学习进阶视域下实验试题分析与教学策略

摘要

从学习者认知发展的内在逻辑来看，郭玉英教授团队提出的学习进阶五层级模型（经验、映射、关联、系统、整合），与课程标准中界定的科学探究五级水平之间，存在着高度的对应和匹配关系。有鉴于此，为了提升教学质量和高考的备考质量，在学习进阶视域下，分析2024年和2025年全国高考新课标卷物理电学实验试题的设问进阶层级，据此提出基于“学习进阶”的实验教学策略——真做实验，亲历实验探究过程，以突破映射层级；厘清原理，深入设计探究方案，以突破关联层级；由点到面，目标统领单元教学，以突破系统层级；提炼方法，注重核心素养培养，以突破整合层级。

Graphical abstract

关键词

学习进阶 / 视域 / 实验试题分析 / 实验教学策略 / 全国高考新课标卷 / 物理实验

2024年和2025年全国高考新课标卷物理实验试题，既立足教材又适度创新，充分体现了高考实验试题考查的基础性、创新性、应用性等特点，在发挥引领实验教学作用的同时，希望学生经历科学探究过程，获得感性认识，理解物理规律，发展科学探究核心素养^［1］。分析学习者认知能力进阶的内在逻辑发现，学习进阶理论与学业质量中描述的科学探究水平具有对应关系。学习进阶理论描述的是学生认知发展的普遍路径（从零散经验到系统整合），而科学探究水平划分则反映了学生在这一路径上探究能力的具体表现。这种对应并非偶然，而是因为课程标准的制定是基于对学生认知发展规律的深刻理解，同时为教学设计提供了重要启示。它意味着教学活动的设计可以与学生当前的认知层级（学习进阶）相匹配，并以此为基础，有针对性地提升其科学探究能力，从而更有效地落实学业质量要求。

因此，在学习进阶视域下分析高考物理实验试题，从中归纳统计实验试题设问层级，明确高考实验试题的考查方向，据此提出实验教学策略，有助于高中物理实验教学更具针对性和实效性。

1 学习进阶简介

学习进阶（Learning Progressions，简称LPS）这一术语，最早由美国基础教育阶段科学学业成就评价委员会提出。在此之后，经历近20年的快速发展，学习进阶作为连接课程标准与教学评价的重要工具，被广泛应用于教学实践。学习进阶在认知图式上融合了皮亚杰（Piaget）的认知发展理论、教学结构观，与布鲁纳（Bruner）的螺旋式认知课程一致，其认知支架的进阶符合维果斯基（Vygotsky）的最近发展区理论。这三者共同构成了学习进阶坚实而丰富的理论基础，使其成为连接课程、教学与评价的强大桥梁，旨在系统化地促进学生认知图式的持续发展和核心素养的有效形成。就具体教学而言，学习进阶将复杂的学习过程模型化、学习表现可视化和学习评价量表化，有助于教师制订更加具体化的课程执行方案，以有效解读学生的发展水平，并促进课程与评价的一致性。美国国家研究委员会（NRC）于2007年将“学习进阶”定义为：在较长的一段时期内，学生学习某一主题的思维方式从新手型到专家型依次进阶、层级依次深化的认知发展过程^［2］。学习进阶通常由若干“阶”构成，从低一级的“阶”发展到紧邻的上一级的“阶”，需要由详细的任务序列构成进阶变量，从而搭建起符合学生认知水平的最近发展区的进阶路径，直至终点。进阶起点和终点、进阶变量、测评工具和成就水平，是学习进阶的构成要素。

北京师范大学郭玉英教授研究团队^［3］针对学习进阶理论，提出以认知复杂度为进阶变量，按照学生思维发展从简单到复杂的顺序，把学习进阶描述为5个逐级进阶的层级（图1）。经验层级：学习者掌握零散的事实；映射层级：学习者将零散事实与学科知识建立关系；关联层级：学习者基于学科知识关联复杂事实；系统层级：学习者迁移应用学科知识处理复杂问题；整合层级：学习者从跨学科视角认识问题本质。5个层级认知能力的发展从简单到复杂，知识结构的建立从零散到系统，解决问题的水平从具体到抽象，体现了逐级上升的特点。

2 学习进阶层级与科学探究水平的对应关系

科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素，高中学业质量标准将科学探究划分为5级水平，描述了可以评价学习结果的具体表现，5级水平既有层次，又环环相扣，体现了教育的进阶思想。从学习者认知水平进阶视角分析，学习进阶理论与科学探究水平高度一致^［4］，其对应关系如表1所示。基于学习进阶理论划分科学探究水平，有利于准确评价学习者科学探究能力的发展水平。

