基于实验:物理习题训练的创新

摘要：习题训练对学生学习物理有着极为重要的作用。而在做题中让学生参与编题，则能将学生从解构型的“做题者思维”拉升到建构型的“编题者思维”，促其充分运用自身已有的物理学识，将物理思维训练提升到一个新高度。更进一步地，若将做题与编题的实践建立在实验的基石之上，将在更大程度上让物理教与学回归其本来的面目。

关键词：中学物理；实验；习题训练；做题；编题

物理学基于观察和实验，构建物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系。［1］进一步说，研究物理的实验手段与形成物理的科学思维方法息息相关，互为表里。从目前中学阶段的实际情况来看，习题训练仍是学生面对物理学科最主要的学习行为。由于诸多因素叠加，如今的中学物理教学对实验手段的淡化现象广泛存在，导致通过单纯的做题来完成物理思维方法的培养成为普遍的做法。首先，我们必须承认习题训练（做题）对学生学习物理有着极为重要的作用——这种纸上的思维实践具有较低的操作成本和较好的成效。其次，我们认为，在做题中让学生参与编题，能将学生从解构型的“做题者思维”拉升到建构型的“编题者思维”，促其充分运用自身已有的物理学识，将物理思维训练提升到一个新高度。更进一步地，我们认为，若将做题与编题的实践建立在实验的基石之上，将在更大程度上让物理教与学回归其本来的面目——基于实验，尊重事实。

一、 起步：用实验帮助做题

（一） 突破情境中的疑难点

当用实验的手段再现习题情境时，习题将立体地呈现在答题者的面前。这是对答题者“眼耳鼻舌身”的全面刺激，对大脑引发的神经冲动是强烈的、多通道的，也就更易使答题者形成更高水平的专注、更强烈的意识，习题所表述的物理问题的解决也就不再那么困难。基于实验做题，让习题散发出物理学科特有的芬芳，化艰涩难懂的语句为生动活泼的情境。试举一例。

例1如图1所示，在水平天花板与竖直墙壁间，通过不计质量的柔软绳子和光滑的轻小滑轮悬挂重物G=40N，绳长L=2.5m，OA=1.5m，求绳中张力的大小，并讨论：

（1） 当B点位置固定，A端缓慢向左移动时，绳中张力如何变化？

（2） 当A点位置固定，B端缓慢向下移动时，绳中张力又如何变化？

W同学和H同学在利用理论推导的方法答完这道题后，向教师表达了对第（2）小问结果的好奇——B端沿着竖直墙壁缓慢下移，绕过动滑轮的细绳所成角度真的不变吗？这是对第（2）小问作出“绳中张力保持不变”判断的重要中间判据。此时两位学生的关注点，已经不再是数学推演过程的严谨性，而是现实物理世界对这一现象的可实现性。两位学生的这种实证意识，正是学习物理难能可贵的品质，只有让他们亲自动手做一做，才能让这种品质得到鼓舞和提升。于是，教师指导他们开展了实验探究：线头（B端）从图2所示的位置缓慢移动到图3所示的位置的过程中，三角尺（其实用量角器更好）上边缘与细绳交点位置不变，即细绳所成角度保持不变。通过实验，学生证实了推理结果的正确性。

从上述案例可以看出，基于实验做题，不同于单纯的“刷题”，而是更接近拥有强烈学

术精神的“研题”。只有这样，学生才能体会到物理学科的独特魅力，其学习物理的兴趣和热情才会不减反增，物理学科核心素养的培养才不至于成为空谈。

（二） 辨别题目中的“失真”信息

如今市面上的各种教辅资料里、网络题库中，有不少“失真”习题，它们的存在一定程度上异化了习题在教学中的功能。而基于实验做题，恰似一面“照妖镜”，可以在对习题正本清源的同时，培养学生的质疑精神和鉴别能力。试举两例。

例2下页图4是某款电吹风机的电路图，它主要由电动机M和电热丝R构成。当闭合开关S1、S2后，电动机驱动风叶转动，将空气从进风口吸入，经电热丝加热后，形成热风从出风口吹出。已知电吹风机的额定电压为220V，吹冷风时的功率为120W，吹热风时的功率为1000W。关于该电吹风机，下列说法正确的是（）

