高中學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展水平的診斷與分析

魏欣 高杰

一、問(wèn)題提出

1.課標(biāo)中科學(xué)思維的界定及學(xué)業(yè)質(zhì)量水平劃分

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，是從物理視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、 內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式； 是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建理想模型的抽象概括過(guò)程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用； 是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判、進(jìn)行修正和檢驗(yàn)，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力和品格。 科學(xué)思維主要包括模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新[1]。

推理思維的基本形式之一， 是根據(jù)一個(gè)或幾個(gè)已知的判斷得出新判斷的過(guò)程。 科學(xué)推理是運(yùn)用科學(xué)思維方法， 從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論[2]?？茖W(xué)推理是科學(xué)思維的重要體現(xiàn)，其不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類(lèi)比推理，而且包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類(lèi)等思維方式， 還包括控制變量、 組合推理、概率推理、相關(guān)推理、因果推理等推理形式[3]。 科學(xué)推理的發(fā)展水平， 在很大程度上反應(yīng)了科學(xué)思維的水平。

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》中，依據(jù)問(wèn)題情境的復(fù)雜程度、知識(shí)和技能的結(jié)構(gòu)化程度、思維方式的綜合化程度，對(duì)學(xué)生解決問(wèn)題的關(guān)鍵特征進(jìn)行了描述， 將核心素養(yǎng)劃分為5 個(gè)等級(jí)。其中，對(duì)科學(xué)推理的水平劃分及描述如表1 所示下：

表1 科學(xué)推理學(xué)業(yè)質(zhì)量水平描述[4]

經(jīng)過(guò)高中物理學(xué)習(xí)以后， 學(xué)生的科學(xué)推理發(fā)展到了什么水平？ 在科學(xué)推理能力的發(fā)展上還有哪些不足？ 這需要全面科學(xué)地評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)推理能力的發(fā)展水平，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的分析。 研究表明，科學(xué)推理能力的發(fā)展水平與教師采用的教學(xué)模式相關(guān)[5]，這就需要在對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展水平進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定改進(jìn)教學(xué)的方向，不斷完善教學(xué)方式和教學(xué)策略，從而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》在各模塊的教學(xué)要求中，也強(qiáng)調(diào)了要求學(xué)生能夠通過(guò)運(yùn)用科學(xué)思維方法， 從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)推理、 找出規(guī)律、 形成結(jié)論。與此要求相一致， 高考同樣強(qiáng)調(diào)了對(duì)科學(xué)思維能力的考查，2020 年天津市普通高中學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試物理試題突出考查了科學(xué)思維素養(yǎng)。

表2 全市不同水平組考生核心素養(yǎng)得分率

從表中的數(shù)據(jù)可以看出， 考查科學(xué)思維的試題在試卷中占據(jù)了很大的比例， 因此考生的全卷分?jǐn)?shù)從一定程度上反映了科學(xué)思維的發(fā)展?fàn)顩r。另外，對(duì)于全體考生而言， 科學(xué)思維素養(yǎng)的得分率低于物理觀念素養(yǎng)和科學(xué)探究素養(yǎng)， 因此分析考生在科學(xué)思維素養(yǎng)的發(fā)展水平有利于判斷其在學(xué)科核心素養(yǎng)上的發(fā)展差異。對(duì)于各群體考生而言，科學(xué)思維素養(yǎng)不同群體得分率的差異性大于物理觀念素養(yǎng)和科學(xué)探究素養(yǎng)，因此分析造成這種差異的深層原因，將有利于核心素養(yǎng)在教學(xué)中的落地。

在教學(xué)中落實(shí)對(duì)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)， 需要以核心素養(yǎng)的發(fā)展?fàn)顩r為切入點(diǎn)來(lái)對(duì)學(xué)生的學(xué)業(yè)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，促進(jìn)在教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng)。 本研究以2020年天津市普通高中學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試物理試卷（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“2020 年高考物理試卷天津卷”）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和抽樣題卡為素材，依據(jù)考生的作答情況，分析天津市高中學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)中科學(xué)推理要素的發(fā)展?fàn)顩r， 力求為教學(xué)中如何提升學(xué)生的科學(xué)推理能力提供有效的策略。

由于目前的等級(jí)性考試中， 物理卷中大部分試題的解答思路基本上比較單一， 解決問(wèn)題所需調(diào)動(dòng)的知識(shí)和能力明確， 運(yùn)用的科學(xué)推理方式清晰，因此，通過(guò)考生在具體試題上的作答表現(xiàn)，可以在一定程度上還原考生解決問(wèn)題的科學(xué)推理過(guò)程， 找出考生在科學(xué)推理能力上的優(yōu)勢(shì)和不足， 進(jìn)而提出改進(jìn)教學(xué)的建議。

