

摘   要：分析2024年全国甲卷、广东卷和河北卷中电学实验在情境与问题、操作与证据、原理与解释、交流与讨论四方面的考查情况。提出培养学生基于情境提出问题能力、强化制订方案收集证据能力、提高基于证据解释论证能力、发展表达交流优化方案能力等方面的教学建议。

关键词：2024年高考；电学实验；科学探究；教学建议

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2025）1-0050-4

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）提出了科学探究素养。科学探究素养指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评价和反思的能力［1］。

《基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径》指出，实验探究能力属于实践操作能力群［2］。《中国高考评价体系》明确“实践操作”包括认知操作和行动操作两个方面。要求学生面对新情境合理地组织、调动相关知识和能力，实施实验探究活动，综合运用各种技术方法创造性地解决现实情境问题［3］。

实验题是考查学生问题、证据、解释和交流等科学探究要素发展程度的关键载体。实验题能评价学生面对真实情境，合理组织和调用相关知识与能力进行研究和操作来解决实际问题的能力。电学实验综合性较强，可承担区分学生科学探究和科学思维水平的作用。

2024年高考卷中的电学实验很好地体现出基于真实问题情境培养学生解决实际问题的能力，引导教学发展学生科学探究素养的作用。

1    高考电学实验题分析

2024年全国甲卷、广东卷和河北卷电学实验题充分体现了基于真实情境命题，考查学生科学探究素养的要求；引导中学教学着力培养学生的问题、证据、解释、交流能力（表1）。

1.1    引入真实情境，培养问题意识

基于情境观察提出问题，形成猜想与假设是问题意识的主要内容。提出一个有价值的问题，比解决问题更有意义。创新源于基于实际需要提出问题，然后解决问题。在高考中，不太可能让学生自行提出一个问题，然后设计实验进行探究并解决问题。问题往往在试题中已经明确，但是“为什么研究这个问题”“这个问题与生产生活实践需求有何联系”等问题能激发学生思考。通过真实情境引导学生观察生产生活实际需求，培养学生发现需求提出问题的能力。同时，丰富的情境素材蕴含着解决问题的提示，恰当的情境呈现方式可以引起学生形成猜想和作出假设。此外，真实情境能够将所学知识与生产实践联系起来，激发学生探究未知世界的强烈动机。所以，引入真实、新颖的生产生活实践情境，对于培养学生提出问题的能力和根据情境进行猜想、假设的能力有重要作用。

全国甲卷第10题创设电阻型氧气传感器定标情境，测量不同氧气含量下传感器两端的电压，建立电压与氧气含量之间的数量关系。广东卷第12题创设太阳能电池板自动跟踪调整情境，太阳能电池板根据太阳光照射方向变化，实现自动跟踪并调整其方向。河北卷第13题创设光强报警器情境，测试光敏电阻值与光强的关系，设计光强报警器工作原理图。以上情境均是基于生产实践需要解决的问题，能激发学生的探究热情。学生阅读情境后可能提出很多有价值的问题。何为定标？怎样进行定标？太阳能电池板怎样自动检测并调节方向？如何设计光强报警电路？通过什么形式发出报警信号？丰富而真实的情境、关键部件的实物图、原理图、图像等关键信息都能帮助学生提出问题，大胆假设，形成合理猜想。

1.2    重视实验操作，发展证据意识

设计实验与制订方案、获取和处理信息，是实验操作的主要内容，也是实验的基本能力，是获取证据的重要前提。在高考中，设计实验方案往往不由考生单独完成，而是遵循命题者思路完善实验方案的关键步骤，要求学生根据实验目的、条件和要求选取实验器材，设计实验电路并连线，补充实验关键步骤，设计实验数据表格并收集数据等。

全国甲卷电学实验给传感器定标，分成三个关键步骤。步骤一，设计测量电路并实物连线，测量传感器电压；步骤二，实验操作并读数，测量不同氧气含量下传感器的电压；步骤三，画出氧气含量与电压关系图像，寻找氧气含量与电压的数量关系。

广东卷电学实验题根据太阳光照射方向自动调整太阳能板方向，分成三个关键步骤。步骤一，根据原理图进行实物图连线；步骤二，光敏电阻阻值与光照强度关系测试；步骤三，光源跟踪测试。

河北卷电学实验题是制作简易光强报警器，分成四个关键步骤。步骤一，运用多用电表欧姆挡判断二极管的正负极；步骤二，设计控制电路并实物图连线；步骤三，寻找光敏电阻光强与阻值的关系；步骤四，调试自动报警电路使其正常工作。

