对中学生标准学术能力诊断性测试（TDA-12,2024-10）物理卷第16-3题的质疑与优化
文摘
2024-11-06 06:24
河南
近日，笔者在网络上看到了2024年10月份中学生标准学术能力（TDA）诊断性测试物理试卷，对其中的第16-3题，即用利用力传感器在单摆大幅摆动情形下测量重力加速度的实验试题产生了浓厚的兴趣，开展了理论分析、仿真模拟和实验检验，发现基于试题实验情境得到的结果与参考答案不符。为深入贯彻全国教育大会精神，积极响应《国务院关于深化考试招生制度改革的实施意见》《深化新时代教育评价改革总体方案》《教育部关于加强和改进普通高中学生综合素质评价的意见》及《教育部关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见》等文件的要求，2017年以来，清华大学牵头实施了中学生标准学术能力测试。中学生标准学术能力测试(CSSAT，Comprehensive Standard Scholastic Assessment Test)是基于中学生在各学科应具备的知识和能力，并结合大学选才视角设计的学科素养评估体系，旨在通过全面、客观、准确的过程性评价，长程动态地评估学生学科素养达成度，为中学教学和学生学习提供有效反馈，促进中学教学水平和学生学科素养全面提升。中学生标准学术能力测试诊断性测试(TDA，Targeted Diagnostic Assessment)是以中国高考评价体系、普通高中课程方案和各个学科课程标准为依据，结合大学考查视角对学生提供对接新高考模式的诊断性评价，旨在通过科学的、客观的过程性评价，促进中学生学科素养提升，助力大中衔接。中学生标准学术能力测试命题成员由中学优秀教师代表和高水平大学教授组成。参与命题的中学教师均来自全国各省份重点高中，大多数为省级优秀教师或教学能手，有丰富的授课与命题经验，并曾多次参与省级联考命题；大学教授均来自在京985高校。中学生标准学术能力测试具有较高的信效度和区分度，贴合高水平大学选拔优秀人才的需求，强调考查基于高等教育学术人才培养所要求的跨学科综合运用能力。试卷贴近改革及非改革考区的高考考卷结构，在细致分析不同考区考点差异基础上，考卷采取基于相同知识点框架，不同题型和难度的安排，最大程度上兼顾教学差异，使成绩横向可比。[16-3]将单摆挂在力传感器的下端，通过力传感器测定单摆大角度摆动过程中摆线受到的拉力 F，由计算机记录拉力F随时间t的变化，图像如下图所示。测得摆球质量为m，则重力加速度的表达式为g=______。笔者在Working Model平台上进行了仿真。参照试题中的实验情境，设置重力加速度为g=10m/s^2，摆长为L=1m，摆球质量为m=1kg，摆球初速为v=4.0m/s。跟据力传感器的工作原理，力传感器只能测量轴向作用力，如果是非轴向作用力，力传感器测到的实轴向分力，几年前的数字化实验也证实了这一点。所以，解析中的mgcosθ=F2应该修改为mg(cosθ)^2=F2。笔者在仿真时特意注意到了这个特点，并做了针对性的仿真。仿真发现，单摆在大角度摆动的时候，力传感器的测量值与时间并不是正弦关系，而是顶部尖锐、底部圆润的周期性曲线，曲线周期为单摆周期的一半。g=10m/s^2，L=1m，m=1kg，v=4.0m/s在实验试题命制中，如果需要使用力传感器动态测量拉力，需保证拉力的方向与力传感器的测力方向共线；如果拉力的方向与力传感器的测力方向不共线，力传感器的测量值其实是拉力沿测力方向上的分量；如果实验中确实需要用力传感器动态测量方向变化的拉力，则需要将力传感器测量值利用三角函数转化为拉力的真实值。试题命制要基于真实的物理情境，物理实验试题命制更是要基于真实的实验情境，至少是基于真实实验情境的合理简化。特别是受众全体庞大的权威性考试，试题命制不能随意夸大实验仪器设备性能，罔顾事实，肆意臆想。教师在评析该题时，应该特别强调指出力传感器的测力特点，应该将参考解析中的mgcosθ=F2修正为mg(cosθ)^2=F2。笔者对试题方案和优化方案进行了实验检验，实验使用的主要设备是自制的平行梁力传感器。观察两种方案的结果对照曲线可以发现，利用试题方案测重力加速度时，重力加速度测量值曲线的两端与真实值比较接近，而曲线的中部真实值偏差很大。利用优化方案测重力加速度时，重力加速度测量值曲线整体与真实值都十分吻合。实验验证结果显示，优化方案得到的重力加速度值与实际相吻合，试题方案得到的重力加速度值与实际偏差太大。
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