3 学习进阶视域下分析高考物理实验试题

以2024年和2025年全国高考新课标卷物理试题为样本进行分析，样本为2道电学实验题，分为16个设问，共24分。其中：经验层级设问1个，考查仪器的选择和实验基本操作；映射层级设问5个，考查选用正确的仪器测量数据；关联层级设问6个，考查运用物理专业术语对实验结果的表达并达成物理量的关联；系统层级设问3个，侧重考查欧姆定律等实验原理的应用；整合层级设问1个，考查基本实验的创新设计和实验结果表征（表2）。以关联层级考查为主，分值占比最高，整体难度适中，侧重基本实验能力的考查，体现了高考命题的改革方向，使高考从评价“工具”变为育人“平台”。

例题1（2024年全国高考新课标卷理科综合第23题）：学生实验小组要测量量程为3 V的电压表 的内阻R_V，可选用器材：电压表 （量程5 V，内阻约3 kΩ）、滑动变阻器R₁（最大阻值50 Ω）、滑动变阻器R₂（最大阻值5 kΩ）、定值电阻R₀（阻值为800 Ω）、电源E（电动势5 V）、多用电表、开关S、导线若干。

完成下列填空：

（1） 利用多用电表粗测待测电压表的内阻。首先应_____（把下列实验步骤前的字母按正确操作顺序排列）。

A.将红、黑表笔短接；

B.调节欧姆表调零旋钮，使指针指向零欧姆；

C.将多用电表选择开关置于欧姆挡“×10”位置，再将多用电表的红、黑表笔分别与待测电压表的________（填“正极、负极”或“负极、正极”）相连，欧姆表的指针位置如图2-a中的直线Ⅰ所示。为了减少测量误差，应将选择开关旋转到欧姆挡___（填“×1”“×100”或“×1 k”）位置，重新调节后，测量得到指针位置如图2-a中的直线Ⅱ所示，则粗测得到的该电压表内阻为___ kΩ（结果保留1位小数）。

（2） 为了提高测量精度，他们设计了如图2-b所示的电路，其中滑动变阻器应选____（填“R₁”或“R₂”），在闭合开关S前，滑动变阻器滑片应置于____（填“a”或“b”）端。

（3）闭合开关S，调节滑动变阻器，电压表V₁、待测电压表的示数分别为U₁、U，则待测电压表内阻Rv=________（用U₁、U和R₁表示）。

（4） 测量得到U₁=4.20 V、U=2.78 V，则待测电压表内阻Rv=__ kΩ（结果保留3位有效数字）。

解析：设问1.1利用多用电表测电压表内阻，将选择开关置于欧姆挡位置，首先进行机械调零，再将红、黑表笔短接进行欧姆调零，实验操作步骤为C、A、B。这一设问主要考查实验仪器的基本操作，属于经验层级。

设问1.2涉及欧姆表内置电源，则有：红表笔与欧姆表正极相连，电流流入；黑表笔与欧姆表负极相连，电流流出。根据电压表的使用原则“电流从正接线柱流入，负接线柱流出”可知，应将多用电表的红、黑表笔分别与待测电压表的“负极、正极”相连。这一设问主要考查电学基本仪器的结构和多仪器的组合使用，属于映射层级。

设问1.3要求将多用电表选择开关拨到“×10”的欧姆挡，指针偏转角度很小，这表示待测电阻的阻值很大，而当前所选挡位过小。为了准确测量，应换用“×100”的欧姆挡，并重新进行欧姆调零，再进行测量，以使指针能指在表盘中间位置附近，从而获得更准确的读数。这一设问属于映射层级。

设问1.4涉及的欧姆表读数为：指针刻度值×欧姆挡倍率，即：16×100 Ω=1.6 kΩ，结果保留1位小数。这一设问属于关联层级。

因设问2.1的滑动变阻器采用分压接法，实验中应选择滑动变阻器阻值较小的R₁。同时，根据已有实验方案，选择正确的器材测量数据。这一设问属于关联层级。

设问2.2强调，在闭合开关前应将滑片移至使测量电路短路的位置，则滑动变阻器的滑片应置于“a”端。这一设问主要考查分压式电路结构特点和电学实验操作素养，属于关联层级。

