考查科學推理能力的高考物理試題分析

王璐霞

摘 要：科學推理能力可分為守恒推理、比例推理、控制變量推理、組合推理、概率推理和相關推理這六種子推理類型。本文以2012—2016年全國高考統(tǒng)一物理（新課標I）為例，分析高考物理試題對學生科學推理能力的考查情況，發(fā)現(xiàn)我國高考物理極少關注概率推理和相關推理的考查。進一步統(tǒng)計分析守恒推理、比例推理、控制變量推理和組合推理的考查情況發(fā)現(xiàn)：（1）組合推理的考查題數(shù)相對最多，且有增加的趨勢；（2）其次是守恒推理和比例推理，且兩者的考查題數(shù)基本相當；（3）控制變量推理的考查題數(shù)最少，2014年甚至沒有。

關鍵詞：科學推理；物理高考；試題分析

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）9-0048-4

《普通高中物理課程標準》指出，高中物理課程是普通高中自然科學領域的一門基礎課程，旨在落實“立德樹人”的根本任務，進一步提升學生的物理核心素養(yǎng)，逐步形成適應個人終身發(fā)展和社會需要的必備品格和關鍵能力。[1]物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四方面構成。其中，科學思維（scientific thinking）是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判、檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解。由此可見，科學推理能力是科學思維的核心組成要素。因此，對學生科學推理能力的培養(yǎng)提高和有效考查具有非常重要的意義。

高考作為一種人才選拔制度，需全面有效考查學生的綜合素質，如利用物理學知識分析解決實際問題過程中的科學推理能力以及創(chuàng)新精神和實踐能力等，較好地區(qū)分學生的不同層次水平，有利于高校人才的選拔。因此，分析高考物理試題對學生科學推理能力的考查有很強的現(xiàn)實意義。

本文以2012—2016年全國統(tǒng)一高考物理試題（新課標I）為例，舉例分析高考物理試題對學生科學推理能力的考查，并進一步統(tǒng)計分析科學推理能力的考查分布情況；期望能對今后深入開發(fā)和完善對學生科學推理能力的考查起到一定的借鑒意義。

1 科學推理能力的內涵及子推理類型

1.1 科學推理能力的內涵

科學思維，簡單而言，就是人們在研究、解決科學問題，學習科學知識的過程中所使用的思維。科學思維涵蓋了在觀察現(xiàn)象、提出假設、設計實驗、分析結果、得出結論等過程中的所有思維技能，其實質是理論和證據(jù)之間協(xié)調的能力，科學推理（scientific reasoning）是科學思維的核心組成部分。[2]

皮亞杰在其認知發(fā)展理論中首次提出“科學推理”的概念，并認為科學推理能力是兒童認知發(fā)展到形式運算階段之后才能夠掌握的推理技能。[3]隨著研究的深入，諸多學者都提出了自己對“科學推理能力”這一概念內涵的看法，Zimmerman認為，科學推理能力，從廣義上講，涵蓋了廣泛意義上的在科學探究學習、設計實驗、證據(jù)評估、推理思辨、邏輯論證等活動中所需要的所有的思維能力和推理技能。[4] Tom Schreiber認為，科學推理能力就是建構和評價科學論點以及能夠作出并證明有關科學技術問題的決定的能力。[5]

本文認為科學推理能力是個體思維和認知發(fā)展到一定高度之后才具有的推理能力，即通過觀察事物或現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題、提出假設、設計實驗、評估證據(jù)、得出結論、解釋推斷等一系列科學活動，最終解決問題并獲得新知識的思維過程中個體所需要的一切內在思維能力和技能。

1.2 科學推理能力的子推理類型

基于哲學的視角，科學推理能力可解釋為個體進行觀察、實驗等認知活動中所運用的演繹、歸納和類比等推理能力。[6]本文是研究高考物理試題對學生科學推理能力的考查情況，因此不從哲學的角度，而是從教育教學實踐的角度描述科學推理能力的子推理類型。

為定量考查和評估學生的科學推理能力，不同國家和地區(qū)制定了多種測量工具。本文參照Roadrangka等人的觀點，將科學推理能力分為守恒推理、比例推理、控制變量推理、組合推理、概率推理和相關推理這六種子推理類型。Bitner的研究也表明Roadrangka等人開發(fā)的測量學生科學推理能力的測試工具（GALT）是測量6～12年級學生科學推理能力的可靠工具。[7]

