号主按：新年伊始，物理优质公众号联盟策划推出“感恩你，向粉丝送豪礼”活动方案。本号作为联盟成员之一，非常赞赏这一活动，并以本号个性方式响应这一活动，即于近期推送号主已发表论文（知网可查）。
今天推送的论文，是号主根据教学实践观察而专门撰写的评论性文章。本文的直接阅读对象是教师，对教师实验专题备课教学具有参考价值。
———————……………—————
实验设计是实验教学的核心环节，也是决定实验成败或实验层次的关键性要素。那么，实验设计的逻辑起点是什么？高中物理实验教学又存在哪些误区？这样的实验教学将产生怎样的影响？笔者就这些基本问题进行了一些思考,发现实验目的和实验条件是进行实验设计的逻辑起点，在高中物理实验教学及其考查评价存在忽视实验目的和实验条件的设计误区。本文以纸带问题为例进行探讨，从而对2019年两道纸带实验题进行了评析。
一、实验设计的逻辑起点
1.实验目的是实验设计的启明灯
实验设计的逻辑起点之一，应该是实验目的。就探究性实验而言，基于理论思考或现象观察，提出了有意义的问题；针对问题，通过科学推理或初步现象分析，提出假设性结论，探究性实验的目的就是通过设计合理的实验验证猜测性结论；就验证性实验而言，验证已知原理就是实验目的；对于测量性实验，根据测量原理进行测量转化从而实现间接测量是实验目的。其中，已知原理和测量原理，统称为实验原理，因此，就验证性实验和测量性实验而言，强调根据实验原理设计实验方案是正确的教学主张。
2.实验条件是实验设计的脚手架
实验设计中另一个必须考虑的问题，说起来比较常规，但却极易忽视，那就是实验条件。要完成某个实验目的，必须创造相应的实验条件。例如，牛顿发现了万有引力定律，但牛顿并没有创造实验条件来证明，直到卡文迪许通过扭称实验才得以定量证明。为完成某个实验目的，可能无法创造最佳的、或最直接的实验条件，但可以创造简单的、间接的实验条件，从而实现初步的实验，例如，自由落体实验，伽利略没有精确的测时仪器，于是只能设计“冲淡重力”的办法进行实验，然后配合科学推理完成实验探究；有了真空管后，才得以直接观察到轻重物体同时落地的现象，即直接观察到自由落体实验。事实上，同样的实验目的，依据不同的实验条件可以设计不同的实验方案，不同方案之间，可能有操作优劣之别，也可能是异曲同工之妙。
3.实验课堂教学现状及其影响
由于课时紧张等原因，绝大多数高中物理实验课堂是教师引出实验目的后，往往直接呈现教师准备好的实验器材设计实验方案，仓促完成实验，结束课程，因此，高中物理课堂很难呈现“在不同的实验条件下设计不同的实验方案”丰富而多彩的实验课。传统实验课，禁锢了师生的思维，阻碍了师生实验技能的提高，表现为实验技能正向迁移能力差。
其中，运用打点计时器和纸带探究直线运动问题或完成匀变速直线运动的加速度测量问题，是高中物理最重要的实验课程之一，然而，就纸带计时点的处理、速度的测量、加速度测量等问题，一线教学中教师存在不少困惑。认真研究发现，这些困惑和争议，缘于思维被禁锢，表现为公说公有理、婆说婆有理、各执一词、鸡同鸭讲，根本原因是对实验方案的评价脱离了实验目的和实验条件。本文以纸带问题为例，说明实验方案的设计离不开实验目的和实验条件，对实验方案的评价应当基于实验目的和实验条件两个观察维度。
二、纸带疑难问题分析
1.计数问题
打点计时器在纸带上留下的点称为计时点。为什么还要把计时点标为计数点？每隔几个计时点标为计数点？这是非常基础的问题，不少教师却在教学中忽视了，当问及这些基本问题时，一时难以回答，有些教师甚至给出了错误解释。