二、研究方法

2020 年天津高考采用新高考6 選3 模式，3 科等級(jí)性考試采用等級(jí)賦分制， 針對(duì)這一變化，對(duì)2020 年評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行了技術(shù)性調(diào)整。 評(píng)價(jià)對(duì)象改為普通高中應(yīng)屆考生， 對(duì)選考科目試卷的試題進(jìn)行了抽樣，數(shù)據(jù)報(bào)告中不再提供絕對(duì)人數(shù)統(tǒng)計(jì)，改為人數(shù)百分比。 另外， 在高考評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中刪除了2 道試題（第2 題和第7 題）， 因此物理學(xué)科評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的試題滿分為90 分。

1. 考生表現(xiàn)水平的劃分和臨界分?jǐn)?shù)的確定

為更加準(zhǔn)確、 客觀地分析和評(píng)價(jià)不同水平考生的科學(xué)思維發(fā)展水平，更加明確問(wèn)題的成因，本研究將考生物理學(xué)習(xí)水平劃分為精通、熟練、基本、基本以下四個(gè)水平。 依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)中提供的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平描述，采用安戈夫方法，并結(jié)合2020 年考試學(xué)生分?jǐn)?shù)段的分布情況，參考?xì)v屆試題的的得分情況，最終確定了不同水平組的臨界分?jǐn)?shù)。

表3 2020 年考生水平表現(xiàn)的臨界分?jǐn)?shù)

圖1 2020 年考生各水平組所占比例

2. 對(duì)考查科學(xué)推理能力試題分析的基本思路

對(duì)試題本身進(jìn)行準(zhǔn)確的分析， 可以更為清晰地認(rèn)識(shí)考生的能力水平。在課標(biāo)中，水平4 和水平5 要求的都是面對(duì)綜合性的物理問(wèn)題，只是水平5 更強(qiáng)調(diào)陌生的新情景。水平2 和水平3 都是針對(duì)常見(jiàn)的不太復(fù)雜的物理問(wèn)題，只是后者要求相對(duì)更高一些。 本研究所選擇的典型例題，均按照解決問(wèn)題過(guò)程中學(xué)生進(jìn)行的思維過(guò)程與表1 中的科學(xué)推理質(zhì)量水平描述進(jìn)行對(duì)照，從而對(duì)試題進(jìn)行了分類(lèi)。 除上述分類(lèi)之外，筆者還從實(shí)踐角度出發(fā)，從推理過(guò)程需要的思維方式和需要調(diào)動(dòng)的推理方法兩個(gè)層面對(duì)試題進(jìn)行分析。

3. 分析學(xué)生推理能力發(fā)展水平的基本思路

對(duì)學(xué)生推理能力發(fā)展水平進(jìn)行診斷和分析主要從下面幾個(gè)方面進(jìn)行：

（1） 從試卷中找出重點(diǎn)考查科學(xué)推理能力的典型例題進(jìn)行分析， 從中發(fā)現(xiàn)學(xué)生推理能力發(fā)展的水平及深層原因。

（2）選擇題主要依據(jù)各選項(xiàng)需要進(jìn)行的科學(xué)推理過(guò)程，對(duì)科學(xué)推理的思維水平、思維方法進(jìn)行分析，并結(jié)合不同水平學(xué)生在得分率及錯(cuò)選比例上的區(qū)別分析不同水平組學(xué)生科學(xué)推理質(zhì)量的差異。

（3）計(jì)算題除了分析不同水平組學(xué)生得分率的差異， 還通過(guò)抽樣其答題的具體情況及典型作答表現(xiàn)進(jìn)行分析，找出數(shù)據(jù)結(jié)果的進(jìn)一步證據(jù)。

（4）除了對(duì)所選取的典型例題按不同水平組的得分結(jié)果進(jìn)行定量的統(tǒng)計(jì)， 也從形成結(jié)果的過(guò)程和原因進(jìn)行分析。 因此，除了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的分析，項(xiàng)目組還在全市范圍內(nèi)進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查， 針對(duì)答題感受和作答過(guò)程進(jìn)行了具體的調(diào)查， 共收集考生問(wèn)卷797 份，教師問(wèn)卷101 份，并組織了線上的考生和教師座談會(huì)， 詳細(xì)整理了教師對(duì)試題的看法和考生的答題感受， 特別是通過(guò)開(kāi)放性的問(wèn)題對(duì)考生作答每道試題的思維過(guò)程做了詳細(xì)記錄。 這些定性的結(jié)果為數(shù)據(jù)的定量分析提供了強(qiáng)有力的支撐， 使得出的結(jié)論更加全面、準(zhǔn)確，更貼近考生的真實(shí)情況。