1.2.1 守恒推理

在皮亞杰的認知發(fā)展理論中，守恒概念的獲得與建立是兒童從前運算階段發(fā)展到具體運算階段的一個重要標志。守恒推理是指兒童能夠認知到物體的形式（主要是外部特征）發(fā)生了變化，但物體的量（或內部性質）并沒有發(fā)生改變。高中物理階段，學生會學習動量守恒、機械能守恒和能量守恒以及電荷守恒等。利用守恒推理的核心思維過程：第一步是明確守恒條件是什么；第二步是確定“一個過程”和“兩個狀態(tài)”，“一個過程”是指研究對象經(jīng)歷的變化過程，“兩個狀態(tài)”是指研究對象變化前的狀態(tài)和變化后的狀態(tài)。

例 2016全國統(tǒng)一高考物理試卷（新課標I）——選擇題第1題

一平行電容器兩極板之間充滿云母介質，接在恒壓直流電源上，若將云母介質移出，則電容器（ ）

A.極板上的電荷量變大，極板間的電場強度變大

B.極板上的電荷量變小，極板間的電場強度變大

C.極板上的電荷量變大，極板間的電場強度不變

D.極板上的電荷量變小，極板間的電場強度不變

點評 本題是電容器的動態(tài)分析問題，關鍵是利用守恒推理抓住研究對象在變化過程中的守恒量來解決問題，只關注于變化的始態(tài)和末態(tài)，建立守恒關系，巧妙作答。當電容器始終與電源相連，則電勢差守恒；當電容器與電源斷開，則電荷量守恒。

1.2.2 比例推理

從數(shù)學上講，比例涉及兩個變量之間的關系。所謂比例推理能力，簡而言之就是比較不同比的能力，兒童進行比例推理的能力與其比例概念的掌握情況相聯(lián)系。[8]中學物理的教學目標之一就是運用數(shù)學工具來解決物理問題，培養(yǎng)學生的邏輯思維和科學推理能力。然而，物理和數(shù)學各有其不同的研究對象和方法，因而在物理中應用數(shù)學工具時，必須考慮其在物理上的限制。利用比例推理的核心思維過程：第一步是根據(jù)已知信息推斷出各個物理量之間的比例關系；第二步是利用公式、定理等將結果正確地表示出來。endprint

例 2014全國統(tǒng)一高考物理試卷（新課標I）——第3題

如圖1，MN為鋁質薄平板，鋁板上方和下方分別有垂直于圖平面的勻強磁場（未畫出），一帶電粒子從緊貼鋁板上表面的P點垂直于鋁板向上射出，從Q點穿越鋁板后到達PQ的中點O。已知粒子穿越鋁板時，其動能損失一半，速度方向和電荷量不變，不計重力，鋁板上方和下方的磁感應強度大小之比為（ ）

點評 粒子在鋁板的上下方都是做勻速圓周運動，其物理機制相同。運用比例推理先求出粒子的軌道半徑和速度的比例關系，然后應用牛頓第二定律進行求解。

1.2.3 控制變量推理

控制變量推理是指對于一個多變量問題，采用操縱自變量、控制無關變量和檢測應變量的方法，把多變量問題轉換為單變量問題，對多個變量分別加以研究，最后綜合分析解決問題。控制變量推理是中學物理一種非常重要的思想方法，不僅用于實驗探索和研究之中（比如“探究加速度與力、質量的關系”），而且其在理論分析問題、解決問題中也大有用處。利用控制變量推理的核心思維過程：第一步是逐個分析每個變量對結果的影響；第二步是改變自變量，控制其他變量不變，觀察其對結果的影響。重復以上方法，檢測其他變量對結果的影響；第三步是綜合分析推斷各個變量對結果的影響，得出結論。

例 2012全國統(tǒng)一高考物理試卷（新課標I）——選擇題第7題

如圖2所示，一載流長直導線和一矩形導線框固定在同一平面內，線框在長直導線右側，且其長邊與長直導線平行。已知在t=0到t=t1的時間間隔內，長直導線中電流i隨時間變化，使線框中感應電流總是沿順時針方向；線框受到的安培力的合力先水平向左、后水平向右。圖中箭頭表示電流i的正方向，則i隨時間t變化的圖線可能是（ ）

點評 運用控制變量推理，分別討論原磁場是減弱的以及原磁場是增強的這兩種情況，再綜合題意分析得到結論。

1.2.4 組合推理

組合推理是指在同一時間內對一系列不同的變量進行推理，能夠測定一系列變量中的一個或全部變量的結果，也能測定變量的某種組合的結果。[9]組合推理的核心思維過程：第一步是根據(jù)呈現(xiàn)的多個單一的科學事實以及一些隱含條件，分別推理得到多個單一的結論；第二步是深入分析，把一個或多個單一結論組合成一個整體得到新的推理結論，最終解決問題。

例 2015全國統(tǒng)一高考物理試卷（新課標I）——第7題

如圖3（a），一物塊在t=0時刻滑上一固定斜面，其運動的v-t圖線如圖3（b）所示，若重力加速度及圖中的v0、v、t均為已知量，則可求出（ ）

A.斜面的傾角

B.物塊的質量

C.物塊與斜面間的動摩擦因數(shù)