任何实验，都离不开安全、精确、经济三原则。就纸带问题的分析，得从精确和经济两个原则上进行综合分析，不可片面。从精确原则而言，只要纸带计时点清晰，每一个点都进行分析，自然有利于对运动情况的精确把握；从这个意义上来说，每一个计时点都作为计数点是最精确的，然而，由于实验要求及实验性质不同，从经济角度而言，无需对所有计时点进行分析，于是把若干计时点标注出来作为计数点，可以缩短数据测量、处理和分析的时间，提高实验效率。一般把纸带上清晰的计时点标注6~8个计数点，就能满足实验教学的要求。为了便于分析，相邻计数点之间的时间间隔应当相同，相邻计数点间隔几个计时点由计时点个数和计数点个数共同决定。
例1 如图1甲是某学生为测量小车与斜面之间的动摩擦因数的实验装置图，图1乙是一次实验后纸带的实际打点情况。该生先标注了清晰的计时起点0，为较为精确高效地完成实验项目，接下来该生要间隔（ )(从1、3、5、7四个数字中选择)个计时点标注为1个计数点。
答案 1
解析 为了达到精确而高效完成实验目的，计数点的个数一般是6~8个，结合计时点个数，相邻计数点之间只能有一个计时点。
评析 核心素养理念下实验高考题应该把亲自做过实验和仅在考题上完成实验的考生区分出来，如例1就能够较好地达到这一选拔性效果。
2.速度测量问题
测量纸带上计数点的速度是分析物体运动情况的常用方法。计数点的速度是瞬时速度，本质是通过测量微小时间内的平均速度来代替瞬时速度。那么，这个微小时间应该是多短的时间？是不是越小越好？为了较为精确的测量计数点的速度，哪些客观因素会起到制约作用？
3.加速度测量问题
加速度的测量是纸带实验中的重要内容，也是高考的常考考点，然而，围绕这个考点如何命制试题，考查什么方法，学术上是有争议的，正如前文所述，引起争议的原因是脱离“目的十条件”观，视域狭隘，观点片面。下面就四种加速度测量方法进行剖析。
(1)连差法
从整段加速度的测量而言，以上评论是正确的，但是连差法也有可取之处。例如，探究或判断某直线运动是否为匀变速直线运动，连差法相比于逐差法、两段法都更好。通过连差法求得各部分加速度，在误差允许范围内认为相等，则为匀变速直线运动；否则不能认为是匀变速直线运动。
(2)逐差法
课程减负理念[3】。
从测量匀变速直线运动的加速度而言，关于逐差法上面两点评论是中肯的，然而，如果在某次实验中，“手头”上只有短量程的刻度尺，没有办法测量大距离时，是不是实验就得因此中断？答案是否定的。也即，基于实验条件的原因，相比于连差法，从理论上运用逐差法可以减小实验误差。
(3)两段法
(4)图像法
通过测量计数点的速度，在v—t图像上描点，然后根据描点趋势判断运动特点——如果在误差允许范围内，可以拟合为一条倾斜的直线，则可认为是匀变速直线运动，通过求解直线的斜率得到加速度，这样的方法称之为图像法。图像法是实验数据处理的一种常用方法，能够简单明了，直观形象地说明物理规律，也能减少实验误差，是实现多次测量减少偶然误差的图形表达方法；通过图像法可以判断测量“异常”数据，舍弃这种异常数据，是减小偶然误差的有效手段。值得指出，图像法中偶然误差的大小还受到坐标纸的规格、大小等因素影响。也就是说，是否运用图像法处理数据，也要充分考虑实验条件的影响。
三、2019年纸带实验题评析
例1（全国卷Ⅰ第22题）某小组利用打点计时器对物块沿倾斜的长木板加速下滑时的运动进行研究。物块拖动纸带下滑，打出的纸带一部分如图3所示。已知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz，纸带上标出的每两个相邻点之间还有4个打出的点未画出。在ABCDE五个点中，打点计时器最先打出的是 点，在打出C点时物块的速度大小为 m/s（保留3位有效数字）；物块下滑的加速度大小为 m/s²（保留2位有效数字)。
答案 A;0.233；0.75.