三、研究結(jié)果

對(duì)考生科學(xué)推理能力的表現(xiàn)水平分析， 是結(jié)合考生科學(xué)思維實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及科學(xué)推理能力的典型案例進(jìn)行的分析。

1. 典型例題分析

例1：2020 年高考物理天津卷第3 題

3． 新冠肺炎疫情突發(fā)，中華兒女風(fēng)雨同舟、守望相助，筑起了抗擊疫情的巍峨長(zhǎng)城。志愿者用非接觸式體溫測(cè)量?jī)x，通過(guò)人體輻射的紅外線測(cè)量體溫，防控人員用紫外線燈在無(wú)人的環(huán)境下消殺病毒，為人民健康保駕護(hù)航。紅外線和紫外線相比較

A． 紅外線的光子能量比紫外線的大

B． 真空中紅外線的波長(zhǎng)比紫外線的長(zhǎng)

C． 真空中紅外線的傳播速度比紫外線的大

D． 紅外線能發(fā)生偏振現(xiàn)象，而紫外線不能

表4 2020 年不同水平組考生第3 題選項(xiàng)分析表滿分：5.0 難度：易 知識(shí)范疇：光學(xué) 核心素養(yǎng)：物理觀念

本題以抗疫中使用的紅外測(cè)溫儀為背景，考查紅外線和紫外線的對(duì)比，四個(gè)選項(xiàng)側(cè)重于不同的方面，正確作答需要知道光學(xué)的基本知識(shí)并進(jìn)行科學(xué)推理。 本題屬于水平2，重點(diǎn)考查物理觀念，即解決本題的基礎(chǔ)是要了解紅外線和紫外線的基本光學(xué)特性，從光學(xué)特性這一物理學(xué)視角來(lái)分析問(wèn)題。 但是在作答過(guò)程中，仍需要一定的科學(xué)推理，如：要通過(guò)紅外線和紫外線的速度、波長(zhǎng)、波速的關(guān)系來(lái)得出選項(xiàng)B， 要通過(guò)光子能量表達(dá)式判斷選項(xiàng)A，等等。 在這個(gè)過(guò)程中，主要用到的思維方式有比較和分類(lèi)，比較體現(xiàn)在通過(guò)物理量間的關(guān)系對(duì)所設(shè)問(wèn)的紫外線和紅外線的特點(diǎn)進(jìn)行定性判斷，A、B、C 選項(xiàng)的判斷屬于這類(lèi)推理。 而選項(xiàng)D 的判斷由于教材沒(méi)有明確紅外線和紫外線的偏振特性， 需要學(xué)生根據(jù)其都屬于電磁波， 而電磁波具有偏振特性來(lái)進(jìn)行判斷，因此屬于分類(lèi)。 錯(cuò)選A 選項(xiàng)的原因是對(duì)“光子能量”這一說(shuō)法未能和表達(dá)式建立聯(lián)系；錯(cuò)選C 選項(xiàng)是因?yàn)闆](méi)有注意前提是“真空中”，誤當(dāng)作介質(zhì)中的速度進(jìn)行推理； 錯(cuò)選D 選項(xiàng)是沒(méi)有意識(shí)到紅外線和紫外線都屬于電磁波，具有電磁波的偏振特性。

從學(xué)生的作答情況可以看出，本題G3 和G4 組的學(xué)生得分率較高，而G1、G2 組學(xué)生的得分率出現(xiàn)下降，尤其是G1 組學(xué)生，下降明顯。細(xì)致分析這兩個(gè)組學(xué)生錯(cuò)誤選項(xiàng)的分布情況則可以看出，G1 組學(xué)生錯(cuò)選C 選項(xiàng)的比例最高，G2 組學(xué)生錯(cuò)選A 選項(xiàng)的比例最高，說(shuō)明G1 組學(xué)生在推理過(guò)程中，由于知識(shí)掌握不清，導(dǎo)致對(duì)推理的條件考慮不充分，出現(xiàn)推理錯(cuò)誤；而G2 組學(xué)生在推理過(guò)程中，更容易受物理觀念建立不充分的影響。

學(xué)生座談和學(xué)生問(wèn)卷結(jié)果表明， 部分學(xué)習(xí)困難的學(xué)生因問(wèn)題情境中對(duì)紅外線和紫外線應(yīng)用特性的描述，干擾了其對(duì)于選項(xiàng)的判斷。 說(shuō)明情境的出現(xiàn)，在一定程度上影響了推理的正確性。

