蔡呈騰

摘 要：厘清基于實驗數據的實驗探究題的命題程序，從命題的視角看實驗探究題的考查功能，有助于真實考查學生的高階思維能力和科學探究能力.通過個案研究，建立了“素材的選擇”“材料的修飾”“變量的辨析”“問題的挖掘”和“材料的加工”五個命題流程，其中“變量的辨析”是命題過程中的核心程序.同時命制出一道基于實驗數據的實驗探究題，并對每個命題流程體現出的命題意圖、考查目標和注意事項進行分析，特別是對命題細節(jié)的多種可能作了最優(yōu)化選擇.

關鍵詞：實驗數據；實驗探究題；命題；程序；素材

從命題角度考慮，給定的一個項目（如一個實驗）是一個有機的綜合體，這個綜合體中問題的提出和解決，需要綜合的認知過程.根據布盧姆教育目標分類學，對項目整體的認知過程有分析、評價和創(chuàng)造.但具體到對某一個項目或問題的解決時，其中一種認知過程往往突出體現出來.

實驗探究題是綜合性試題，它想要考查的往往不在于學生原有知識的掌握情況，而是對科學探究技能的檢測.對能力的檢測就需要在一個具體的項目中進行，一道實驗探究題就是一個項目的展示，一系列信息的發(fā)布，一種價值觀的表達.

本文闡述命制一道以實驗數據為素材的實驗探究題的流程，以及在命制過程中的一些思考.

一、對素材的選擇

由于要求命制以實驗數據為材料的實驗探究題，所以選擇的素材應該是一組實驗室測定的真實實驗數據，本文選擇了一組關于金屬受熱膨脹的實驗數據，實驗數據來自某學術雜志.

在實驗室（室溫20℃）里分別利用銅絲和鐵絲進行受熱膨脹實驗，獲取了如表1所示的實驗數據.

這則材料是真實的實驗數據記錄結果，研究的就是金屬的線膨脹系數.線膨脹系數不屬于初中物理學科知識內容，但對其規(guī)律的探究，正可以考查識別與控制變量、制作圖表、實驗實施和結果分析、下操作性定義、建立概念模型和數學模型等科學探究能力.

對實驗數據的選擇需要遵循一個原則，即選擇研究的實驗內容是學生沒有學過的，或者學生在下一階段也不會學到的.如某實驗探究題選擇研究“動能的大小與什么因素有關”，其中的第（3）小題如下：

為了解物體的動能大小與質量和速度的定量關系，小明查閱相關資料，收集到利用不同物體研究動能大小的相關數據，如表2.

若某物體的質量為20千克，速度為20米/秒.請根據上述的規(guī)律分析，該物體的動能大小為▲焦耳.

該小題命題的立意非常清晰，考查學生根據已知表格的數據建構數學模型的能力，從而利用建構的數學模型解決實際問題.但本材料存在兩個致命的缺點：一是數據的真實性問題，按照初中物理教材中“研究影響動能大小因素”實驗，無法測得動能大小值，表格中的數據只能是命題者偽造的；二是一些教師在教動能的過程中，就把動能的公式E=[12]mv2直接告訴了學生，而一些學生也機械式地記住了該公式，解此題時利用公式很快得到了正確的答案.這樣，試題的信度嚴重受損，試題的“公平性”也嚴重缺失.最重要的是，這給教學帶來一個極為不良的導向，即教師在教學過程中，總想把應該屬于高一階段學習的內容提前教了，或要求學生機械記憶，或進行生搬硬塞，生怕學生在這方面吃虧，給學生帶來嚴重的學習負擔，違背了教育教學規(guī)律.

二、對材料的修飾

為了使考查的方向直指向布盧姆教育目標分類學認知過程中的分析水平，需要對素材進行適當的抽象化處理，以便讓學生在對素材的認知方面不受無關因素的干擾.為此，對資料進行修飾，修飾內容主要包括情境真實性的細化，概念抽象化，數據系統(tǒng)化.如給數據的來源加上出處，對表格中的數據標上字母，對數據進行適當的處理.但也要遵循一個原則，即不可隨意更改原始數據，這是科學研究的基本原則.

基于對上述的認識，可將表1的材料進行如下的修飾.

小溫同學查閱資料發(fā)現，金屬在受熱膨脹時伸長的長度是有規(guī)律的，于是在實驗室（室溫20℃）里分別利用銅絲和鐵絲進行實驗，獲取了如表3的數據：

三、對變量的辨析

認知過程的分析，就是將材料進行分解，把它分解為幾個組成部分，同時確定每個部分之間的相互關系，以及各部分與總體結構或實驗總目的之間的關系.首先要對呈現材料的相關與無關部分或重要與次要部分進行區(qū)分；同時要善于發(fā)現材料各部分之間的連貫性，并進行整合、概述、分解、構成，從而確定各個要素在一個結構中的合適位置或作用；最后還要確定材料背后的觀點、傾向、價值或意圖.

本材料已經給定了幾個很重要的概念，如不同的金屬材料（銅和鐵），不同的金屬原長（l0），對金屬膨脹的主要影響因素溫度（t），因變量伸長長度（[Δl]）.在此就要區(qū)分相關變量與無關變量之間的關系，如材料種類、升高的溫度（[Δt]）和伸長長度（[Δl]）是直接變量，而初溫（t0）、末溫（t）不是影響金屬膨脹的直接變量.所以，在命題的這個環(huán)節(jié)，要嚴格辨析升高溫度（[Δt]）與初溫（t0）、末溫（t）的區(qū)別，區(qū)分伸長長度（[Δl]）與材料原長（l0）、伸長后長度（lt）等的不同.

