将大学入学考试中的物理题转化为实验套件
一项重新构想高中物理课程的新项目
大学入学物理题通常假设一个抽象的“理想世界”——例如，无摩擦的地面或可忽略的空气阻力——而这些假设仅仅存在于思想实验中。任何学过物理的人可能都至少一次对这类假设感到困惑。
物理考试实验室项目成员：物理考试实验室系列™。从左至右：岛津理化株式会社的上野、岩田、川崎和松本。
岛津负责岛津集团物理和化学教育业务的 Rika Corporation 与 2023 年国际物理奥林匹克竞赛纪念协会合作发起了一项倡议，将过去大学入学考试中的物理试题转化为实验包。我们与岛津Rika 的成员就物理考试实验室进行了交谈：物理考试实验室系列™是一个旨在向学生传递物理乐趣的项目。
在课堂上将思想实验生动起来
“在课堂上，回答入学考试题和做实验已经完全变成了两件事。”我们经常听到高中老师们发出这样的担忧。与此同时，大学入学考试（CSAU）和顶尖大学的入学考试中，基于实验或观察的题目却越来越多，”岛津理化株式会社科学实验室设备部经理兼该项目负责人松本隆史说道。
松本的团队负责为2023年国际物理奥林匹克竞赛制作450套实验套件。为了完成这项任务，他们克服了诸多挑战，包括预算限制、确保批量生产的质量一致性以及维护考题的保密性，最终成功交付了这些套件。据报道，海外参赛选手对这些套件赞不绝口，称其质量卓越。
这促使我受邀加入“物理考试实验室”（Physics Exam Lab），这是一个主要由组织2023年日本国际物理奥林匹克竞赛的教师发起的新项目。这份邀请标志着“物理考试实验室系列”（Physics Exam Lab Series）的开发正式启动，该系列旨在将入学考试题转化为实验套件。
该团队目前正在根据以下三个入学考试题开发实验套件。
- “磁力列车穿过线圈”（2022年统考物理题3）
- “铝杯的终端速度”（2023年统考物理题2）
- “小车摆附件”（2018年东京大学第一轮入学考试物理试题1）
1. 磁列车穿过线圈：运动的磁体产生电力
上野，开发团队的负责人
负责开发的团队负责人上野表示：“我们开发了一套实验套件，其中一块磁铁（代表火车）穿过一根导电管道，使学生能够观察运动变化和电磁感应现象。电磁感应是指当磁铁穿过线圈时产生电压，电压会随着磁铁穿过线圈的速度而增大。改变磁铁的方向会反转电压的极性。学生还可以观察电压如何随着线圈匝数的变化而变化。”
电脑屏幕照片显示了由于电磁感应引起的电压变化。
他们在实验中采用了岛津理化株式会社的专有线圈。这些线圈最近刚刚上市十周年。其关键特性是绕组稳定性强，确保了数据采集的可靠性。此外，单个线圈可在600匝和300匝之间切换，方便学生比较不同条件下波形的变化。
磁力列车穿过线圈实验的组装视频（来自Physics Exam Lab YouTube频道），日语版
2. 铝杯终端速度的视频分析网格屏幕
开发视频分析网格屏的川崎表示：“这套工具包是基于2023年物理统考的第二题设计的。这道题考察的是终端速度——即铝杯下落时加速度为零的点。在实际实验中，我们会录制视频并使用应用程序进行分析，但我开发了这款网格屏来辅助这一过程。屏幕上的网格线便于分析，也更容易观察视频中铝杯下落距离的变化。网格屏采用不易卷曲的防水布制成，因为这种材料不易起皱。此外，一位物理考试实验室的老师还将开发一款可在浏览器中使用的免费分析应用程序。”
川崎解释了如何使用她开发的屏幕
铝杯下落实验套件的教学视频（来自 Physics Exam Lab YouTube 频道），日语版
3. 在无摩擦地板上摆动的台车摆锤附件
设计了这款小车摆锤附件的岩田表示：“这套装置对应2018年东京大学入学考试第一轮物理试题的第一题。这道题考察的是一个悬挂在小车上的柱子上的摆锤在水平地面上的整体运动，假设地面与小车之间没有摩擦力。我们将装置安装在我们的智能小车平台上，模拟了无摩擦地面的条件。我们设计这套装置的目的是为了让学生能够独立思考问题并验证结果。我们注重课堂上的易用性，加入了可调节绳长和角度刻度等功能，确保这套装置在课堂上易于操作。”
她还解释说：“学生们可以直观地确认，由于小车和摆锤的共同运动，摆线上会形成一个静止点，这与理论预测相符。”
团队协作开发的实验套件
在开发实验套件的过程中，每位成员负责一个特定的设备，而整个团队则共同进行设计评审。团队还会咨询物理考试实验室的老师，并与大学生和高中生一起测试原型，根据他们的反馈改进设计。
岛津理化株式会社负责人评论
当物理奥林匹克竞赛的老师们找到我们，希望我们能将入学考试题直接改编成实验套件时，我心想：“这正是岛津理化应该做的工作。”
我们的目标是结合现有设备和创新方法，尽可能忠实地重现考试图表中所示的“不可能的装置”。当学生运用从实验中获得的直觉重新阅读考题时，公式的含义自然而然地就会变得清晰明了。与仅依赖课本学习的学生相比，在回答考题前进行实验的学生更有可能获得更深刻的理解，并对物理学产生更积极的印象。
以往，即使进行了实验并花费时间绘制结果图，也常常缺乏足够的时间来验证关键发现。如今，高精度传感器能够捕捉实验结果并将其转化为数据，使我们能够提供教学材料，帮助学生更高效地分析结果，更有效地学习。
如果我们的实验套装能够成为教师们解决实验时间不足的难题，我们将感到无比欣慰。最重要的是，我们希望这些套装能够激发学生们发现物理学的魅力所在。
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