2021年高考物理試題中科學(xué)推理能力考查的定量分析*

夏 旭 姜玉梅 柏 楊 葉曉山 鄭吳凡

（揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225000）

科學(xué)推理能力（Scientific Reasoning Ability）是物理學(xué)科核心素養(yǎng)關(guān)鍵能力的重要組成，對(duì)學(xué)生的未來(lái)發(fā)展影響深遠(yuǎn).本研究基于Lawson教授建立的科學(xué)推理體系［1］，結(jié)合物理學(xué)科特色，確定了科學(xué)推理的7種推理類型：守恒推理、比例推理、控制變量推理、因果推理、相關(guān)推理、假設(shè)演繹推理、概率推理.根據(jù)這7種推理類型，對(duì)高考物理試題進(jìn)行研究.

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

2021年高考全國(guó)甲卷、乙卷以及廣東、湖南、河北3個(gè)省份自主命題的物理試卷.

1.2 研究方法

根據(jù)上述科學(xué)推理的7種類型的概念及對(duì)應(yīng)的思維過(guò)程，篩選出高考物理試題中涉及科學(xué)推理能力的試題.以最小試題編號(hào)為單位，統(tǒng)計(jì)科學(xué)推理試題分值占試卷總分的比例.整理考查不同推理類型的試題并統(tǒng)計(jì)其數(shù)量與分值，考慮到部分試題可能同時(shí)考查學(xué)生多種推理類型，將這類試題的總分按照推理類型的數(shù)目平均分配.計(jì)算出各種推理類型試題占考查科學(xué)推理能力試題總分的比例.最后，結(jié)合這5 套試卷整理出不同推理類型考查的知識(shí)點(diǎn)［2］.

2 結(jié)果與分析

2.1 各高考卷考查科學(xué)推理能力試題的占比

統(tǒng)計(jì)各份試卷中考查科學(xué)推理能力試題的分值，并計(jì)算其在試卷總分中的占比，結(jié)果如表1所示.

表1 2021年高考物理試題考查科學(xué)推理能力的分值占比

可以看到2021年高考中，這5份試卷對(duì)科學(xué)推理能力考查的比例有所不同，平均考查比例在40%左右.可以看到全國(guó)甲卷考查科學(xué)推理能力的試題占比最高，試卷在側(cè)重基礎(chǔ)性和綜合性的同時(shí)，要求學(xué)生能夠在常規(guī)的情景下，通過(guò)類比等思維方法找到物理量間的關(guān)聯(lián)進(jìn)而解題.廣東、湖南、河北卷題型設(shè)置相同，相對(duì)來(lái)說(shuō)廣東卷側(cè)重基礎(chǔ)，加強(qiáng)了物理知識(shí)與生產(chǎn)、生活、科技的結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)解決問(wèn)題的能力，對(duì)科學(xué)推理能力考查略少.全國(guó)乙卷、湖南卷、河北卷科學(xué)推理試題在40%左右.由此可以看出，整體上高考普遍關(guān)注學(xué)生的科學(xué)推理能力，但是不同地區(qū)對(duì)學(xué)生的科學(xué)推理能力的考查有差異.

2.2 各推理類型考查分值占比情況

將5套試卷考查科學(xué)推理能力的試題分值相加作為整體，分別統(tǒng)計(jì)7種推理類型試題的分值與整體的比例，結(jié)果如表2所示.

表2 2021年高考物理考查科學(xué)推理能力的試題中各推理類型占比

比例推理在有關(guān)科學(xué)推理的試題中占比最高，達(dá)到了48.1%.在高中物理中比例推理主要是考查學(xué)生能否根據(jù)物理規(guī)律的比例關(guān)系從已知條件推導(dǎo)未知量.比如在天體運(yùn)動(dòng)中根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力的關(guān)系，推導(dǎo)繞行天體運(yùn)行速度與軌道半徑之間的關(guān)系.考查控制變量推理和假設(shè)演繹推理最少，控制變量推理僅在導(dǎo)體的電阻定律中有所涉及，而假設(shè)演繹推理僅在故障電路分析時(shí)考查到.