例2：2020 年高考物理天津卷第5 題

5． 水槍是孩子們喜愛(ài)的玩具，常見(jiàn)的氣壓式水槍儲(chǔ)水罐示意如圖。從儲(chǔ)水罐充氣口充入氣體，達(dá)到一定壓強(qiáng)后，關(guān)閉充氣口?？蹌?dòng)扳機(jī)將閥門(mén)M 打開(kāi)，水即從槍口噴出。若在水不斷噴出的過(guò)程中，罐內(nèi)氣體溫度始終保持不變，則氣體

A． 壓強(qiáng)變大

B． 對(duì)外界做功

C． 對(duì)外界放熱

D． 分子平均動(dòng)能變大

表5 2020 年不同水平組考生第5 題選項(xiàng)分析表滿分：5.0 難度：易 知識(shí)范疇：熱學(xué) 核心素養(yǎng)：科學(xué)思維

此題是自2003 年以來(lái)熱學(xué)內(nèi)容第一次在天津卷中出現(xiàn)。本題以玩具水槍為分析對(duì)象，分析噴出水的過(guò)程中各熱學(xué)物理量的變化。正確作答此題，需要牢牢抓住在噴出水的過(guò)程中， 封閉氣體的體積增大這個(gè)特點(diǎn)， 再結(jié)合題中所給的溫度不變這個(gè)條件進(jìn)行判斷。

本題屬于水平2，用到的推理方法主要是分析和比較，即通過(guò)比較噴出水前后氣體狀態(tài)的變化情況，運(yùn)用氣體狀態(tài)方程分析溫度、 體積、 壓強(qiáng)之間的關(guān)系，再結(jié)合熱力學(xué)定律判斷吸、放熱情況。 從推理思維的層級(jí)上來(lái)講，D 選項(xiàng)最基礎(chǔ)，只要知道溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志即可；B 選項(xiàng)其次，需要將“噴出水”和“體積增大”建立聯(lián)系；A、C 略復(fù)雜一點(diǎn)，需要根據(jù)氣體狀態(tài)方程和熱力學(xué)定律進(jìn)行判斷。

從學(xué)生作答情況來(lái)看， 本題G3 和G4 組的學(xué)生得分率較高，而G1、G2 組學(xué)生的得分率出現(xiàn)下降，尤其是G1 組學(xué)生， 下降明顯。 其中，G2 組學(xué)生錯(cuò)選A的比例最高，G1 組學(xué)生錯(cuò)選比例最高的是推理思維層級(jí)最低的D 選項(xiàng)，這說(shuō)明：對(duì)于G1 組學(xué)生而言，由于知識(shí)的漏洞較多，造成知識(shí)體系不完整，這一因素對(duì)解決問(wèn)題的影響超過(guò)了推理思維難度層級(jí)的影響；G2 組學(xué)生的知識(shí)掌握要優(yōu)于G1 組學(xué)生，因此推理思維難度層級(jí)的影響比較明顯。

例3：2020 年高考物理天津卷第8 題

8． 復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)在世界上首次實(shí)現(xiàn)速度350 km/h自動(dòng)駕駛功能，成為我國(guó)高鐵自主創(chuàng)新的又一重大標(biāo)志性成果。一列質(zhì)量為m的動(dòng)車(chē)，初速度為v0，以恒定功率P在平直軌道上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)時(shí)間t達(dá)到該功率下的最大速度vm，設(shè)動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程所受到的阻力F保持不變。動(dòng)車(chē)在時(shí)間t內(nèi)

A． 做勻加速直線運(yùn)動(dòng)

B． 加速度逐漸減小

C． 牽引力的功率P=Fvm

表6 2020 年不同水平組考生第8 題選項(xiàng)分析表滿分：5.0 難度：中等 知識(shí)范疇：力學(xué) 核心素養(yǎng)：科學(xué)思維

本題以復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)為命題背景， 以分析力學(xué)問(wèn)題的兩大基本思路為設(shè)問(wèn)角度， 選項(xiàng)涉及力、 加速度、速度、功率、功、動(dòng)能等多個(gè)物理量及其之間所滿足的規(guī)律， 其中對(duì)于動(dòng)車(chē)達(dá)到最大速度這一狀態(tài)的分析則由定性分析上升到定量分析。 錯(cuò)選A 選項(xiàng)是由于沒(méi)有注意到加速度是由合力決定的， 盡管阻力恒定，但牽引力是變力；錯(cuò)選D 選項(xiàng)是對(duì)動(dòng)能定理中動(dòng)能變化等于合力的功這一點(diǎn)理解不到位， 或是在分析合力功的時(shí)候漏掉了阻力的功。 本題屬于水平3， 推理過(guò)程中運(yùn)用到的思維方式有分析與綜合、比較，用到的推理形式有相關(guān)推理和因果推理。