A 电热丝的电阻为55Ω

B 电动机的电阻为12103 Ω

C 当电吹风机吹冷风时，电热丝每秒钟消耗的电能为120J

D 当电吹风机吹热风时，电动机每秒钟消耗的电能为1120J

S同学在做完这道题后，对习题所创设的情境深表怀疑，轻巧的电吹风机里安装的可能是直供220V的交流电动机吗？在教师的指导下，他拆解了家中废旧的电吹风机，发现其中安装的是低压直流电动机，并重新绘制了电路图（如图5所示）。对问题情境提出质疑并动手实验验证，学生习得了更多习题之外的真知识（如图5的设计有结构轻巧、性能稳定、成本低廉等诸多优点）。这种基于实验的做题将学生引向一种自然的深度学习。

例3如图6所示，在操场上，两同学相距L（10m左右），沿垂直于地磁场方向的两个位置，面对面将一并联铜芯双绞线，像甩跳绳一样摇动，并将线的两端分别接在灵敏电流计上。双绞线并联后的电阻R为2Ω，绳子摇动的频率配合节拍器的节奏，保持f=2Hz。如果两同学摇动绳子的最大圆半径h=1m，电流计的最大值I=3mA（不计电流计内阻及连接线的电阻）。

（1） 试推导出地磁场的磁感应强度B的数学表达式（用R、I、L、f、h等已知量表示）。

（2） 试估算此处地磁场的磁感应强度B的数值。

（3） 若将两人摇绳的位置改为与刚才方向垂直的两点，则电流计的示数是多少？

F同学在做这道题时，对题中考虑导线电阻却不计电流计内阻的做法深表不解。因为他在做电流表改装实验时测量过表头的内阻，可达几百欧姆。考虑实际情况，电流计的内阻是万万不可忽略不计的，否则就会造成后续测量的严重错误。随后该生在教师的协助下，再次用数字多用电表粗测了实验室灵敏电流计的内阻和一卷双绞线的电阻（分别如图7、下页图8所示），证实了自己的观点。

综上所述，学生在大脑中搭建习题情境，对解决习题中预设的问题十分关键，而教师指导学生动手实验，是辅助学生破除情境疑云的一种重要手段。平日里反复运用此法，可以有效地提高学生解决问题的能力（答题能力是解决问题能力的一种）。将实验与做题相结合，对当前条件下培养学生主动质疑的习惯和能力也有着重要的价值。

二、 进阶：依据实验进行编题

做题者经历的是一种解构型思维，即他面临的任务是解构人为设定的情境来解决人为设定的问题；而编题者经历的则是一种建构型思维，他需要选择一些情境并提出供人解决的具体问题，这更具自主性和创造性，为思维的完整发育提供了重要的“营养补充”。正如爱因斯坦所说：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。因为解决问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”我们所倡导的编题是基于实验的编题：编题活动是对实验活动的模型化浓缩，而实验又为编题提供了不可或缺的科学性验证。

例如，X同学在家中厨房观察到电水壶中水烧开时的场景，然后在教师的指导下编制了一道题。［2］

例4一壶水放在火炉上，壶嘴的上方喷着“白气”，壶盖“扑哧扑哧……”上下张合。X同学用两把质地相同的菜刀，将一把菜刀经过冷冻后放在壶嘴上方，看到刀面上出现大量水珠；将另一把菜刀在热水里浸泡一段时间后放在壶嘴上方，看不到刀面上有水珠出现。

（1） X同学在实验时用温度计测量了壶水的温度（如图9所示），是摄氏度。X同学家里现有水银温度计（-20℃～120℃）、酒精温度计（-30℃～60℃）、体温计、寒暑表等不同种类的温度计，本实验应该选用的温度计是。

（2） 他记录的数据表如表1所示，其中第min的数据是错误的。根据实验数据可知水的沸点是℃。水沸腾过程中温度（选填“升高”“保持不变”或“降低”）。壶嘴有大量“白气”冒出，这些“白气”实际上是（选填“小冰晶”“小水滴”或“水蒸气”），“白气”形成是（填物态变化的名称）现象，此过程（选填“吸热”或“放热”）。表1温度随时间变化情况