另外，有關(guān)概率推理試題的占比也較少，主要是結(jié)合氣體動(dòng)理論的知識(shí)進(jìn)行考查.因果推理和相關(guān)推理占比不高，但是涉及的題目是比較綜合比較復(fù)雜的.因果推理需要學(xué)生根據(jù)條件運(yùn)用物理規(guī)律逐步推理完成一條完整的推理鏈得到所要求的量.這里可能包括從因到果，由果溯因等推理過(guò)程.相關(guān)推理重點(diǎn)考查學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的能力，需要學(xué)生通過(guò)發(fā)現(xiàn)內(nèi)在的相關(guān)性進(jìn)行推理，主要包括類比、對(duì)稱等思維過(guò)程.守恒推理占比第二高，其重要性不言而喻.守恒推理在試題中主要考查學(xué)生能否以守恒的思維，從能量守恒、動(dòng)量守恒等出發(fā)思考并解決問(wèn)題.

另外，以試卷中最大的試題編號(hào)為單位，整理各推理類型的試題數(shù)目，并用雷達(dá)圖的形式呈現(xiàn).考慮到全國(guó)甲卷、全國(guó)乙卷題型題量分值相同，將這兩個(gè)地區(qū)的試卷對(duì)比分析.廣東、湖南、河北卷題型題量分值相同，則將這3個(gè)地區(qū)對(duì)比研究，結(jié)果如圖1所示.

圖1 2021年高考物理考查各類型科學(xué)推理的試題數(shù)目

內(nèi)環(huán)代表的數(shù)目是零，越往外環(huán)該推理類型的試題數(shù)目越大.不難看出全國(guó)甲卷、全國(guó)乙卷總體上對(duì)各推理類型考查是不平衡的，都注重對(duì)學(xué)生比例推理能力的考查，也都沒(méi)有涉及假設(shè)演繹推理能力的考查.另外，全國(guó)甲卷更重視學(xué)生對(duì)相關(guān)性的思考，而全國(guó)乙卷側(cè)重學(xué)生的因果推理能力的考查.

在自主命題試卷中，可以看到河北卷對(duì)科學(xué)推理的不同類型考查相對(duì)全面，僅僅沒(méi)有涉及控制變量推理.

廣東卷和湖南卷都沒(méi)有涉及假設(shè)演繹推理，其中湖南卷對(duì)比例推理和守恒推理的考查較多，而廣東卷更關(guān)注學(xué)生的因果推理能力.總體來(lái)看，自主命題試卷的雷達(dá)圖相對(duì)更飽滿，又因?yàn)樽灾髅}試卷題量少，所以自主命題的試卷對(duì)科學(xué)推理能力的考查較全國(guó)卷更全面.

2.3 不同推理類型考查知識(shí)點(diǎn)的分布

對(duì)所有有關(guān)科學(xué)推理能力考查的試題進(jìn)行分析，羅列出涉及的知識(shí)點(diǎn)，結(jié)果如表3所示.

表3 2021年高考物理試題科學(xué)推理各類型考查知識(shí)點(diǎn)的分布情況

從表3中可以看到，高考在對(duì)控制變量推理和假設(shè)演繹推理進(jìn)行考查時(shí)涉及的知識(shí)點(diǎn)最少，分別是電阻定律和電路故障分析.同時(shí)，對(duì)于學(xué)生概率推理能力的考查也相對(duì)單一，一般與氣體分子速率分布規(guī)律結(jié)合考查.相關(guān)推理的考點(diǎn)相對(duì)分散，主要是在疊加場(chǎng)和類平拋運(yùn)動(dòng)中考查.因果推理在高考中一般是通過(guò)讓學(xué)生分析動(dòng)態(tài)過(guò)程來(lái)考查的，比如電路動(dòng)態(tài)分析和理想氣體動(dòng)態(tài)分析.對(duì)于守恒推理來(lái)說(shuō)，知識(shí)點(diǎn)就比較固定，主要是原子核的衰變以及能量守恒、動(dòng)量守恒.作為試題中考查最多的比例推理，這部分試題涉及的知識(shí)點(diǎn)是很多的，但是也會(huì)有萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用、理想變壓器等常考內(nèi)容.

