高中學生科學推理能力發展水平的診斷與分析

魏欣 高杰

一、問題提出

1.課標中科學思維的界定及學業質量水平劃分

科學思維是物理學科核心素養的重要方面，是從物理視角對客觀事物的本質屬性、 內在規律及相互關系的認識方式； 是基于經驗事實構建理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用； 是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判、進行修正和檢驗，進而提出創造性見解的能力和品格。 科學思維主要包括模型構建、科學推理、科學論證和質疑創新[1]。

推理思維的基本形式之一， 是根據一個或幾個已知的判斷得出新判斷的過程。 科學推理是運用科學思維方法， 從定性和定量兩個方面對相關問題進行推理、找出規律、形成結論[2]?？茖W推理是科學思維的重要體現，其不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，而且包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式， 還包括控制變量、 組合推理、概率推理、相關推理、因果推理等推理形式[3]。 科學推理的發展水平， 在很大程度上反應了科學思維的水平。

在《普通高中物理課程標準（2017 年版2020 年修訂）》中，依據問題情境的復雜程度、知識和技能的結構化程度、思維方式的綜合化程度，對學生解決問題的關鍵特征進行了描述， 將核心素養劃分為5 個等級。其中，對科學推理的水平劃分及描述如表1 所示下：

表1 科學推理學業質量水平描述[4]

經過高中物理學習以后， 學生的科學推理發展到了什么水平？ 在科學推理能力的發展上還有哪些不足？ 這需要全面科學地評價學生的科學推理能力的發展水平，進而進行相應的分析。 研究表明，科學推理能力的發展水平與教師采用的教學模式相關[5]，這就需要在對學生科學推理能力發展水平進行分析的基礎上，確定改進教學的方向，不斷完善教學方式和教學策略，從而促進學生核心素養的提升。

《普通高中物理課程標準（2017 年版2020 年修訂）》在各模塊的教學要求中，也強調了要求學生能夠通過運用科學思維方法， 從定性和定量兩個方面對相關問題進行科學推理、 找出規律、 形成結論。與此要求相一致， 高考同樣強調了對科學思維能力的考查，2020 年天津市普通高中學業水平等級性考試物理試題突出考查了科學思維素養。

表2 全市不同水平組考生核心素養得分率

從表中的數據可以看出， 考查科學思維的試題在試卷中占據了很大的比例， 因此考生的全卷分數從一定程度上反映了科學思維的發展狀況。另外，對于全體考生而言， 科學思維素養的得分率低于物理觀念素養和科學探究素養， 因此分析考生在科學思維素養的發展水平有利于判斷其在學科核心素養上的發展差異。對于各群體考生而言，科學思維素養不同群體得分率的差異性大于物理觀念素養和科學探究素養，因此分析造成這種差異的深層原因，將有利于核心素養在教學中的落地。

在教學中落實對核心素養的培養， 需要以核心素養的發展狀況為切入點來對學生的學業水平進行評價，促進在教學中落實核心素養。 本研究以2020年天津市普通高中學業水平等級性考試物理試卷（以下簡稱“2020 年高考物理試卷天津卷”）實測數據和抽樣題卡為素材，依據考生的作答情況，分析天津市高中學生科學思維素養中科學推理要素的發展狀況， 力求為教學中如何提升學生的科學推理能力提供有效的策略。

由于目前的等級性考試中， 物理卷中大部分試題的解答思路基本上比較單一， 解決問題所需調動的知識和能力明確， 運用的科學推理方式清晰，因此，通過考生在具體試題上的作答表現，可以在一定程度上還原考生解決問題的科學推理過程， 找出考生在科學推理能力上的優勢和不足， 進而提出改進教學的建議。

二、研究方法

2020 年天津高考采用新高考6 選3 模式，3 科等級性考試采用等級賦分制， 針對這一變化，對2020 年評價數據進行了技術性調整。 評價對象改為普通高中應屆考生， 對選考科目試卷的試題進行了抽樣，數據報告中不再提供絕對人數統計，改為人數百分比。 另外， 在高考評價數據中刪除了2 道試題（第2 題和第7 題）， 因此物理學科評價數據的試題滿分為90 分。