1.3    考查实验原理，培育解释能力

基于实验现象和数据建构模型进行推理论证获得结论，解决基于情境提出的问题，是解释的主要内容。解释有两方面的运用。一是运用物理原理解释实验现象和获得实验结论。即根据物理原理和现象数据进行科学推理和论证，获得实验结论并准确表述结论。二是根据实验现象和数据进行推理论证获得重要的物理原理。即根据现象数据，建构模型，进行科学推理和论证，获得物理原理，并准确表述物理原理。无论哪一方面，实验原理都是实验题的核心和考查的重点。两个方面都可以培育学生基于证据进行解释的能力。

全国甲卷电学实验题是对氧气传感器定标。通过分压电路控制传感器电流不变，收集不同氧气含量下的传感器电压，根据氧气含量—电压图像描出两者之间关系曲线，并应用该图像推断待测氧气含量。广东卷电学实验题是根据太阳光照射方向调整太阳能板方向。首先，通过两个光敏电阻RG1、RG2串联，依据串联电路电流相等，分得电压越高电阻越大，可知RG1>RG2，结合RG1表面的光照强度比RG2小，所以光照强度越小电阻越大。控制单元通过比较两光敏电阻RG1 和RG2的电压，感知半透明隔板两侧光照强度强弱，发现左右电压表U1与U2不相等时，控制电动机转动，直至U1=U2，即左右两侧光照强度相等，光线垂直照射太阳能电池板，实现方向自动跟踪。河北卷电学实验题是设计光强报警装置。比较光敏电阻伏安特性曲线，发现RIII<RII<RI，结合光照强度推断光敏电阻阻值随光强的增大而减小。根据报警电路光敏电阻与滑动变阻器串联，二极管与三极管串联，题目提供了“当三极管be间电压达到一定程度后才能导通”的信息，为使与三极管串联的二极管发光，可以增大与be并联的滑动变阻器阻值，提高be间电压，使三极管导通、二极管发光。

1.4    优化实验方案，体现交流素养

对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思，是交流素养的主要内容，是科学探究素养的重要组成部分。当实验过程结束以后，回顾实验方案的设计与操作过程，评估实验结果的准确性和可靠性，反思有没有产生误差的地方，提出进一步优化实验探究过程的措施，将评估与反思内容与同伴交流分享。在高考中，可能以误差分析、提出减少误差的方法或者分析换用其他方法（器材）进行实验可行性等形式出现，意在拓宽学生的思维，让学生提出改良优化方案。

2024年全国甲卷、广东卷和河北卷三道电学实验题虽没有考查学生的交流、评估和反思素养，但这三个情境可以设计很好的考查交流素养的问题。如全国甲卷可增加以下问题：若电压表为非理想表，对实验结果有没有影响，请分析并加以说明。广东卷可增加以下问题：半透明板的作用是什么？不安装半透明板能否完成实验？对实验结果有什么影响？河北卷可增加以下问题：除调节增大R1外，还有什么办法可使光强达到报警值时二极管发光？

2    教学建议

课程标准提出，高中物理课程中应注重科学探究，尤其应注重物理实验，这在培养学生的探究能力方面具有重要的作用［1］。

2.1    培养学生基于情境提出问题的能力

课程标准要求发掘实验在培养学生发现和提出问题能力方面的潜在价值。可以从观察现象和体验过程两方面培养学生提出问题的能力。

通过观察现象培养学生发现和提出问题的能力。一是引导学生观察生产生活实践情境，思考情境中人们的实际需求，激发学生为解决实际需求而提出问题。事实上，人类的发明创造都是人们在生产生活实践中发现需求，然后提出问题进行研究而实现的。二是让学生观察演示实验情境，在观察中产生认知冲突，为解决认知冲突而提出问题。当输入的信息与大脑原有认知产生矛盾时，学生就有弄个水落石出的强烈诉求。演示实验不仅仅激发兴趣，在启发学生思考和提出问题上，有同样重要的作用。

通过体验过程培养学生发现和提出问题的能力。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。学生只有亲身体验才能深刻认识理想与现实的差距，才能准确体会操作的精准与现象的微妙变化，才能设身处地地反思实验原理、过程、结果和产生的误差等。创设任务情境，让学生在体验中完成任务，往往学生能提出很多教师意想不到的问题，教师应该抓住机会及时引导，与学生共同打磨这些问题，形成有价值、可探究的问题。创设任务情境，让学生在完成任务过程中受启发，运用科学思维提炼有价值的问题是提高问题意识的重要方法。