從學(xué)生的作答情況來(lái)看，4 個(gè)水平組的學(xué)生得分率均存在明顯差異，尤其是G2 和G3 組學(xué)生之間的差異更為明顯。G1 組學(xué)生錯(cuò)選比例最高的是A 和D選項(xiàng)，G2 組和G3 組出現(xiàn)最多的錯(cuò)誤均是少選C 項(xiàng)，但G2 組少選C 項(xiàng)的比例要遠(yuǎn)高于G3 組， 同時(shí)G2組錯(cuò)選A 和D 及少選B 的比例也比較高。 這說(shuō)明，對(duì)于G1 組的同學(xué)來(lái)說(shuō)，基本概念和規(guī)律的掌握不扎實(shí)、漏洞較多仍然是影響推理正確性的重要因素；而對(duì)于G2 組的學(xué)生來(lái)說(shuō)，對(duì)物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不全面導(dǎo)致推理的思維過(guò)程難以上升到更高層級(jí)是影響推理質(zhì)量的重要因素。

另外， 由于該題全面考查了動(dòng)車(chē)啟動(dòng)這一過(guò)程中的多方面規(guī)律， 很多學(xué)生也反映由于不同的概念和規(guī)律出現(xiàn)在一道題中，相互干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)了思維的混亂。

例4：2020 年高考物理天津卷第11 題

11. 長(zhǎng)為l的輕繩上端固定，下端系著質(zhì)量為m1的小球A，處于靜止?fàn)顟B(tài)。A受到一個(gè)水平瞬時(shí)沖量后在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，恰好能通過(guò)圓周軌跡的最高點(diǎn)。當(dāng)A回到最低點(diǎn)時(shí)，質(zhì)量為m2的小球B與之迎面正碰，碰后A、B粘在一起，仍做圓周運(yùn)動(dòng)，并能通過(guò)圓周軌跡的最高點(diǎn)。不計(jì)空氣阻力，重力加速度為g，求

（1）A受到的水平瞬時(shí)沖量I的大小；

（2）碰撞前瞬間B的動(dòng)能Ek至少多大？

表7 2020 年不同水平組考生第11 題各問(wèn)得分率

本題涉及多段物理過(guò)程， 并且涉及外力對(duì)A 球的作用、A 球與B 球之間的相互作用，考查的規(guī)律包括：豎直方向圓周運(yùn)動(dòng)通過(guò)最高點(diǎn)的臨界條件、動(dòng)量定理、機(jī)械能守恒定律、動(dòng)量守恒定律等，是一道較為綜合的力學(xué)計(jì)算題。 本題屬于水平4，在解題過(guò)程中用到的思維方式較多，主要是分析綜合，體現(xiàn)在需要將整個(gè)過(guò)程拆分成小過(guò)程進(jìn)行分析， 再將小過(guò)程聯(lián)系起來(lái)發(fā)現(xiàn)各段過(guò)程之間的聯(lián)系， 用到的推理形式主要是相關(guān)推理和因果推理。 本題的推理難點(diǎn)有兩個(gè)：一是兩問(wèn)的設(shè)問(wèn)都屬于“由果索因”，即給出運(yùn)動(dòng)過(guò)程的結(jié)果“通過(guò)最高點(diǎn)”，求導(dǎo)致這種結(jié)果的原因“瞬間沖量”和“B 球的初動(dòng)能”，這與很多學(xué)生所習(xí)慣的按照時(shí)間順序逐步求解的推理順序不一致；二是對(duì)A、B 球碰撞過(guò)程應(yīng)用動(dòng)量守恒定律時(shí)，需要首先判斷共同速度的方向， 這就需要學(xué)生不僅要有這種判斷的意識(shí)， 還要具有通過(guò)分析碰撞發(fā)生的本質(zhì)來(lái)進(jìn)行判斷的能力。

從各組學(xué)生的得分率對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：首先， 全體考生的得分在第一問(wèn)和第二問(wèn)之間有明顯差異； 其次，G2 組和G3 組考生之間、G3 組和G4組考生之間的差異都較為明顯；另外，G2 組和G3 組之間的差異在第一問(wèn)上更為突出，而G3 組和G4 組之間的差異在第二問(wèn)上更為突出。 分析第一問(wèn)和第二問(wèn)的推理過(guò)程， 第一問(wèn)涉及的瞬時(shí)沖量和A 球上擺到最高點(diǎn)的物理過(guò)程是學(xué)生較為熟悉的， 用到的物理規(guī)律較為簡(jiǎn)單； 而第二問(wèn)不僅涉及到的規(guī)律較多，而且物理過(guò)程不像第一問(wèn)那么清晰，有些過(guò)程需要通過(guò)先通過(guò)定性推理判斷之后，才能正確運(yùn)用有關(guān)定律進(jìn)行定量求解， 因此第二問(wèn)對(duì)推理能力的要求更高。