1. 考生表現水平的劃分和臨界分數的確定

為更加準確、 客觀地分析和評價不同水平考生的科學思維發展水平，更加明確問題的成因，本研究將考生物理學習水平劃分為精通、熟練、基本、基本以下四個水平。 依據課程標準中提供的學業質量水平描述，采用安戈夫方法，并結合2020 年考試學生分數段的分布情況，參考歷屆試題的的得分情況，最終確定了不同水平組的臨界分數。

表3 2020 年考生水平表現的臨界分數

圖1 2020 年考生各水平組所占比例

2. 對考查科學推理能力試題分析的基本思路

對試題本身進行準確的分析， 可以更為清晰地認識考生的能力水平。在課標中，水平4 和水平5 要求的都是面對綜合性的物理問題，只是水平5 更強調陌生的新情景。水平2 和水平3 都是針對常見的不太復雜的物理問題，只是后者要求相對更高一些。 本研究所選擇的典型例題，均按照解決問題過程中學生進行的思維過程與表1 中的科學推理質量水平描述進行對照，從而對試題進行了分類。 除上述分類之外，筆者還從實踐角度出發，從推理過程需要的思維方式和需要調動的推理方法兩個層面對試題進行分析。

3. 分析學生推理能力發展水平的基本思路

對學生推理能力發展水平進行診斷和分析主要從下面幾個方面進行：

（1） 從試卷中找出重點考查科學推理能力的典型例題進行分析， 從中發現學生推理能力發展的水平及深層原因。

（2）選擇題主要依據各選項需要進行的科學推理過程，對科學推理的思維水平、思維方法進行分析，并結合不同水平學生在得分率及錯選比例上的區別分析不同水平組學生科學推理質量的差異。

（3）計算題除了分析不同水平組學生得分率的差異， 還通過抽樣其答題的具體情況及典型作答表現進行分析，找出數據結果的進一步證據。

（4）除了對所選取的典型例題按不同水平組的得分結果進行定量的統計， 也從形成結果的過程和原因進行分析。 因此，除了對數據進行定量的分析，項目組還在全市范圍內進行了問卷調查， 針對答題感受和作答過程進行了具體的調查， 共收集考生問卷797 份，教師問卷101 份，并組織了線上的考生和教師座談會， 詳細整理了教師對試題的看法和考生的答題感受， 特別是通過開放性的問題對考生作答每道試題的思維過程做了詳細記錄。 這些定性的結果為數據的定量分析提供了強有力的支撐， 使得出的結論更加全面、準確，更貼近考生的真實情況。

三、研究結果

對考生科學推理能力的表現水平分析， 是結合考生科學思維實測數據及科學推理能力的典型案例進行的分析。

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，中華兒女風雨同舟、守望相助，筑起了抗擊疫情的巍峨長城。志愿者用非接觸式體溫測量儀，通過人體輻射的紅外線測量體溫，防控人員用紫外線燈在無人的環境下消殺病毒，為人民健康保駕護航。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比紫外線的長