分析材料可知，相同材料的金屬伸長長度與升高溫度成正比.這樣就把材料中各個部分（變量）進行了整合與聯系，樹立一個“自然界各物理量之間是有相互聯系”的觀念.

四、對問題的挖掘

問題是基于素材本身的.比較6組實驗數據發(fā)現，數據中有單變量的比較，如1與4、2與5、3與6三組實驗數據只有單一的自變量，它是金屬材料；數據中也有雙變量的比較，如1、2、3（或4、5、6）三次實驗數據比較，自變量有金屬原長（l0）和升高溫度（[Δt]）；當然還可以是三個自變量的數據比較，但對初中學生來說，三個自變量的考查一般是不會涉及的.

相對單一變量的考查，雙自變量的考查對初中學生已經是一大難點.在雙變量的考查上，可以比較兩個自變量對因變量的影響程度分析（相當于分析影響因子的權重），也可以基于雙變量對因變量的影響規(guī)律，去推理其中某一個單變量對因變量的影響規(guī)律.

通過比較實驗序號1、2、3（或4、5、6），還是不能推導出“同一材料的金屬在受熱膨脹時伸長長度與升高溫度成正比”的結論的.因為實驗序號1、2、3（或4、5、6）三組數據中就有兩個自變量，要想“同一材料的金屬在受熱膨脹時伸長長度與升高溫度成正比”結論成立，需要“金屬（銅或鐵）在升高相同溫度時伸長長度與原長成正比”，或者“同種材料的各部分金屬隨溫度升高，膨脹是均勻的”.所以設置第1個問題如下：

（1）通過比較實驗序號1、2、3（或4、5、6），小溫認為金屬在受熱膨脹時伸長長度與升高溫度成正比.老師認為小溫的結論要成立，還必須有一個前提條件，即▲.

對數據的表達，除了以表格形式外，圖像也是最常見的方式，而且不同的圖像形式表達就是對數據之間關系的不同理解.就如前文所分析的一樣，可以考查對各個變量的理解和它們之間的關系.如金屬在受熱膨脹時，伸長長度是與金屬原長成正比的，不同金屬材料伸長量是不同的.為此，設置了如下問題：

（2）根據表格數據，圖1四圖表示伸長長度Δl與各量之間的關系合理的是▲.

從表格數據可知，金屬伸長長度[Δl]與材料的原長[l]0成正比，相同長度的銅與鐵升高相同的溫度，銅比鐵伸長的長度更長，所以該題選AD.

五、對材料的加工

當原材料不足以挖掘出命題者想要考查的目標問題時，適度地對材料進行加工，將有助于挖掘出更深入、更能考查出科學探究能力的問題.對材料的加工包括：從命題的立意出發(fā)，按照考查的要求對材料信息進行適度解讀；對材料中含有使考生對材料信息內容的理解引起偏差或存在歧義的部分進行修正和補充說明；對材料中部分關鍵信息含量過于隱晦的內容進行提示性說明；對材料中過度直白的信息作刪減性修改，對材料提供的數據，按照命題的難度和要求進行一定的整理、歸類或重新計算.

對本實例的實驗數據材料的加工就是對實驗數據的再整理、歸類與重新計算.原材料中最具有現實意義的就是銅與鐵這兩種不同金屬的線膨脹系數不同.但很明顯，給定的材料中，伸長長度（[Δl]）并不能代表線膨脹系數，只有“每升高1℃時，單位長度（1米）的伸長量X”才能代表線膨脹系數.為此，我們可以在原表格中增加一列“每升高1℃時，單位長度（1米）的伸長量X（/℃）”，如表4所示.

根據表4，第（2）小題可以改成如下：

（2）根據表格數據，圖2四圖表示X與各量之間的關系，其中合理的是▲.

四個圖像中的X代表的是金屬的線膨脹系數，只與金屬的種類有關，而與金屬原長、溫度、升高溫度等都無關，所以正確答案選C.

同時，通過考查學生構建物理概念模型的能力，可以命制如下的一小題：

（3）通過分析數據發(fā)現，銅和鐵的溫度每升高1℃時，其單位長度的伸長量叫做線膨脹系數（α）.資料表明，這個規(guī)律在溫度變化不大時是普遍適用的.已知某金屬在t0℃時的長度為 l0，溫度升高到t℃時的長度為lt，則它的線膨脹系數α=▲.

根據線膨脹系數的定義，線膨脹系數α=[lt-l0l0（t-t0）].

當然，如果不給定表格中的最后一列，也可以考查第（3）小題，只是考查的難度相對要大了些.

如果把五個程序進行統(tǒng)整，它們之間的關系可以用如圖3的程序圖來表示：

圖3中，①②③④是正常的命題流程順序.使用素材進行命題的過程中，對變量的辨析是核心的流程要素，它關系到對考查問題的挖掘，關系到能否實現考查目標.同時，在對素材進行選擇時，就有了⑤有意對變量進行了辨析，以便為考查問題提前進行挖掘；因為對材料進行加工后，就需要有⑥對材料變量再辨析的過程.