通過(guò)對(duì)比不同水平組學(xué)生第一問(wèn)答題的具體情況可以發(fā)現(xiàn)， 在第一問(wèn)中，G2 組的學(xué)生出現(xiàn)規(guī)律應(yīng)用不全或應(yīng)用混亂的現(xiàn)象， 這與對(duì)物理過(guò)程分析不清、物理規(guī)律內(nèi)涵掌握不牢、不適應(yīng)由果索因的推理思路都有關(guān)系。而分析G3 組學(xué)生的試卷可以看到，大多數(shù)學(xué)生在物理過(guò)程的分析和物理規(guī)律的應(yīng)用方面思路清晰， 但在一些細(xì)節(jié)分析上出現(xiàn)錯(cuò)誤， 例如表8中的這位考生，對(duì)“瞬間沖量”的作用發(fā)生在哪一階段的分析不清。 G4 組考生在第一問(wèn)的解答中，不僅思路清晰，而且書(shū)寫(xiě)規(guī)范，推理過(guò)程清晰、準(zhǔn)確。

表8 同水平組第11-1 題典型作答示例

表9 不同水平組第11-2 題典型作答示例

對(duì)比第二問(wèn)的答題情況可以看到，G2 組同學(xué)仍然是由于規(guī)律掌握不到位， 造成動(dòng)量守恒定律應(yīng)用列式錯(cuò)誤，而且規(guī)律應(yīng)用不全。 G3 組同學(xué)規(guī)律的基本形式書(shū)寫(xiě)規(guī)范正確， 但是未考慮動(dòng)量守恒的矢量性， 并且對(duì)碰撞過(guò)程的動(dòng)量規(guī)律和能量規(guī)律出現(xiàn)混淆。G4 組同學(xué)能夠很好地處理上述問(wèn)題， 而且在解題過(guò)程中， 對(duì)每一個(gè)規(guī)律都注明了其對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程和規(guī)律的名稱(chēng)，充分體現(xiàn)了推理的邏輯性和準(zhǔn)確性（見(jiàn)表9）。

2. 綜合分析

對(duì)典型例題進(jìn)行分析整理歸納可以發(fā)現(xiàn)， 學(xué)生的科學(xué)推理能力發(fā)展水平受多方面因素的影響，呈現(xiàn)下列規(guī)律：

（1）物理觀念建立不完善，概念和規(guī)律內(nèi)化不充分，會(huì)影響科學(xué)推理能力的發(fā)展；

（2）科學(xué)思維的其它要素中，模型建構(gòu)能力對(duì)科學(xué)推理能力的影響最為明顯；

（3）情境也是影響推理質(zhì)量的重要因素，情境所呈現(xiàn)的內(nèi)容與題設(shè)問(wèn)題的相關(guān)性及情境的復(fù)雜程度都對(duì)推理水平的表現(xiàn)產(chǎn)生影響；

（4）不同水平的學(xué)生，影響科學(xué)推理質(zhì)量的主要因素不同，G1 組和G2 組學(xué)生主要是規(guī)律本身掌握不扎實(shí)造成推理錯(cuò)誤，而G3 組的學(xué)生則主要是因?yàn)閺?fù)雜情境或考查角度的多樣， 導(dǎo)致推理的環(huán)節(jié)無(wú)法細(xì)致準(zhǔn)確。

四、教學(xué)建議

1. 從起始年級(jí)開(kāi)始循序漸進(jìn)培養(yǎng)科學(xué)推理能力

物理學(xué)科的學(xué)習(xí)特點(diǎn)要求學(xué)生進(jìn)行較為復(fù)雜的邏輯推理，對(duì)學(xué)生的推理能力提出了較高的要求，而推理能力的形成不是一蹴而就的， 需要長(zhǎng)期的系統(tǒng)培養(yǎng)。 而科學(xué)推理能力往往又與科學(xué)思維的模型建構(gòu)等要素以及物理觀念的形成有著重要的聯(lián)系，這就更需要在概念和規(guī)律的建立之初， 讓學(xué)生對(duì)概念的建立過(guò)程及規(guī)律的內(nèi)涵、 應(yīng)用條件等有充分的學(xué)習(xí)體驗(yàn)， 這樣才能使得這些概念和規(guī)律在學(xué)生的頭腦中完成提煉和升華的過(guò)程， 才能在運(yùn)用這些概念和規(guī)律進(jìn)行科學(xué)推理來(lái)解決具體問(wèn)題時(shí)運(yùn)用自如。