设问3根据并联电路特点可知：电压表 两端电压U₁与电压表 和R₀所在支路两端电压相等，即R₀两端电压表示为U₁-U，则根据串联电路特点可知——通过电压表 和R₀的电流相等。由欧姆定律可得：\frac{U_{\mathrm{1}}-U}{R_{\mathrm{0}}}=\frac{U}{R_{\mathrm{V}}}，整理得出：R_{\mathrm{V}}=\frac{U}{U_{\mathrm{1}}-U}{R}_{\mathrm{0}}。制订创新性探究方案，灵活选用器材测量，分析数据并用物理知识释疑，最终得出结论。这一设问属于整合层级。

设问4需要在设问3的基础上作答，即：将U₁=4.20 V、U=2.78 V代入R_{\mathrm{V}}=\frac{U}{U_{\mathrm{1}}-U}{R}_{\mathrm{0}}得出：R{}_{\mathrm{V}}=1.57 kΩ，结果保留3位有效数字。这一设问属于系统层级。

例题2（2025年全国高考新课标卷理科综合第23题）：用伏安法可以研究电学元件的伏安特性。阻值不随电流、电压变化的元件称为线性电阻元件，否则称为非线性电阻元件。

（1） 利用伏安法测量某元件的电阻，电流表和电压表的示数分别记为I和U。若将电流表内接，则U ___________元件两端的电压，\frac{U}{I}___________元件的电阻；将电流表外接，则I ___________流过元件的电流，\frac{U}{I}___________元件的电阻。（均选填“小于”或“大于”）

（2） 图3-a是某实验小组用电流表内接法测得的某元件的伏安特性曲线，由图可知，所测元件是__________（选填“线性”或“非线性”）电阻元件。随着电流的增加，元件的电阻__________（选填“增大”“不变”或“减小”）。

（3） 利用电流表A₁（内阻r_{\mathrm{1}}）、电流表A₂（内阻未知）以及一个用作保护电阻的定值电阻R₀（阻值未知），测量电阻{\mathrm{R}}_{\mathrm{x}}的阻值。将图3-b中的器材符号的连线补充完整，完成实验电路原理图__________。按完整的实验电路测量{\mathrm{R}}_{\mathrm{x}}，某次测量中电流表A₁和A₂的示数分别为I_{\mathrm{1}}和I_{\mathrm{2}}，则R_x=___________（用I_{\mathrm{1}}\mathrm{、}{I}_{\mathrm{2}}和r_{\mathrm{1}}表示）。

解析：设问1.1考查电流表内接法的电压测量误差，需依托实验原理的基础记忆与现象匹配，明确该接法下电压表测量的是电流表与待测元件的总电压。符合“事实与学科术语、实验结论直接对应”的特征，属于映射层级。

设问1.2考查电流表内接法中电阻测量结果的误差分析，学生需先明确内接法下电压测量值偏大，而电流测量值为真实值，再结合欧姆定律建立电压偏大与电阻测量值偏大的逻辑关联。符合关联层级“术语与多个事实、公式与结果的逻辑衔接”的特征。

设问1.3考查电流表外接法的电流测量误差，学生需明确电流表外接时电流表测量的是待测元件与电压表的总电流，无需额外推导，契合映射层级“基础实验结论与现象的直接应用”的本质。

设问1.4考查电流表外接法中电阻测量结果的误差分析，学生需先掌握外接法下电压测量值为真实值，而电流测量值偏大的实验事实，再通过欧姆定律推导得出“电流偏大导致电阻测量值偏小”的结论。符合关联层级“分析概念、数据与结果间内在联系”的要求。

设问2.1考查线性与非线性电阻的定义辨析与图像应用，学生需直接应用“线性电阻伏安特性曲线为过原点的直线，非线性电阻为曲线”的定义，通过观察图3-a中曲线形状完成类型判断，无需复杂分析，属于映射层级。

设问2.2考查伏安特性曲线与电阻的关联分析，学生需明确“伏安特性曲线上某点与原点连线的斜率倒数表示电阻”的核心规律，通过观察电流增加时曲线斜率逐渐增大，推导得出电阻逐渐减小的结论，需建立图像特征、数学斜率与物理量的三重关联，符合关联层级。

设问3.1考查双电流表法测量电阻的电路设计，需围绕“并联电路电压相等”的核心实验原理，系统规划器材连接逻辑，将电流表A₁与待测电阻{\mathrm{R}}_x并联测量{\mathrm{R}}_x的电流，再与电流表A₂、保护电阻R₀串联测量总电流，需整合器材功能、实验原理与电路安全要求，形成完整的电路结构设计，体现系统层级“协调多变量、规划方案解决复杂问题”的特征。