C． 真空中紅外線的傳播速度比紫外線的大

D． 紅外線能發生偏振現象，而紫外線不能

表4 2020 年不同水平組考生第3 題選項分析表滿分：5.0 難度：易 知識范疇：光學 核心素養：物理觀念

本題以抗疫中使用的紅外測溫儀為背景，考查紅外線和紫外線的對比，四個選項側重于不同的方面，正確作答需要知道光學的基本知識并進行科學推理。 本題屬于水平2，重點考查物理觀念，即解決本題的基礎是要了解紅外線和紫外線的基本光學特性，從光學特性這一物理學視角來分析問題。 但是在作答過程中，仍需要一定的科學推理，如：要通過紅外線和紫外線的速度、波長、波速的關系來得出選項B， 要通過光子能量表達式判斷選項A，等等。 在這個過程中，主要用到的思維方式有比較和分類，比較體現在通過物理量間的關系對所設問的紫外線和紅外線的特點進行定性判斷，A、B、C 選項的判斷屬于這類推理。 而選項D 的判斷由于教材沒有明確紅外線和紫外線的偏振特性， 需要學生根據其都屬于電磁波， 而電磁波具有偏振特性來進行判斷，因此屬于分類。 錯選A 選項的原因是對“光子能量”這一說法未能和表達式建立聯系；錯選C 選項是因為沒有注意前提是“真空中”，誤當作介質中的速度進行推理； 錯選D 選項是沒有意識到紅外線和紫外線都屬于電磁波，具有電磁波的偏振特性。

從學生的作答情況可以看出，本題G3 和G4 組的學生得分率較高，而G1、G2 組學生的得分率出現下降，尤其是G1 組學生，下降明顯。細致分析這兩個組學生錯誤選項的分布情況則可以看出，G1 組學生錯選C 選項的比例最高，G2 組學生錯選A 選項的比例最高，說明G1 組學生在推理過程中，由于知識掌握不清，導致對推理的條件考慮不充分，出現推理錯誤；而G2 組學生在推理過程中，更容易受物理觀念建立不充分的影響。

學生座談和學生問卷結果表明， 部分學習困難的學生因問題情境中對紅外線和紫外線應用特性的描述，干擾了其對于選項的判斷。 說明情境的出現，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． 水槍是孩子們喜愛的玩具，常見的氣壓式水槍儲水罐示意如圖。從儲水罐充氣口充入氣體，達到一定壓強后，關閉充氣口?？蹌影鈾C將閥門M 打開，水即從槍口噴出。若在水不斷噴出的過程中，罐內氣體溫度始終保持不變，則氣體

A． 壓強變大

B． 對外界做功

C． 對外界放熱

D． 分子平均動能變大

表5 2020 年不同水平組考生第5 題選項分析表滿分：5.0 難度：易 知識范疇：熱學 核心素養：科學思維

此題是自2003 年以來熱學內容第一次在天津卷中出現。本題以玩具水槍為分析對象，分析噴出水的過程中各熱學物理量的變化。正確作答此題，需要牢牢抓住在噴出水的過程中， 封閉氣體的體積增大這個特點， 再結合題中所給的溫度不變這個條件進行判斷。

本題屬于水平2，用到的推理方法主要是分析和比較，即通過比較噴出水前后氣體狀態的變化情況，運用氣體狀態方程分析溫度、 體積、 壓強之間的關系，再結合熱力學定律判斷吸、放熱情況。 從推理思維的層級上來講，D 選項最基礎，只要知道溫度是分子平均動能的標志即可；B 選項其次，需要將“噴出水”和“體積增大”建立聯系；A、C 略復雜一點，需要根據氣體狀態方程和熱力學定律進行判斷。

從學生作答情況來看， 本題G3 和G4 組的學生得分率較高，而G1、G2 組學生的得分率出現下降，尤其是G1 組學生， 下降明顯。 其中，G2 組學生錯選A的比例最高，G1 組學生錯選比例最高的是推理思維層級最低的D 選項，這說明：對于G1 組學生而言，由于知識的漏洞較多，造成知識體系不完整，這一因素對解決問題的影響超過了推理思維難度層級的影響；G2 組學生的知識掌握要優于G1 組學生，因此推理思維難度層級的影響比較明顯。

例3：2020 年高考物理天津卷第8 題

8． 復興號動車在世界上首次實現速度350 km/h自動駕駛功能，成為我國高鐵自主創新的又一重大標志性成果。一列質量為m的動車，初速度為v0，以恒定功率P在平直軌道上運動，經時間t達到該功率下的最大速度vm，設動車行駛過程所受到的阻力F保持不變。動車在時間t內

