2021年高考物理試題中科學推理能力考查的定量分析*

夏 旭 姜玉梅 柏 楊 葉曉山 鄭吳凡

（揚州大學物理科學與技術學院 江蘇 揚州 225000）

科學推理能力（Scientific Reasoning Ability）是物理學科核心素養關鍵能力的重要組成，對學生的未來發展影響深遠.本研究基于Lawson教授建立的科學推理體系［1］，結合物理學科特色，確定了科學推理的7種推理類型：守恒推理、比例推理、控制變量推理、因果推理、相關推理、假設演繹推理、概率推理.根據這7種推理類型，對高考物理試題進行研究.

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

2021年高考全國甲卷、乙卷以及廣東、湖南、河北3個省份自主命題的物理試卷.

1.2 研究方法

根據上述科學推理的7種類型的概念及對應的思維過程，篩選出高考物理試題中涉及科學推理能力的試題.以最小試題編號為單位，統計科學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計其數量與分值，考慮到部分試題可能同時考查學生多種推理類型，將這類試題的總分按照推理類型的數目平均分配.計算出各種推理類型試題占考查科學推理能力試題總分的比例.最后，結合這5 套試卷整理出不同推理類型考查的知識點［2］.

2 結果與分析

2.1 各高考卷考查科學推理能力試題的占比

統計各份試卷中考查科學推理能力試題的分值，并計算其在試卷總分中的占比，結果如表1所示.

表1 2021年高考物理試題考查科學推理能力的分值占比

可以看到2021年高考中，這5份試卷對科學推理能力考查的比例有所不同，平均考查比例在40%左右.可以看到全國甲卷考查科學推理能力的試題占比最高，試卷在側重基礎性和綜合性的同時，要求學生能夠在常規的情景下，通過類比等思維方法找到物理量間的關聯進而解題.廣東、湖南、河北卷題型設置相同，相對來說廣東卷側重基礎，加強了物理知識與生產、生活、科技的結合，強化學生運用基礎知識解決問題的能力，對科學推理能力考查略少.全國乙卷、湖南卷、河北卷科學推理試題在40%左右.由此可以看出，整體上高考普遍關注學生的科學推理能力，但是不同地區對學生的科學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套試卷考查科學推理能力的試題分值相加作為整體，分別統計7種推理類型試題的分值與整體的比例，結果如表2所示.

表2 2021年高考物理考查科學推理能力的試題中各推理類型占比

比例推理在有關科學推理的試題中占比最高，達到了48.1%.在高中物理中比例推理主要是考查學生能否根據物理規律的比例關系從已知條件推導未知量.比如在天體運動中根據萬有引力提供向心力的關系，推導繞行天體運行速度與軌道半徑之間的關系.考查控制變量推理和假設演繹推理最少，控制變量推理僅在導體的電阻定律中有所涉及，而假設演繹推理僅在故障電路分析時考查到.

另外，有關概率推理試題的占比也較少，主要是結合氣體動理論的知識進行考查.因果推理和相關推理占比不高，但是涉及的題目是比較綜合比較復雜的.因果推理需要學生根據條件運用物理規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，由果溯因等推理過程.相關推理重點考查學生透過現象看本質的能力，需要學生通過發現內在的相關性進行推理，主要包括類比、對稱等思維過程.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生能否以守恒的思維，從能量守恒、動量守恒等出發思考并解決問題.

另外，以試卷中最大的試題編號為單位，整理各推理類型的試題數目，并用雷達圖的形式呈現.考慮到全國甲卷、全國乙卷題型題量分值相同，將這兩個地區的試卷對比分析.廣東、湖南、河北卷題型題量分值相同，則將這3個地區對比研究，結果如圖1所示.

圖1 2021年高考物理考查各類型科學推理的試題數目

內環代表的數目是零，越往外環該推理類型的試題數目越大.不難看出全國甲卷、全國乙卷總體上對各推理類型考查是不平衡的，都注重對學生比例推理能力的考查，也都沒有涉及假設演繹推理能力的考查.另外，全國甲卷更重視學生對相關性的思考，而全國乙卷側重學生的因果推理能力的考查.