3 討論與建議

通過(guò)對(duì)2021年5套高考物理試卷的分析，發(fā)現(xiàn)考查科學(xué)推理能力的試題平均占比在40%左右，不難看出高考普遍關(guān)注對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力的考查.因此，教師應(yīng)該在日常教學(xué)中重視對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)，根據(jù)上述分析結(jié)果，提出以下建議：

3.1 關(guān)注推理思維 滲透學(xué)科素養(yǎng)

參考皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論，高中的學(xué)生處于形式運(yùn)算階段之后，各項(xiàng)推理能力已經(jīng)具備，正經(jīng)歷著科學(xué)推理能力進(jìn)一步提升的階段，也是學(xué)生分析、處理問(wèn)題能力提升的關(guān)鍵期［3］.因此，教師應(yīng)該在日常教學(xué)中關(guān)注學(xué)生推理思維的發(fā)展，針對(duì)不同課型引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)推理完成預(yù)定目標(biāo).例如，可以在新授課上預(yù)設(shè)關(guān)于新概念的推理任務(wù)，并基于先修知識(shí)設(shè)置環(huán)環(huán)相扣的推理問(wèn)題，不斷啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生完成新知的建構(gòu)過(guò)程［4］.推理綜合涉及信息提取與問(wèn)題表征、推理機(jī)制的選取與應(yīng)用、推理任務(wù)的完成與檢驗(yàn).學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)推理的思維過(guò)程能夠調(diào)整自身思維路徑，強(qiáng)化推理思維能力，從而提高學(xué)科素養(yǎng).

3.2 善用數(shù)理方法 強(qiáng)化比例推理

在考查科學(xué)推理能力的試題中，占比最多的是考查比例推理的試題.比例推理側(cè)重考查物理量之間的比例、函數(shù)關(guān)系，需要學(xué)生在熟練掌握幾何關(guān)系、三角函數(shù)、代數(shù)運(yùn)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)物理規(guī)律列式得到方程，再憑借函數(shù)與方程的思想得到陌生變量之間的關(guān)系.同時(shí)，圖像問(wèn)題的思考也涉及比例推理的參與，例如在2021年高考湖北卷的實(shí)驗(yàn)題中就需要學(xué)生根據(jù)圖像的橫縱坐標(biāo)，結(jié)合物理規(guī)律列出方程，對(duì)方程進(jìn)行形式變換得到關(guān)于橫軸、縱軸所代表的物理量的函數(shù)關(guān)系，再通過(guò)圖像斜率求解動(dòng)摩擦因數(shù).

3.3 深挖教材內(nèi)容 夯實(shí)理論基礎(chǔ)

科學(xué)推理是建立在牢固掌握基本概念、規(guī)律、方法基礎(chǔ)上的，只有牢固掌握了這些基礎(chǔ)知識(shí)并達(dá)到運(yùn)用自如的程度，才能進(jìn)行有效、正確的科學(xué)推理.為此，在對(duì)科學(xué)推理能力試題知識(shí)點(diǎn)梳理的基礎(chǔ)上，結(jié)合高中物理教科書，整理出教材中需要科學(xué)推理參與的物理概念、規(guī)律、方法等.教師應(yīng)該在教學(xué)中鞏固學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，并且有針對(duì)性地對(duì)蘊(yùn)含科學(xué)推理要素的知識(shí)、方法、例題進(jìn)行強(qiáng)調(diào).例如，教師可以有意識(shí)地舉例說(shuō)明某個(gè)問(wèn)題的解決實(shí)際上經(jīng)過(guò)了什么樣的推理過(guò)程，幫助學(xué)生明確科學(xué)推理的每一種類型的內(nèi)涵和思維過(guò)程.這有利于學(xué)生熟練掌握科學(xué)推理的有關(guān)方法和技能，提高學(xué)生科學(xué)推理的水平.