科學(xué)論證視角下的物理高考試題分析
——以2022年全國乙卷第24題為例

徐嘉君，丁 聰，朱巧萍

寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，銀川 750021

科學(xué)論證作為科學(xué)思維的重要要素，在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》[1]的課程目標(biāo)中，從科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度三個(gè)方面分別提出了明確要求，也在學(xué)業(yè)質(zhì)量水平和高考評價(jià)體系中進(jìn)行了深入考查。其中，學(xué)業(yè)質(zhì)量水平明確提出了考試命題應(yīng)該著重圍繞物理核心素養(yǎng)，高考評價(jià)體系[2]也表明了科學(xué)論證是學(xué)生通過高中物理課程學(xué)習(xí)的考核目標(biāo)之一。因此，可評價(jià)的科學(xué)論證素養(yǎng)在高考試題中以一定形式呈現(xiàn)，并具有從隱性逐漸過渡到顯性、權(quán)重增大等趨勢。

1 科學(xué)論證模型

科學(xué)論證是一種基于一定事實(shí)證據(jù)，利用已有的知識與經(jīng)驗(yàn)作為支持，進(jìn)行一系列科學(xué)的推理過程。是對所研究的科學(xué)問題作出合理解釋，從而建立證據(jù)與觀點(diǎn)之間的聯(lián)系，提出科學(xué)觀點(diǎn)，并能有效反駁反面觀點(diǎn)的過程。目前，在論證式教學(xué)上圖爾敏提出的TAP模型[3]影響最為深遠(yuǎn)，如圖1所示。

圖1 TAP模型

TAP模型包含六要素，其中資料、主張、根據(jù)是主要要素。資料是指提供論證的理論依據(jù)；根據(jù)是連接主張和資料之間的橋梁，即推理過程；主張是指基于物理問題的描述作出判斷、形成觀點(diǎn)；限定是指主張成立的限定條件；支援是指對推理過程的支援性陳述，即要考慮合理性，適當(dāng)補(bǔ)充；反駁是指利用物理知識對反面觀點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)疑與批判。

2022年高考卷就體現(xiàn)了對科學(xué)論證素養(yǎng)的考查，現(xiàn)以TAP模型為導(dǎo)向?qū)?022年高考全國乙卷物理第24題進(jìn)行分析。

2 試題分析

（2022年全國乙卷第24題）如圖2，一不可伸長的細(xì)繩的上端固定，下端系在邊長l=0.40 m的正方形金屬框的一個(gè)頂點(diǎn)上。金屬框的一條對角線水平，其下方有方向垂直于金屬框所在平面的勻強(qiáng)磁場。已知構(gòu)成金屬框的導(dǎo)線單位長度的阻值為λ=5.0×10-3Ω/m；在t=0 s到t=3.0 s時(shí)間內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨時(shí)間t的變化關(guān)系為B（t）=0.3-0.1t。求：

圖2 2022年全國乙卷24題圖

（1）t=2.0 s時(shí)金屬框所受安培力的大??；

（2）在t=0 s到t=2.0 s時(shí)間內(nèi)金屬框產(chǎn)生的焦耳熱。

2.1 命題分析

（1）命題意圖

本試題主要涉及兩個(gè)方面，即金屬框在某時(shí)刻所受安培力與某段時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的焦耳熱。雖題目表達(dá)較為簡單，但上述兩個(gè)物理量都無法根據(jù)題干的表述利用公式直接求解，需要學(xué)生進(jìn)行定性和定量的思考。要判斷金屬框內(nèi)是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生、抽象金屬框的等效電路圖、計(jì)算金屬框在磁場內(nèi)的有效長度、計(jì)算金屬框阻值、計(jì)算產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小、判斷金屬框各部分產(chǎn)生安培力的大小和方向、計(jì)算金屬框整體所受安培力的大小、判斷某段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電流是否為恒定值。這些復(fù)雜的思考環(huán)環(huán)相扣，中間任何環(huán)節(jié)的思考錯(cuò)誤，都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的錯(cuò)誤，據(jù)此對學(xué)生科學(xué)論證的能力由淺入深地進(jìn)行考查。

（2）考查方向

一是能運(yùn)用電磁學(xué)的方法解決導(dǎo)體在變化磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流的問題；二是能利用等效電路圖對現(xiàn)實(shí)情景進(jìn)行簡化和建立物理模型；三是能運(yùn)用力的合成與分解的方法對帶電導(dǎo)體在磁場中受到的安培力進(jìn)行求解；四是能運(yùn)用熱學(xué)的方法解決帶電導(dǎo)體工作產(chǎn)生熱量的問題。

（3）考查水平

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》[1]從核心素養(yǎng)的四個(gè)方面明確提出了物理學(xué)業(yè)質(zhì)量水平，從低到高劃分為5個(gè)水平，科學(xué)論證水平如表1所示。