D.物塊沿斜面向上滑行的最大高度

點評 將上升和下降過程組合起來進行推理分析，可同時求解斜面傾角和動摩擦因數(shù)。

2 考查科學推理能力的高考物理試題的統(tǒng)計結果及分析

2.1 考查科學推理能力的高考物理試題的統(tǒng)計結果

本文以2012—2016年全國統(tǒng)一高考物理試卷（新課標I）為例，分析其對學生守恒推理、比例推理、控制變量推理和組合推理這四種子推理的考查分布情況，如表1。（選擇題：第1題—第8題，每題6分；非選擇題：第9題—第12題為必考題，第13題—第18題為選考題。）

高考物理中各種考查科學推理能力的試題，一般都是各種子推理類型的綜合應用。比如，2014第3題既考查比例推理能力又考查組合推理能力。而有些試題只需學生回憶高中學習的概念、公式等即可解決，不需要使用科學推理能力或使用的不是以上列出的這四種子推理類型。因而，有些題目的題號出現(xiàn)在多個空格中，有些題目的題號從未出現(xiàn)在以上空格內。

高考物理中極少關注概率推理和相關推理的考查，并且本文的研究也證實了這個觀點。因而，本文只分析高考物理試題對學生守恒推理、比例推理、控制變量推理和組合推理這四種子推理的考查情況。

2.2 考查科學推理能力的高考物理試題的統(tǒng)計分析

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，利用Excel進行數(shù)據(jù)分析，得到如圖4所示結果。

圖4（橫坐標為年份，縱坐標為子推理的題數(shù)）非常直觀地顯示出2012—2016年四個子推理（守恒推理、比例推理、控制變量推理和組合推理）的考查分布情況。整體上來說，除組合推理的考查題數(shù)有增加的趨勢外，其他三個子推理的考查題數(shù)基本穩(wěn)定。

組合推理的考查題數(shù)相對最多，且有增加的趨勢。這個結論是較好理解的，組合推理是在同一時間內求解一系列不同變量的結果或測定變量某種組合的結果，對學生的科學推理能力要求較高，一般出現(xiàn)在物理大題或壓軸題的考查中，學生需綜合考慮多個科學事實或物理過程，進一步深入分析求解。由此可見，培養(yǎng)學生在復雜情境中多角度、多方面地觀察和分析問題，是中學物理教學的重點也是難點。

其次，是守恒推理和比例推理，且兩者的考查題數(shù)基本相當。守恒推理要求學生能夠透過事物現(xiàn)象看問題本質，抓住研究對象在變化過程中的守恒量或關系來建立守恒關系，巧妙求解。很多物理問題都具有一定的相似性，學生需運用比例推理分析它們之間的聯(lián)系，并運用相關知識建立一定的比例關系來解決問題，由此及彼，快速求解。利用守恒和比例推理來分析和解決問題，是中學物理教學的一個重要部分，是學生需掌握的一種重要推理能力，因此在高考物理的考查中占據(jù)相對較多的比重。

控制變量推理的考查題數(shù)最少，2014年甚至沒有。這個結論雖在意料之外，卻也是情理之中的，控制變量推理在中學物理中主要應用于實驗探究中，在問題的理論分析和解決中的應用較少。由于操作不便，難以在高考物理試題中考查學生的控制變量推理能力，命題研究者可加強相關研究采用不同的題型或方式以達到有效考查學生的控制變量推理能力。

3 結 語

培養(yǎng)和發(fā)展學生的科學思維是中學物理的重要教學目標之一?？茖W推理作為科學思維的核心要素，在高考物理中有必要、且必須要有效地考查學生的科學推理能力。一是檢驗學生是否達到培養(yǎng)目標以及達到何種水平，二是為中學生進入高校進行更高水平的學習提供一個選拔參照。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2012.

[2][4]Zimmerman， C. The Development of Scientific Reasoning Skills[J]. Developmental Review， 2000（20）：99-149.

[3]嚴文法，胡衛(wèi)平.國外青少年科學推理能力研究綜述[J].外國中小學教育，2009（5）：23-28.

[5][7]胡衛(wèi)平，韓琴，嚴文法. 科學課程與教學論研究[M].北京：高等教育出版社， 2007.

[8]楊蓉.4～6歲兒童解決比例推理問題特點及其影響因素的實驗研究[D].重慶：西南師范大學碩士學位論文，2003.

[9]陳海深.中小學生組合推理能力發(fā)展的初步研究[D].桂林：廣西師范大學碩士學位論文，2008.

（欄目編輯 陳 潔）endprint