A． 做勻加速直線運動

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 題選項分析表滿分：5.0 難度：中等 知識范疇：力學 核心素養：科學思維

本題以復興號動車為命題背景， 以分析力學問題的兩大基本思路為設問角度， 選項涉及力、 加速度、速度、功率、功、動能等多個物理量及其之間所滿足的規律， 其中對于動車達到最大速度這一狀態的分析則由定性分析上升到定量分析。 錯選A 選項是由于沒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；錯選D 選項是對動能定理中動能變化等于合力的功這一點理解不到位， 或是在分析合力功的時候漏掉了阻力的功。 本題屬于水平3， 推理過程中運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推理和因果推理。

從學生的作答情況來看，4 個水平組的學生得分率均存在明顯差異，尤其是G2 和G3 組學生之間的差異更為明顯。G1 組學生錯選比例最高的是A 和D選項，G2 組和G3 組出現最多的錯誤均是少選C 項，但G2 組少選C 項的比例要遠高于G3 組， 同時G2組錯選A 和D 及少選B 的比例也比較高。 這說明，對于G1 組的同學來說，基本概念和規律的掌握不扎實、漏洞較多仍然是影響推理正確性的重要因素；而對于G2 組的學生來說，對物理現象的認識不全面導致推理的思維過程難以上升到更高層級是影響推理質量的重要因素。

另外， 由于該題全面考查了動車啟動這一過程中的多方面規律， 很多學生也反映由于不同的概念和規律出現在一道題中，相互干擾，導致出現了思維的混亂。

例4：2020 年高考物理天津卷第11 題

11. 長為l的輕繩上端固定，下端系著質量為m1的小球A，處于靜止狀態。A受到一個水平瞬時沖量后在豎直平面內做圓周運動，恰好能通過圓周軌跡的最高點。當A回到最低點時，質量為m2的小球B與之迎面正碰，碰后A、B粘在一起，仍做圓周運動，并能通過圓周軌跡的最高點。不計空氣阻力，重力加速度為g，求

（1）A受到的水平瞬時沖量I的大小；

（2）碰撞前瞬間B的動能Ek至少多大？

表7 2020 年不同水平組考生第11 題各問得分率

本題涉及多段物理過程， 并且涉及外力對A 球的作用、A 球與B 球之間的相互作用，考查的規律包括：豎直方向圓周運動通過最高點的臨界條件、動量定理、機械能守恒定律、動量守恒定律等，是一道較為綜合的力學計算題。 本題屬于水平4，在解題過程中用到的思維方式較多，主要是分析綜合，體現在需要將整個過程拆分成小過程進行分析， 再將小過程聯系起來發現各段過程之間的聯系， 用到的推理形式主要是相關推理和因果推理。 本題的推理難點有兩個：一是兩問的設問都屬于“由果索因”，即給出運動過程的結果“通過最高點”，求導致這種結果的原因“瞬間沖量”和“B 球的初動能”，這與很多學生所習慣的按照時間順序逐步求解的推理順序不一致；二是對A、B 球碰撞過程應用動量守恒定律時，需要首先判斷共同速度的方向， 這就需要學生不僅要有這種判斷的意識， 還要具有通過分析碰撞發生的本質來進行判斷的能力。

從各組學生的得分率對比可以發現如下規律：首先， 全體考生的得分在第一問和第二問之間有明顯差異； 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上更為突出，而G3 組和G4 組之間的差異在第二問上更為突出。 分析第一問和第二問的推理過程， 第一問涉及的瞬時沖量和A 球上擺到最高點的物理過程是學生較為熟悉的， 用到的物理規律較為簡單； 而第二問不僅涉及到的規律較多，而且物理過程不像第一問那么清晰，有些過程需要通過先通過定性推理判斷之后，才能正確運用有關定律進行定量求解， 因此第二問對推理能力的要求更高。

