基于实验数据的实验探究题的命题程序

蔡呈腾

摘 要：厘清基于实验数据的实验探究题的命题程序，从命题的视角看实验探究题的考查功能，有助于真实考查学生的高阶思维能力和科学探究能力.通过个案研究，建立了“素材的选择”“材料的修饰”“变量的辨析”“问题的挖掘”和“材料的加工”五个命题流程，其中“变量的辨析”是命题过程中的核心程序.同时命制出一道基于实验数据的实验探究题，并对每个命题流程体现出的命题意图、考查目标和注意事项进行分析，特别是对命题细节的多种可能作了最优化选择.

关键词：实验数据；实验探究题；命题；程序；素材

从命题角度考虑，给定的一个项目（如一个实验）是一个有机的综合体，这个综合体中问题的提出和解决，需要综合的认知过程.根据布卢姆教育目标分类学，对项目整体的认知过程有分析、评价和创造.但具体到对某一个项目或问题的解决时，其中一种认知过程往往突出体现出来.

实验探究题是综合性试题，它想要考查的往往不在于学生原有知识的掌握情况，而是对科学探究技能的检测.对能力的检测就需要在一个具体的项目中进行，一道实验探究题就是一个项目的展示，一系列信息的发布，一种价值观的表达.

本文阐述命制一道以实验数据为素材的实验探究题的流程，以及在命制过程中的一些思考.

一、对素材的选择

由于要求命制以实验数据为材料的实验探究题，所以选择的素材应该是一组实验室测定的真实实验数据，本文选择了一组关于金属受热膨胀的实验数据，实验数据来自某学术杂志.

在实验室（室温20℃）里分别利用铜丝和铁丝进行受热膨胀实验，获取了如表1所示的实验数据.

这则材料是真实的实验数据记录结果，研究的就是金属的线膨胀系数.线膨胀系数不属于初中物理学科知识内容，但对其规律的探究，正可以考查识别与控制变量、制作图表、实验实施和结果分析、下操作性定义、建立概念模型和数学模型等科学探究能力.

对实验数据的选择需要遵循一个原则，即选择研究的实验内容是学生没有学过的，或者学生在下一阶段也不会学到的.如某实验探究题选择研究“动能的大小与什么因素有关”，其中的第（3）小题如下：

为了解物体的动能大小与质量和速度的定量关系，小明查阅相关资料，收集到利用不同物体研究动能大小的相关数据，如表2.

若某物体的质量为20千克，速度为20米/秒.请根据上述的规律分析，该物体的动能大小为▲焦耳.

该小题命题的立意非常清晰，考查学生根据已知表格的数据建构数学模型的能力，从而利用建构的数学模型解决实际问题.但本材料存在两个致命的缺点：一是数据的真实性问题，按照初中物理教材中“研究影响动能大小因素”实验，无法测得动能大小值，表格中的数据只能是命题者伪造的；二是一些教师在教动能的过程中，就把动能的公式E=[12]mv2直接告诉了学生，而一些学生也机械式地记住了该公式，解此题时利用公式很快得到了正确的答案.这样，试题的信度严重受损，试题的“公平性”也严重缺失.最重要的是，这给教学带来一个极为不良的导向，即教师在教学过程中，总想把应该属于高一阶段学习的内容提前教了，或要求学生机械记忆，或进行生搬硬塞，生怕学生在这方面吃亏，给学生带来严重的学习负担，违背了教育教学规律.

二、对材料的修饰

为了使考查的方向直指向布卢姆教育目标分类学认知过程中的分析水平，需要对素材进行适当的抽象化处理，以便让学生在对素材的认知方面不受无关因素的干扰.为此，对资料进行修饰，修饰内容主要包括情境真实性的细化，概念抽象化，数据系统化.如给数据的来源加上出处，对表格中的数据标上字母，对数据进行适当的处理.但也要遵循一个原则，即不可随意更改原始数据，这是科学研究的基本原则.

基于对上述的认识，可将表1的材料进行如下的修饰.

小温同学查阅资料发现，金属在受热膨胀时伸长的长度是有规律的，于是在实验室（室温20℃）里分别利用铜丝和铁丝进行实验，获取了如表3的数據：

三、对变量的辨析

认知过程的分析，就是将材料进行分解，把它分解为几个组成部分，同时确定每个部分之间的相互关系，以及各部分与总体结构或实验总目的之间的关系.首先要对呈现材料的相关与无关部分或重要与次要部分进行区分；同时要善于发现材料各部分之间的连贯性，并进行整合、概述、分解、构成，从而确定各个要素在一个结构中的合适位置或作用；最后还要确定材料背后的观点、倾向、价值或意图.

本材料已经给定了几个很重要的概念，如不同的金属材料（铜和铁），不同的金属原长（l0），对金属膨胀的主要影响因素温度（t），因变量伸长长度（[Δl]）.在此就要区分相关变量与无关变量之间的关系，如材料种类、升高的温度（[Δt]）和伸长长度（[Δl]）是直接变量，而初温（t0）、末温（t）不是影响金属膨胀的直接变量.所以，在命题的这个环节，要严格辨析升高温度（[Δt]）与初温（t0）、末温（t）的区别，区分伸长长度（[Δl]）与材料原长（l0）、伸长后长度（lt）等的不同.