设问3.2考查电路规律与欧姆定律的综合应用，学生需先明确电路中的电流关系，再结合并联电路电压相等的规律，通过代数运算推导得出R_x的表达式。整合串并联电路规律、欧姆定律与数学推导，体现系统层级“整合多学科知识、逻辑推理解决综合问题”的要求。

4 学习进阶视域下的高中物理实验教学策略

4.1 “真做实验，亲历实验探究过程”，突破映射层级试题

高考物理实验试题，能够鉴定考生实验探究能力的高低。因此，学生不仅要通过真做实验，掌握基本仪器操作与测量技能，亲历教材实验的完整探究过程，以此内化实验原理与方法，更要在此基础上，最终实现创新实验设计能力的提升。教师要让学生真做实验，促其规范掌握基本仪器的操作步骤；同时，学生通过“真做实验，亲历实验探究过程”，掌握实验操作流程，突破映射层级试题。

4.2 “厘清原理，深入设计探究方案”，突破关联层级试题

理解实验原理，是进行实验设计及推进操作的关键点，即让人信服的实验设计背后，往往蕴含着精辟的原理^［5］。高考物理实验试题注重考查学生对实验相关原理的理解程度，这就决定了在讲解实验时，教师一方面应要求学生动手操作，另一方面也要思考实验条件及实验要求，借此感知实验的内涵，厘清实验原理，深入理解实验设计内涵，通晓实验探究方向，以便突破关联层级试题。

例如，在开展“测量电表内阻”的实验教学时，教师应分类归纳实验原理（表3），引导学生采用多种方案做实验，从而在厘清原理的同时，让知识实现紧密的关联。

4.3 “由点到面，目标统领单元教学”，突破系统层级试题

整合教材内容，明确单元核心目标，就能把零散的知识点变为大单元知识面，实现知识的纵横交错，从而帮助学生深刻理解知识。在整合教材单元内容的基础上开展实验教学，能够摆脱逐一落实知识点的传统教学模式，转向从整体观念上把握所学内容的新路径，各种学习要素要汇聚成有机整体，而不是简单地叠加，最终有助于学科核心素养的落地^［6］。

在具体物理教学中，整合“闭合电路欧姆定律与科学用电”大单元教学，就能将“测量电源的电动势和内阻”“测绘小灯泡的伏安特性曲线”和“测量电表内阻”实验加以融合，并借此引导学生跳出单一实验视角，让学生从实验原理与设计环节入手，通过核心目标统领单元教学，促进实验知识的系统化，从而自然突破系统层级试题。

4.4 “提炼方法，注重核心素养培养”，突破整合层级试题

用物理科学方法指导实验教学，能够充分体现教材和课程标准的具体要求，明确高中物理方法教育的内容。邢红军^［7］依据认知心理学理论，将物理科学方法主要分为两类：思维方法和学科方法（图5）。思维方法属于一种弱认知方法，以分析、综合、抽象、概括为基础，贯穿各学科，可迁移性强，主观上通过一定的训练就能被学生所理解和掌握。学科方法属于一种客观的强认知方法，包含具有学科特点的实验方法、理想化方法等，可迁移性弱。

例如，在讲授“测量金属丝电阻率”实验时，教师可采取以下方法：凭借假说法引导学生对导体电阻阻值与导体横截面积、材料、长度之间的关系进行猜想；利用控制变量法指导学生探究导体横截面积、材料、导体长度对电阻阻值的影响；基于等效替代法帮助学生将电阻测量转换为电压测量；在测量电阻丝的直径时，要求学生在电阻丝的不同位置进行多次测量并取平均值。

上述例证充分说明，在具体的物理实验教学中，实现知识迁移的目的是鼓励学生归纳科学方法，突破整合层级试题，从而引导学生从现象的本质出发建构思维模型，实现能力的内化与升华。

5 结语

在学习进阶视域下分析2024年和2025年全国高考新课标卷物理实验试题，有助于教师精准把握其情境生活化、能力层次化、思维开放化的命题特点，而强调对实验原理的深度理解，再结合物理学科核心素养要求，就能结合教学实际提出有针对性的高中物理实验教学策略，从而把握高中物理实验教学的方向，最终开展好基于科学探究活动的实验教学。

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.

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[5] 李勇.高考物理情境化试题的命制理念、内涵和特点：以2023年高考全国卷物理试题为例［J］.基础教育课程，2023（Z1）：54-63.

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[7] 邢红军.物理教学论［Ｍ］.北京：北京大学出版社，2015.