通過對比不同水平組學生第一問答題的具體情況可以發現， 在第一問中，G2 組的學生出現規律應用不全或應用混亂的現象， 這與對物理過程分析不清、物理規律內涵掌握不牢、不適應由果索因的推理思路都有關系。而分析G3 組學生的試卷可以看到，大多數學生在物理過程的分析和物理規律的應用方面思路清晰， 但在一些細節分析上出現錯誤， 例如表8中的這位考生，對“瞬間沖量”的作用發生在哪一階段的分析不清。 G4 組考生在第一問的解答中，不僅思路清晰，而且書寫規范，推理過程清晰、準確。

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

對比第二問的答題情況可以看到，G2 組同學仍然是由于規律掌握不到位， 造成動量守恒定律應用列式錯誤，而且規律應用不全。 G3 組同學規律的基本形式書寫規范正確， 但是未考慮動量守恒的矢量性， 并且對碰撞過程的動量規律和能量規律出現混淆。G4 組同學能夠很好地處理上述問題， 而且在解題過程中， 對每一個規律都注明了其對應的物理過程和規律的名稱，充分體現了推理的邏輯性和準確性（見表9）。

2. 綜合分析

對典型例題進行分析整理歸納可以發現， 學生的科學推理能力發展水平受多方面因素的影響，呈現下列規律：

（1）物理觀念建立不完善，概念和規律內化不充分，會影響科學推理能力的發展；

（2）科學思維的其它要素中，模型建構能力對科學推理能力的影響最為明顯；

（3）情境也是影響推理質量的重要因素，情境所呈現的內容與題設問題的相關性及情境的復雜程度都對推理水平的表現產生影響；

（4）不同水平的學生，影響科學推理質量的主要因素不同，G1 組和G2 組學生主要是規律本身掌握不扎實造成推理錯誤，而G3 組的學生則主要是因為復雜情境或考查角度的多樣， 導致推理的環節無法細致準確。

四、教學建議

1. 從起始年級開始循序漸進培養科學推理能力

物理學科的學習特點要求學生進行較為復雜的邏輯推理，對學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， 需要長期的系統培養。 而科學推理能力往往又與科學思維的模型建構等要素以及物理觀念的形成有著重要的聯系，這就更需要在概念和規律的建立之初， 讓學生對概念的建立過程及規律的內涵、 應用條件等有充分的學習體驗， 這樣才能使得這些概念和規律在學生的頭腦中完成提煉和升華的過程， 才能在運用這些概念和規律進行科學推理來解決具體問題時運用自如。

因此，提高科學推理能力，需要在起始年級的物理教學中，注意以下問題：

（1）要注重教學的基礎性，避免教學內容過難，在教學的不同階段制定不同的科學推理能力培養目標，逐步推進，在關鍵概念和規律的教學中尤其如此；

（2）充分了解學生的學習基礎，了解學生在初中的物理學習習慣和學習方法，找到初、高中在科學思維方式方法上的跨越點，幫助學生實現初、高中的平穩過渡；

（3）對于高中學習之初學生出現的問題，要及時加以糾正。例如：學生習慣用生活俗語和生活經驗來分析物理現象，無法用物理方法進行思考等問題。

（4）重視知識的輸出，單純的知識輸入無法提升學生的科學推理能力， 學生只有進入知識加工的狀態，才能真正提升能力。

2. 引導學生關注生活實踐，關注科技發展

素質教育的目的在于培養徳智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人。 因此，在知識、能力和素養的教育培養中， 應引導學生關注與國家經濟社會發展、科學技術進步、生產生活實際等緊密相關的內容，避免理論學習與實踐應用脫節，培養學生用物理學視角看問題的意識， 并在教學中讓學生體驗運用所學知識解釋現象、解決實際問題的過程，讓學生充分感受到課堂所學內容中蘊含的應用價值。

另外，高考評價體系明確指出，應用性是重要的考查要求，這就要求以貼近時代、貼近社會、貼近學生的生活實踐或學習探索問題情境做為重要的考查載體。 這一要求的提出，相信會使今后的高考試卷中出現更多的情境類試題來考查學生物理核心素養的發展情況，這一點需要引起一線教師的高度重視。