时间/min012345温度/℃929394959697时间/min678910……温度/℃9898939898……（3） 壶盖“扑哧扑哧……”上下张合，下页图10中与其能量转化方式相同的是（）

（4） 仔细观察发现，“白气”在壶嘴上方离壶嘴还有一段距离，为何“白气”未在壶嘴处出现，请说明原因。

（5） 为什么在热水里浸泡过的刀面上没有小水珠出现？

这道题是基于真实实验现象编制的。学生将温度计读数与选取、数据记录与甄别、沸点、物态变化、能量转化方式等知识点巧妙地融合到一起，体现了灵活的素材加工能力。他还通过冷冻菜刀和热水泡刀的创造性操作，提出独创性问题，这是通过单纯做题所不能展现和训练的。

又如，Y同学经过反复开展一元钱硬币碰撞实验，请教了教师一些专业知识后，编制了一道颇有新意的题目。

例5Y同学想利用两枚一元硬币自主研究硬币碰撞规律。他手动操作，多次尝试，发现很难实现硬币的对心碰撞。但是细心的他发现，在发生斜碰时，碰后分开的角度似乎比较接近。于是他大胆假定，硬币侧壁光滑且完全弹性时，运动的硬币与静止的硬币在斜碰发生后分开时会沿着相互垂直的角度分开。（两枚硬币可视为等质量物体）

（1） Y同学的猜想正确吗？请在以下提示下通过理论推导回答。（提示：如图11所示，将硬币1的速度v沿碰撞时两硬币中心连线方向及其垂直方向分解为v1和v2，这样硬币1相当于以速度v1与硬币2发生对心正碰。）

（2） 为了追踪硬币的轨迹，进而准确测量两枚硬币碰撞后分开的角度，Y同学将夜光胶带贴在硬币上重新实验，发现情况如图12所示。这说明，硬币在斜碰时实际发生的是（选填“完全弹性”“非弹性”或“完全非弹性”）碰撞。

本例中，学生本想用硬币碰撞实验验证完全弹性碰撞的规律，但在实验操作中发现很难做到完美的对心碰撞，即使偶尔做到，也很难观察到完美的等质量弹性碰撞的速度交换现象。在教师的鼓励与指导下，他借助硬币碰撞的真实实验情况创造性地编制了这样一道题。没有实验做衬底，学生（包括专业命题人士）是很难编制出这样既符合实际又具有创意的习题的。

三、 超越：“做题—实验—编题”的习题训练流程

我们以为，用实验帮助做题、依据实验进行编题仅能单方面提升学生解决问题的能力或提出问题的能力。而基于实验的做题与编题相结合，可以有效避免这种情况的发生，其运行的简易逻辑结构如图13所示。

中学物理学科核心素养中物理观念的形成、科学思维的培养、科学探究的常态化、科学态度与责任的凸显等，均可以在“做题—实验—编题”的“组合拳”中找到适合的落实方法。如，让实验的手段成为基础，在物理学习过程中频繁地介入，就是对科学探究中问题、证据、解释、交流诸要素的生动训练；借助实验质疑旧题情境、构建新题情境，就是对科学思维中模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新的笃实践行……在班级授课制为主要教学组织形式的今天，在纸笔考试为主要评价方式的时下，“做题—实验—编题”的习题训练流程，不失为落实核心素养培养的一种积极的尝试。下面试举一例。

例6（2021年辽宁省锦州市中考物理试题）图14所示是小明“探究冰熔化时温度变化规律”的装置，请回答下列问题：

（1） 某时刻试管中温度计的示数如图15所示，是℃。

（2） 把装有碎冰块的试管放到装有水的大烧杯中加热，主要目的是使碎冰块

。

（3） 图16是小明根据实验数据绘制的冰的温度随时间变化的图像。由此可知冰是（选填“晶体”或“非晶体”）；在第6min时，试管内的物质处于（选填“固态”“液态”或“固液共存态”）。