因此，提高科學(xué)推理能力，需要在起始年級(jí)的物理教學(xué)中，注意以下問(wèn)題：

（1）要注重教學(xué)的基礎(chǔ)性，避免教學(xué)內(nèi)容過(guò)難，在教學(xué)的不同階段制定不同的科學(xué)推理能力培養(yǎng)目標(biāo)，逐步推進(jìn)，在關(guān)鍵概念和規(guī)律的教學(xué)中尤其如此；

（2）充分了解學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，了解學(xué)生在初中的物理學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)方法，找到初、高中在科學(xué)思維方式方法上的跨越點(diǎn)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)初、高中的平穩(wěn)過(guò)渡；

（3）對(duì)于高中學(xué)習(xí)之初學(xué)生出現(xiàn)的問(wèn)題，要及時(shí)加以糾正。例如：學(xué)生習(xí)慣用生活俗語(yǔ)和生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)分析物理現(xiàn)象，無(wú)法用物理方法進(jìn)行思考等問(wèn)題。

（4）重視知識(shí)的輸出，單純的知識(shí)輸入無(wú)法提升學(xué)生的科學(xué)推理能力， 學(xué)生只有進(jìn)入知識(shí)加工的狀態(tài)，才能真正提升能力。

2. 引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活實(shí)踐，關(guān)注科技發(fā)展

素質(zhì)教育的目的在于培養(yǎng)徳智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人。 因此，在知識(shí)、能力和素養(yǎng)的教育培養(yǎng)中， 應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注與國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)生活實(shí)際等緊密相關(guān)的內(nèi)容，避免理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生用物理學(xué)視角看問(wèn)題的意識(shí)， 并在教學(xué)中讓學(xué)生體驗(yàn)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋現(xiàn)象、解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程，讓學(xué)生充分感受到課堂所學(xué)內(nèi)容中蘊(yùn)含的應(yīng)用價(jià)值。

另外，高考評(píng)價(jià)體系明確指出，應(yīng)用性是重要的考查要求，這就要求以貼近時(shí)代、貼近社會(huì)、貼近學(xué)生的生活實(shí)踐或?qū)W習(xí)探索問(wèn)題情境做為重要的考查載體。 這一要求的提出，相信會(huì)使今后的高考試卷中出現(xiàn)更多的情境類(lèi)試題來(lái)考查學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展情況，這一點(diǎn)需要引起一線教師的高度重視。

3. 通過(guò)基于大概念的整體教學(xué)提升復(fù)習(xí)效果

在前面的分析中可以看出，對(duì)于G1 和G2 組學(xué)生，知識(shí)和方法掌握不全、漏洞多是影響科學(xué)推理能力的重要因素；G3 組學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜推理時(shí)， 也會(huì)出現(xiàn)概念和規(guī)律細(xì)節(jié)掌握不牢而產(chǎn)生混淆， 使推理的環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 這個(gè)問(wèn)題單純通過(guò)簡(jiǎn)單的重復(fù)練習(xí)無(wú)法解決，單純的機(jī)械化訓(xùn)練反而會(huì)造成學(xué)生進(jìn)入“套路化”的思維模式，推理能力進(jìn)一步下降。 解決這一問(wèn)題的路徑有兩個(gè)：一是改變?cè)趺唇?，即?chuàng)新教學(xué)策略，組織形式多樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)等；二是改變教什么，即改變知識(shí)呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的組織方式。

新課改強(qiáng)調(diào)大概念教學(xué)、單元學(xué)習(xí)，在新課教學(xué)中， 大概念教學(xué)主要體現(xiàn)在從學(xué)習(xí)進(jìn)階的角度對(duì)概念內(nèi)涵和外延進(jìn)行理解和掌握， 而在復(fù)習(xí)課上主要指將大概念作為復(fù)習(xí)的統(tǒng)領(lǐng)， 打破章節(jié)的界限來(lái)進(jìn)行復(fù)習(xí)知識(shí)的整合。 這樣可以最大限度地避免知識(shí)的碎片化，有助于形成知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)，建立知識(shí)之間的聯(lián)系， 使學(xué)生始終清楚所復(fù)習(xí)的內(nèi)容在大的學(xué)科框架中的位置以及其與其它內(nèi)容之間的聯(lián)系， 從而減少知識(shí)的混淆和遺忘。