2.2    强化学生制订方案收集证据的能力

制订实验方案。当前仍然存在按照教师或者教材既定实验步骤进行“按方抓药”式实验课，学生仅仅熟悉实验步骤和熟练操作器材，对“为什么要这样做”“还可以怎么做”等问题没有深入思考，不利于培养学生依据实验目的制订实验方案的能力。第一，让学生体会一个探究任务往往可以分解成几个小问题加以解决，每个小问题涉及实验的不同方面，有不同的解决方法。如使用什么装置完成实验，实验原理是什么，借助哪些器材收集数据，实验方案是否产生误差，有没有办法消除误差等。引导学生逐一思考以上问题，根据客观条件给出答案。第二，考虑实验原理、实验器材和实验数据收集等实验环节的协调匹配，使几个小问题有机组合起来，从而整体构思探究计划。第三，要借助身边的学习资源优化完善实验方案。如可以寻求教师的帮助将探究任务进行分解，通过阅读器材说明书了解其使用方法，与同伴分享方案，在讨论中完善方案等。第四，在日常教学中舍得花时间给学生制订方案。教师可以准备多种方案对应的器材，让学生在丰富的器材前提下自由选择合理搭配，让学生在体验中优化方案，总结制订方案的得与失。第五，实验结束后让学生反思实验方案的便捷性、有效性，为下次制订方案提供经验借鉴。

实验操作收集证据。根据实验方案实施探究活动，熟悉常见物理仪器的使用方法，熟练、准确地操作实验仪器，明确仪器的读数原理和规则，注意读数的准确性。学习使用常见的工具收集数据，从便于观察实验数据之间关系的角度设计数据记录方式，如设计表格收集数据，为处理数据做好准备。

2.3    提高学生基于证据解释论证的能力

建构分析数据的基本模型。以实验原理为模型建立数据之间的定量关系。大胆猜想数据之间的关系，尝试用图像等直观方式探索物理量之间的关系。通过数学变换尽量整理出物理量之间的线性图像，便于观察和运用图像获得结论。

提高学生的解释能力可分成推理和论证两个方面。验证性实验重点发展学生的科学论证素养。培养学生根据实验目的解释实验现象和实验数据，寻找现象数据与实验结论之间的逻辑联系进行论证，证明实验结论的正确性。探究性实验重点发展学生的科学推理素养。尝试用列表格、作图像、函数拟合等多种方式整理数据，发现数据之间蕴含的物理规律，根据事实和现象运用逻辑推理确立物理量之间的关系，获得实验结论。

提高解释论证能力除了关注与实验假设相符的实验现象和事实外，还要观察收集与实验假设相矛盾的现象和数据，尝试解释现象、数据与实验结论相矛盾的原因。

2.4    发展学生表达交流优化方案的能力

提供学生表达的机会。实验结论的表达教师不应越俎代庖，完成实验操作得到论证后，教师应给学生提供表达的时间和机会。让学生把实验结论用自己的语言准确、简练地表达出来，可以运用文字、表格、图像、公式、插图等丰富的表达形式。当然，学生的表达应当准确、精炼、富有逻辑和学科特色。

提供学生交流的平台。获得实验结论后，教师应组织学生进行必要的讨论，内容包括实验方案的设计、实验装置与器材的选用、实验现象和数据的收集、实验结论的获得、实验误差及原因等。学生与同伴交流的过程，就是对比优化实验方案、修正推理论证、想方设法减少实验误差的过程。学生亲身经历实验探究过程后思维是活跃的，只要有充分的时间和平台，学生可能提出很多优化实验方案的措施与做法，为下一次设计实验方案奠定基础。

综上所述，实验是理论与操作相结合的教学活动，一定要让学生经历实验探究的关键步骤和必要过程，如提出问题、制订方案、探究过程、收集数据、推理论证、表述结论、误差分析等过程，着力从问题、证据、解释、交流四个方面培养科学探究素养。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径［J］.中国考试，2019（12）：38-44.

［3］教育部考试中心.中国高考评价体系［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］学科网.2024年高考全国甲卷理综物理真题［DB/OL］.（2024-06-14）.https：//www.zxxk.com/soft/45773271.html.

［5］学科网.2024年新高考广东卷物理高考真题［DB/OL］.（2024-06-20）.https：//www.zxxk.com/soft/45876057.html.

［6］学科网.2024年新高考河北卷物理高考真题［DB/OL］.（2024-06-18）.https：//www.zxxk.com/soft/45826619.html.

（栏目编辑     陈    洁）