分析材料可知，相同材料的金属伸长长度与升高温度成正比.这样就把材料中各个部分（变量）进行了整合与联系，树立一个“自然界各物理量之间是有相互联系”的观念.

四、对问题的挖掘

问题是基于素材本身的.比较6组实验数据发现，数据中有单变量的比较，如1与4、2与5、3与6三组实验数据只有单一的自变量，它是金属材料；数据中也有双变量的比较，如1、2、3（或4、5、6）三次实验数据比较，自变量有金属原长（l0）和升高温度（[Δt]）；当然还可以是三个自变量的数据比较，但对初中学生来说，三个自变量的考查一般是不会涉及的.

相对单一变量的考查，双自变量的考查对初中学生已经是一大难点.在双变量的考查上，可以比较两个自变量对因变量的影响程度分析（相当于分析影响因子的权重），也可以基于双变量对因变量的影响规律，去推理其中某一个单变量对因变量的影响规律.

通过比较实验序号1、2、3（或4、5、6），还是不能推导出“同一材料的金屬在受热膨胀时伸长长度与升高温度成正比”的结论的.因为实验序号1、2、3（或4、5、6）三组数据中就有两个自变量，要想“同一材料的金属在受热膨胀时伸长长度与升高温度成正比”结论成立，需要“金属（铜或铁）在升高相同温度时伸长长度与原长成正比”，或者“同种材料的各部分金属随温度升高，膨胀是均匀的”.所以设置第1个问题如下：

（1）通过比较实验序号1、2、3（或4、5、6），小温认为金属在受热膨胀时伸长长度与升高温度成正比.老师认为小温的结论要成立，还必须有一个前提条件，即▲.

对数据的表达，除了以表格形式外，图像也是最常见的方式，而且不同的图像形式表达就是对数据之间关系的不同理解.就如前文所分析的一样，可以考查对各个变量的理解和它们之间的关系.如金属在受热膨胀时，伸长长度是与金属原长成正比的，不同金属材料伸长量是不同的.为此，设置了如下问题：

（2）根据表格数据，图1四图表示伸长长度Δl与各量之间的关系合理的是▲.

从表格数据可知，金属伸长长度[Δl]与材料的原长[l]0成正比，相同长度的铜与铁升高相同的温度，铜比铁伸长的长度更长，所以该题选AD.

五、对材料的加工

当原材料不足以挖掘出命题者想要考查的目标问题时，适度地对材料进行加工，将有助于挖掘出更深入、更能考查出科学探究能力的问题.对材料的加工包括：从命题的立意出发，按照考查的要求对材料信息进行适度解读；对材料中含有使考生对材料信息内容的理解引起偏差或存在歧义的部分进行修正和补充说明；对材料中部分关键信息含量过于隐晦的内容进行提示性说明；对材料中过度直白的信息作删减性修改，对材料提供的数据，按照命题的难度和要求进行一定的整理、归类或重新计算.

对本实例的实验数据材料的加工就是对实验数据的再整理、归类与重新计算.原材料中最具有现实意义的就是铜与铁这两种不同金属的线膨胀系数不同.但很明显，给定的材料中，伸长长度（[Δl]）并不能代表线膨胀系数，只有“每升高1℃时，单位长度（1米）的伸长量X”才能代表线膨胀系数.为此，我们可以在原表格中增加一列“每升高1℃时，单位长度（1米）的伸长量X（/℃）”，如表4所示.

根据表4，第（2）小题可以改成如下：

（2）根据表格数据，图2四图表示X与各量之间的关系，其中合理的是▲.

四个图像中的X代表的是金属的线膨胀系数，只与金属的种类有关，而与金属原长、温度、升高温度等都无关，所以正确答案选C.

同时，通过考查学生构建物理概念模型的能力，可以命制如下的一小题：

（3）通过分析数据发现，铜和铁的温度每升高1℃时，其单位长度的伸长量叫做线膨胀系数（α）.资料表明，这个规律在温度变化不大时是普遍适用的.已知某金属在t0℃时的长度为 l0，温度升高到t℃时的长度为lt，则它的线膨胀系数α=▲.

根据线膨胀系数的定义，线膨胀系数α=[lt-l0l0（t-t0）].

当然，如果不给定表格中的最后一列，也可以考查第（3）小题，只是考查的难度相对要大了些.

如果把五个程序进行统整，它们之间的关系可以用如图3的程序图来表示：

图3中，①②③④是正常的命题流程顺序.使用素材进行命题的过程中，对变量的辨析是核心的流程要素，它关系到对考查问题的挖掘，关系到能否实现考查目标.同时，在对素材进行选择时，就有了⑤有意对变量进行了辨析，以便为考查问题提前进行挖掘；因为对材料进行加工后，就需要有⑥对材料变量再辨析的过程.