表1 科學(xué)論證素養(yǎng)的水平劃分

本試題需要考生選擇合理的資料（理論依據(jù)）、應(yīng)用正確的根據(jù)（演繹推理）、形成主張（形成觀點(diǎn)），屬于科學(xué)論證的水平4要求。

2.2 科學(xué)論證導(dǎo)向下的解題分析

第一問：t=2.0 s時(shí)金屬框所受安培力的大小。

依據(jù)科學(xué)論證的結(jié)構(gòu)要素，第一問完整論述過程表述如下：

（1）資料——理論依據(jù)

金屬框受到安培力應(yīng)滿足以下條件：一是金屬框處于磁場中，二是金屬框中有感應(yīng)電流流過。由題干信息可知金屬框部分處在磁場中，且該磁場為變化的磁場，即有磁通量的變化，因此，金屬框確實(shí)會(huì)受到安培力。由安培力公式F=BIL可知，求解安培力的大小需先求出某時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小、流過金屬框的感應(yīng)電流I的大小、金屬框有效長度L。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小可由題目所給信息求出；感應(yīng)電流I的大小可由閉合電路歐姆定律求出，而金屬框在變化磁場中會(huì)因磁通量的變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢E，總電阻R總可由題目所給信息求出；金屬框有效長度L為金屬框處在磁場中的兩邊進(jìn)行首尾相連所得直線對應(yīng)的長度。

（2）根據(jù)——演繹推理

第一問的演繹推理過程如圖3所示。

圖3 演繹推理圖

當(dāng)t=2.0 s時(shí)，該時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度B求解：

B2=0.3-0.1×2=0.1 T

該時(shí)刻感應(yīng)電流I求解過程，分三步走：

②金屬框的總電阻由每條邊的電阻串聯(lián)而成，可得總電阻為

③由閉合電路歐姆定律與等效電路圖（圖4）可求出金屬框中的電流

圖4 等效電路圖

該時(shí)刻金屬框在所處磁場的有效長度L為

基于以上三個(gè)物理量的求解，分析整合出金屬框所受安培力F的大小

（3）主張——形成觀點(diǎn)

t=2.0 s時(shí)金屬框所受安培力的大小為

（4）限定——限定條件

忽略金屬框的其他阻力，且金屬框的形狀及大小不變。

（5）支援——補(bǔ)充理由

安培力的大小是合力大小，亦可用力的分解思想進(jìn)行求解。金屬框僅有下方兩條邊在磁場中，因此僅有下方兩條邊受到安培力，由左手定則可知所受安培力方向，如圖5所示。

圖5 受力分析圖

通過力的分解和安培力大小的公式，可求得

（6）反駁——求異思維

相異觀點(diǎn)：認(rèn)為金屬框左側(cè)為電源的負(fù)極、右側(cè)為正極，總電阻不是由四條邊的電阻串聯(lián)而成的，而是由上方兩條邊的電阻串聯(lián)與下方兩條邊的電阻串聯(lián)后再并聯(lián)而成的。計(jì)算得出總電阻

質(zhì)疑批判：金屬框在變化的磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，所以下方兩條邊框相當(dāng)于電源。由右手螺旋定則可知整個(gè)金屬框中的電流呈逆時(shí)針流向。上方兩條邊框的電阻是串聯(lián)的外電阻，下方兩條邊框的電阻是串聯(lián)的內(nèi)電阻，所以總電阻是由金屬框四條邊框的電阻串聯(lián)而成的。

第二問：在t=0 s到t=2.0 s時(shí)間內(nèi)金屬框產(chǎn)生的焦耳熱。

依據(jù)科學(xué)論證的結(jié)構(gòu)要素，第二問完整論述過程表述如下：

（1）資料——理論依據(jù)

由焦耳定律公式Q=I2Rt可知，求解金屬框在一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱需要的物理量有：流過金屬框的感應(yīng)電流I、金屬框阻值R、發(fā)熱時(shí)間t。在此要注意焦耳定律Q=I2Rt要求該段時(shí)間內(nèi)的電流為恒定電流，因此需要先行判斷該過程中產(chǎn)生的電流是否為恒定電流。

（2）根據(jù)——演繹推理

將數(shù)值代入公式，得

Q=I2R總t=12×8×10-3×2=1.6×10-2J

（3）主張——形成觀點(diǎn)

在t=0 s到t=2.0 s時(shí)間內(nèi)金屬框產(chǎn)生的焦耳熱為 1.6×10-2J。

（4）限定——限定條件

電流所做的功將電能全部轉(zhuǎn)化為熱能。

（5）支援——補(bǔ)充理由

當(dāng)電路中僅有純電阻時(shí)，電流做功是將電能全部轉(zhuǎn)化為熱能。

（6）反駁——求異思維

相異觀點(diǎn)：無法確定該過程的電流為恒定電流，認(rèn)為該過程的電流是變化的，從安培力做功的角度求解焦耳熱。

質(zhì)疑批判：因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度大小隨時(shí)間均勻變化，因此產(chǎn)生恒定電動(dòng)勢，并且電阻不變，所以產(chǎn)生恒定電流。由于第一問已經(jīng)將所需知識基礎(chǔ)解析得很清楚，因此經(jīng)過第一問以科學(xué)論證為導(dǎo)向的教學(xué)指導(dǎo)之后，解決第二問中的該難點(diǎn)對于大多數(shù)學(xué)生來說是較為簡單的，也體現(xiàn)了科學(xué)論證教學(xué)的價(jià)值意義。