例如， 可以打破章節(jié)所限制的先機(jī)械能再電能的順序，以能量這個(gè)大概念作為復(fù)習(xí)主題，串聯(lián)力、電、熱、光、原子等部分的知識(shí)，從能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)來(lái)分析這些物理現(xiàn)象， 使學(xué)生不僅熟悉這些知識(shí)， 還對(duì)能量這一分析物理問(wèn)題的基本推理方法逐步推進(jìn)、層層深入。

再比如， 可以以某一類(lèi)物理過(guò)程為大概念作為復(fù)習(xí)的主題，例如變加速直線運(yùn)動(dòng)，完整復(fù)習(xí)這類(lèi)物理過(guò)程中力、加速度、速度等基本物理概念及其之間的關(guān)系所滿足的規(guī)律，進(jìn)而能夠進(jìn)行正確的推理，從不同的角度全面復(fù)習(xí)一類(lèi)物理過(guò)程的規(guī)律， 是進(jìn)行大概念教學(xué)的又一途徑。

4. 重視知識(shí)本質(zhì)的學(xué)習(xí)，避免套路化訓(xùn)練

學(xué)科素養(yǎng)是必備品格和關(guān)鍵能力， 而品格和能力只有內(nèi)化，才能真正用來(lái)解決問(wèn)題。該怎樣達(dá)成內(nèi)化呢？ 其中一條重要的原則就是注重學(xué)科本質(zhì)的教育，避免將方法和能力誤當(dāng)作知識(shí)教給學(xué)生，也就是說(shuō)，不能僅僅讓學(xué)生記住結(jié)論，還要求學(xué)生理解這個(gè)結(jié)論的得出過(guò)程及應(yīng)用條件。在歷年的高考試題中，都突出了對(duì)知識(shí)本質(zhì)的考查。 例如，2013 年高考物理天津卷第2 題考查的是一個(gè)碰撞過(guò)程，題目如下：

我國(guó)女子短道速滑隊(duì)在今年世錦賽上實(shí)現(xiàn)女子3000m 接力三連冠。觀察發(fā)現(xiàn)，“接棒”的運(yùn)動(dòng)員甲提前站在“交棒”的運(yùn)動(dòng)員乙前面，并且開(kāi)始向前滑行，待乙追上甲時(shí)，乙猛推甲一把，使甲獲得更大的速度向前沖出。在乙推甲的過(guò)程中，忽略運(yùn)動(dòng)員與冰面之間在水平方向上的相互作用，則（ ）

A． 甲對(duì)乙的沖量一定等于乙對(duì)甲的沖量

B． 甲、乙的動(dòng)量變化一定大小相等方向相反

C． 甲的動(dòng)能增加量一定等于乙的動(dòng)能減少量

D． 甲對(duì)乙做多少負(fù)功，乙對(duì)甲就一定做多少正功

此題考查了碰撞過(guò)程中沖量、動(dòng)量、功、動(dòng)能這幾個(gè)基本物理量的特點(diǎn)及其相互關(guān)系， 只要求定性判斷，并不要求定量計(jì)算，而此題的得分率明顯低于考查碰撞過(guò)程定量計(jì)算的試題。究其原因，是因?yàn)閷W(xué)生習(xí)慣了對(duì)碰撞這一過(guò)程的套路化計(jì)算， 不去思考碰撞過(guò)程的本質(zhì)規(guī)律，只是機(jī)械地用公式計(jì)算結(jié)果，這不是真正的科學(xué)推理， 這樣的訓(xùn)練也無(wú)法形成真正的能力。

要讓學(xué)生形成真正的能力， 就要帶領(lǐng)學(xué)生來(lái)討論一系列的問(wèn)題：碰撞這樣一個(gè)物理過(guò)程的發(fā)生，兩個(gè)物體中間的相互作用到底產(chǎn)生了哪些結(jié)果？ 涉及到哪些物理量？它們之間的相互關(guān)系又是什么？從理論的角度如何解釋合力為零的條件下系統(tǒng)的動(dòng)量守恒？?jī)蓚€(gè)物體的能量和系統(tǒng)的能量是否發(fā)生變化？符合什么規(guī)律？這些問(wèn)題在新授課中是重點(diǎn)和難點(diǎn)，在復(fù)習(xí)過(guò)程中需要幫助學(xué)生通過(guò)思考深刻理解， 在關(guān)鍵問(wèn)題上可以組織學(xué)生開(kāi)展討論、 發(fā)表見(jiàn)解并提供論據(jù)的支持， 讓學(xué)生在科學(xué)推理論證的過(guò)程中弄清知識(shí)的本質(zhì)規(guī)律。