3. 通過基于大概念的整體教學提升復習效果

在前面的分析中可以看出，對于G1 和G2 組學生，知識和方法掌握不全、漏洞多是影響科學推理能力的重要因素；G3 組學生在面對復雜推理時， 也會出現概念和規律細節掌握不牢而產生混淆， 使推理的環節出現錯誤。 這個問題單純通過簡單的重復練習無法解決，單純的機械化訓練反而會造成學生進入“套路化”的思維模式，推理能力進一步下降。 解決這一問題的路徑有兩個：一是改變怎么教，即創新教學策略，組織形式多樣的學習活動等；二是改變教什么，即改變知識呈現的結構，設計教學內容的組織方式。

新課改強調大概念教學、單元學習，在新課教學中， 大概念教學主要體現在從學習進階的角度對概念內涵和外延進行理解和掌握， 而在復習課上主要指將大概念作為復習的統領， 打破章節的界限來進行復習知識的整合。 這樣可以最大限度地避免知識的碎片化，有助于形成知識的網絡，建立知識之間的聯系， 使學生始終清楚所復習的內容在大的學科框架中的位置以及其與其它內容之間的聯系， 從而減少知識的混淆和遺忘。

例如， 可以打破章節所限制的先機械能再電能的順序，以能量這個大概念作為復習主題，串聯力、電、熱、光、原子等部分的知識，從能量轉化和守恒的觀點來分析這些物理現象， 使學生不僅熟悉這些知識， 還對能量這一分析物理問題的基本推理方法逐步推進、層層深入。

再比如， 可以以某一類物理過程為大概念作為復習的主題，例如變加速直線運動，完整復習這類物理過程中力、加速度、速度等基本物理概念及其之間的關系所滿足的規律，進而能夠進行正確的推理，從不同的角度全面復習一類物理過程的規律， 是進行大概念教學的又一途徑。

4. 重視知識本質的學習，避免套路化訓練

學科素養是必備品格和關鍵能力， 而品格和能力只有內化，才能真正用來解決問題。該怎樣達成內化呢？ 其中一條重要的原則就是注重學科本質的教育，避免將方法和能力誤當作知識教給學生，也就是說，不能僅僅讓學生記住結論，還要求學生理解這個結論的得出過程及應用條件。在歷年的高考試題中，都突出了對知識本質的考查。 例如，2013 年高考物理天津卷第2 題考查的是一個碰撞過程，題目如下：

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

A． 甲對乙的沖量一定等于乙對甲的沖量

B． 甲、乙的動量變化一定大小相等方向相反

C． 甲的動能增加量一定等于乙的動能減少量

D． 甲對乙做多少負功，乙對甲就一定做多少正功

此題考查了碰撞過程中沖量、動量、功、動能這幾個基本物理量的特點及其相互關系， 只要求定性判斷，并不要求定量計算，而此題的得分率明顯低于考查碰撞過程定量計算的試題。究其原因，是因為學生習慣了對碰撞這一過程的套路化計算， 不去思考碰撞過程的本質規律，只是機械地用公式計算結果，這不是真正的科學推理， 這樣的訓練也無法形成真正的能力。

要讓學生形成真正的能力， 就要帶領學生來討論一系列的問題：碰撞這樣一個物理過程的發生，兩個物體中間的相互作用到底產生了哪些結果？ 涉及到哪些物理量？它們之間的相互關系又是什么？從理論的角度如何解釋合力為零的條件下系統的動量守恒？兩個物體的能量和系統的能量是否發生變化？符合什么規律？這些問題在新授課中是重點和難點，在復習過程中需要幫助學生通過思考深刻理解， 在關鍵問題上可以組織學生開展討論、 發表見解并提供論據的支持， 讓學生在科學推理論證的過程中弄清知識的本質規律。