行计算，如此处理显然用时较多，不管从实际实验而言，还是从时间高度紧张的理综考试而言，这都是费时费力、效率低下、不符合经济性原则，这是有些老师批判逐差法测量加速度的原因之一——逐差法测量加速度，未能尊重实验实际，有违科学态度的培养要求。从命题视角来评价，2019年这道加速度测量试题，完全避开了争议性问题，不能不佩服命题人的高超智慧。
说明 参考答案没有提供详细解析，或许也是为了避免争议。但是，具有引领示范作用的高考卷，如此这般处理，不免会增加一线教学困惑，使得这种引领示范性大打折扣。另外，读数时，估读位数字，不同人读出来的数据不一样，最终导致测量结果不一样，这里反映的正是读数误差，例如，有同学读得xAC=0.0313 m，最终计算得到a=0.76 m/s²。也就是说，参考答案应该给出一个误差允许范围内的参考答案，而不是仅仅给出唯一参考答案，避免考生产生读数焦虑。有些考生放弃读数实验题，不是因为他们没有掌握读数要领，而是他们产生了读数焦虑，这需要引起教师的重视。
种不同的方法，计算加速度，在数值上有所差异，代入公式计算动摩擦因数，在保留两位有效数字的要求下，得到结果是一样的。可见，两种方法似乎都可以，都在误差允许的范围内。更有讽刺意味的是：舍弃“最小段”方法，在计算中恰恰没有舍弃最小段；舍弃“中间段”方法，在计算中恰恰没有舍弃中间段。
综上可见，2019年两道纸带问题都命制了加速度计算这一数据处理问题，就计数点的数据测量中，均没有采用“分割测量”操作，落实了回归实验实际，遵循科学本质的核心素养要求——量程、精度均能满足要求时，“全程测量”才能减小测量误差。全国Ⅰ卷这道题命制得尤其独到，在时间极其精贵的考场中，按照“逐差法”计数点逐一读数并计算加速度，势必会因浪费时间而损失“惨重”，无形中对长期形成的“逐差法”僵化认识实现了纠偏，而又不至于矫枉过正。
四、结论与拓展
关于高考实验题的命制，一直是高考题命制的“难点”，很难达到“激励实验教学，提高实验技能，引领创新能力”的教学导向作用，因为命制出来的试题很难避免“知识化”倾向，削弱了“操作化”要求。高中物理实验，分为探究性实验、验证性实验和测量性实验，若考查探究性，就要体现由“不知”到“探知”的特点；若考查验证性，就要体现从“已知”到“确知”的特点；若考查测量性，就要体现从“真知”到“应用”的特点。唯有如此，实验题的命制才能落实“从解题到解决问题方向转变”的考纲要求。另外，在命制试题时要充分展示可供选择的实验器材，如此才能彰显实验条件对实验方案设计的制约作用，落实科学态度的核心素养理念。显然，2019年全国卷两道纸带实验题体现了考纲新要求，能起到很好的导向作用。
参考文献[1]邹会坤.“逐差法”在高中物理实验中应用值得商榷[J].物理通报，2014(4)：106-107.[2]董光顺.关于利用逐差法测量加速度减小实验误差的有效性理性辨析[J].物理通报.2015(2)：65-67.[3]杭庆祥.为什么不要再考“逐差法”[J].物理通报，2014(8):106-109.
本文的PDF文件及本号的“豪礼”，下载步骤如下：
第一步，关注“大明论教”；
第二步，进入“大明论教”；
第三步，输入“号主论文”；
就会弹出分享二维码，然后识别二维码就可下载分享了。
,