2.3 試題特點(diǎn)

從解題分析過程來看，本試題在求解過程中著重考查學(xué)生的科學(xué)論證素養(yǎng)。主要體現(xiàn)在以下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）理論依據(jù)的間接性

學(xué)生無法從試題給予的信息中直接提取物理量，然后運(yùn)用公式進(jìn)行求解。例如，第一問求解安培力的大小，從題目中無法直接提取磁感應(yīng)強(qiáng)度B、感應(yīng)電流大小I、有效長度L，需要學(xué)生分別對這三個(gè)物理量進(jìn)行思考求解。本試題蘊(yùn)含了較多知識點(diǎn)和復(fù)雜的分析思考過程，對學(xué)生的科學(xué)論證思維有一定的要求。

（2）邏輯推理的嚴(yán)謹(jǐn)性

推理過程緊緊圍繞定性判斷與定量計(jì)算。例如第一問，學(xué)生在求解流過金屬框的感應(yīng)電流I的過程中，需要考慮金屬框內(nèi)是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生、抽象出金屬框的等效電路圖、計(jì)算金屬框阻值等多個(gè)問題，然后層層遞進(jìn)，通過法拉第電磁感應(yīng)定律和閉合電路歐姆定律兩次嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砬蟮?。若推理不?yán)謹(jǐn)，則會(huì)缺乏依據(jù)導(dǎo)致論證不足，還會(huì)導(dǎo)致后續(xù)求解第二問的過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此本試題對學(xué)生的邏輯推理思維有較高的考查。

（3）質(zhì)疑反駁的重要性

推理過程中可能會(huì)出現(xiàn)相異觀點(diǎn)，具有充分的反駁理由能助力科學(xué)論證。通過分析試題，可知在兩個(gè)小題求解過程中學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)的相異觀點(diǎn)，而相異觀點(diǎn)通常是由于對知識的認(rèn)知缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性和完整性導(dǎo)致知識誤區(qū)。若能從合理角度思考并提出充分的論據(jù)、進(jìn)行強(qiáng)有力的反駁，便能得出正確結(jié)論，因此，本試題需要學(xué)生具有一定的質(zhì)疑批判能力。

3 教學(xué)啟示

通過分析高考試題，體現(xiàn)了科學(xué)論證的考查形式及重要性。如何促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)論證能力，培養(yǎng)科學(xué)論證素養(yǎng)，值得深思。在此提出相關(guān)教學(xué)建議：

（1）少用傳統(tǒng)推理，改變思維定式

科學(xué)推理是常用的解決問題的方式，但不是唯一的。導(dǎo)致學(xué)生科學(xué)論證素養(yǎng)偏低的原因之一是慣用思維定式求解。當(dāng)需要運(yùn)用科學(xué)論證思維求解時(shí)，卻采取了科學(xué)推理思維，會(huì)出現(xiàn)缺乏理論依據(jù)以致出錯(cuò)的情況[4]。改變只依靠推理解決問題的思維定式首先要改變教師的“定式”，才能改變學(xué)生的“定式”。

（2）巧用原始問題，體會(huì)論證過程

創(chuàng)設(shè)生活情境，能激發(fā)學(xué)生的感性認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上提出原始物理問題，能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)探究的好奇心與內(nèi)在動(dòng)力。課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生應(yīng)對復(fù)雜現(xiàn)實(shí)情境參與科學(xué)探究，解決具體問題和提升物理科學(xué)論證能力。原始物理問題通常是結(jié)構(gòu)不良的問題，即沒有具體的數(shù)值及特殊的條件限制等，能給予學(xué)生開放的思考角度，有助于學(xué)生進(jìn)行科學(xué)論證活動(dòng)。近年來，情境化試題在高考等選拔性考試中逐漸得到重視[5]。

（3）善用同伴互助，引發(fā)思維碰撞

由TAP模型可知，科學(xué)論證的要素包括資料、根據(jù)、主張、限定、支援、反駁。其中，“反駁”要素是難度最大的，也是較難實(shí)施的，在教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生反駁反面觀點(diǎn)的能力成為了眾多一線教師的訴求?！胺瘩g”產(chǎn)生的前提是異同觀點(diǎn)，重點(diǎn)是具有充分的批判依據(jù)，難度較大以致學(xué)生難以獨(dú)自完成，因此需要同伴互助。同伴的理解、接受和正確的質(zhì)疑批判能引發(fā)思維碰撞，有利于科學(xué)論證能力的提升。因此，教師可以通過組織學(xué)生形成合作小組，通過協(xié)作與交流共同促進(jìn)科學(xué)論證能力的提升。