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

廣東卷和湖南卷都沒有涉及假設演繹推理，其中湖南卷對比例推理和守恒推理的考查較多，而廣東卷更關注學生的因果推理能力.總體來看，自主命題試卷的雷達圖相對更飽滿，又因為自主命題試卷題量少，所以自主命題的試卷對科學推理能力的考查較全國卷更全面.

2.3 不同推理類型考查知識點的分布

對所有有關科學推理能力考查的試題進行分析，羅列出涉及的知識點，結果如表3所示.

表3 2021年高考物理試題科學推理各類型考查知識點的分布情況

從表3中可以看到，高考在對控制變量推理和假設演繹推理進行考查時涉及的知識點最少，分別是電阻定律和電路故障分析.同時，對于學生概率推理能力的考查也相對單一，一般與氣體分子速率分布規律結合考查.相關推理的考點相對分散，主要是在疊加場和類平拋運動中考查.因果推理在高考中一般是通過讓學生分析動態過程來考查的，比如電路動態分析和理想氣體動態分析.對于守恒推理來說，知識點就比較固定，主要是原子核的衰變以及能量守恒、動量守恒.作為試題中考查最多的比例推理，這部分試題涉及的知識點是很多的，但是也會有萬有引力定律的應用、理想變壓器等常考內容.

3 討論與建議

通過對2021年5套高考物理試卷的分析，發現考查科學推理能力的試題平均占比在40%左右，不難看出高考普遍關注對學生科學推理能力的考查.因此，教師應該在日常教學中重視對學生科學推理能力的培養，根據上述分析結果，提出以下建議：

3.1 關注推理思維 滲透學科素養

參考皮亞杰認知發展理論，高中的學生處于形式運算階段之后，各項推理能力已經具備，正經歷著科學推理能力進一步提升的階段，也是學生分析、處理問題能力提升的關鍵期［3］.因此，教師應該在日常教學中關注學生推理思維的發展，針對不同課型引導學生通過推理完成預定目標.例如，可以在新授課上預設關于新概念的推理任務，并基于先修知識設置環環相扣的推理問題，不斷啟發引導學生完成新知的建構過程［4］.推理綜合涉及信息提取與問題表征、推理機制的選取與應用、推理任務的完成與檢驗.學生經歷完整的科學推理的思維過程能夠調整自身思維路徑，強化推理思維能力，從而提高學科素養.

3.2 善用數理方法 強化比例推理

在考查科學推理能力的試題中，占比最多的是考查比例推理的試題.比例推理側重考查物理量之間的比例、函數關系，需要學生在熟練掌握幾何關系、三角函數、代數運算的基礎上，根據物理規律列式得到方程，再憑借函數與方程的思想得到陌生變量之間的關系.同時，圖像問題的思考也涉及比例推理的參與，例如在2021年高考湖北卷的實驗題中就需要學生根據圖像的橫縱坐標，結合物理規律列出方程，對方程進行形式變換得到關于橫軸、縱軸所代表的物理量的函數關系，再通過圖像斜率求解動摩擦因數.

3.3 深挖教材內容 夯實理論基礎

科學推理是建立在牢固掌握基本概念、規律、方法基礎上的，只有牢固掌握了這些基礎知識并達到運用自如的程度，才能進行有效、正確的科學推理.為此，在對科學推理能力試題知識點梳理的基礎上，結合高中物理教科書，整理出教材中需要科學推理參與的物理概念、規律、方法等.教師應該在教學中鞏固學生的知識基礎，并且有針對性地對蘊含科學推理要素的知識、方法、例題進行強調.例如，教師可以有意識地舉例說明某個問題的解決實際上經過了什么樣的推理過程，幫助學生明確科學推理的每一種類型的內涵和思維過程.這有利于學生熟練掌握科學推理的有關方法和技能，提高學生科學推理的水平.