科學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

寧夏大學物理與電子電氣工程學院，銀川 750021

科學論證作為科學思維的重要要素，在《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》[1]的課程目標中，從科學思維、科學探究、科學態(tài)度三個方面分別提出了明確要求，也在學業(yè)質(zhì)量水平和高考評價體系中進行了深入考查。其中，學業(yè)質(zhì)量水平明確提出了考試命題應該著重圍繞物理核心素養(yǎng)，高考評價體系[2]也表明了科學論證是學生通過高中物理課程學習的考核目標之一。因此，可評價的科學論證素養(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 科學論證模型

科學論證是一種基于一定事實證據(jù)，利用已有的知識與經(jīng)驗作為支持，進行一系列科學的推理過程。是對所研究的科學問題作出合理解釋，從而建立證據(jù)與觀點之間的聯(lián)系，提出科學觀點，并能有效反駁反面觀點的過程。目前，在論證式教學上圖爾敏提出的TAP模型[3]影響最為深遠，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；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，適當補充；反駁是指利用物理知識對反面觀點進行質(zhì)疑與批判。

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

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頂點上。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磁場。已知構(gòu)成金屬框的導線單位長度的阻值為λ=5.0×10-3Ω/m；在t=0 s到t=3.0 s時間內(nèi)，磁感應強度大小隨時間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時金屬框所受安培力的大小；

（2）在t=0 s到t=2.0 s時間內(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方面，即金屬框在某時刻所受安培力與某段時間內(nèi)所產(chǎn)生的焦耳熱。雖題目表達較為簡單，但上述兩個物理量都無法根據(jù)題干的表述利用公式直接求解，需要學生進行定性和定量的思考。要判斷金屬框內(nèi)是否有感應電流產(chǎn)生、抽象金屬框的等效電路圖、計算金屬框在磁場內(nèi)的有效長度、計算金屬框阻值、計算產(chǎn)生的感應電流的大小、判斷金屬框各部分產(chǎn)生安培力的大小和方向、計算金屬框整體所受安培力的大小、判斷某段時間內(nèi)產(chǎn)生的電流是否為恒定值。這些復雜的思考環(huán)環(huán)相扣，中間任何環(huán)節(jié)的思考錯誤，都會導致計算結(jié)果的錯誤，據(jù)此對學生科學論證的能力由淺入深地進行考查。

（2）考查方向

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

（3）考查水平

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

表1 科學論證素養(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)）、應用正確的根據(jù)（演繹推理）、形成主張（形成觀點），屬于科學論證的水平4要求。

2.2 科學論證導向下的解題分析

第一問：t=2.0 s時金屬框所受安培力的大小。

依據(jù)科學論證的結(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，金屬框確實會受到安培力。由安培力公式F=BIL可知，求解安培力的大小需先求出某時刻磁感應強度B的大小、流過金屬框的感應電流I的大小、金屬框有效長度L。

磁感應強度B的大小可由題目所給信息求出；感應電流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因磁通量的變化而產(chǎn)生電動勢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行首尾相連所得直線對應的長度。

（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t=2.0 s時，該時刻磁感應強度B求解：

B2=0.3-0.1×2=0.1 T

該時刻感應電流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

該時刻金屬框在所處磁場的有效長度L為

基于以上三個物理量的求解，分析整合出金屬框所受安培力F的大小

（3）主張——形成觀點

t=2.0 s時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——補充理由

安培力的大小是合力大小，亦可用力的分解思想進行求解。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：認為金屬框左側(cè)為電源的負極、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)生感應電動勢，所以下方兩條邊框相當于電源。由右手螺旋定則可知整個金屬框中的電流呈逆時針流向。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時間內(nèi)金屬框產(chǎn)生的焦耳熱。

依據(jù)科學論證的結(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：流過金屬框的感應電流I、金屬框阻值R、發(fā)熱時間t。在此要注意焦耳定律Q=I2Rt要求該段時間內(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

在t=0 s到t=2.0 s時間內(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——補充理由

當電路中僅有純電阻時，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：無法確定該過程的電流為恒定電流，認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：因為磁感應強度大小隨時間均勻變化，因此產(chǎn)生恒定電動勢，并且電阻不變，所以產(chǎn)生恒定電流。由于第一問已經(jīng)將所需知識基礎解析得很清楚，因此經(jīng)過第一問以科學論證為導向的教學指導之后，解決第二問中的該難點對于大多數(shù)學生來說是較為簡單的，也體現(xiàn)了科學論證教學的價值意義。

2.3 試題特點

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

（1）理論依據(jù)的間接性

學生無法從試題給予的信息中直接提取物理量，然后運用公式進行求解。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強度B、感應電流大小I、有效長度L，需要學生分別對這三個物理量進行思考求解。本試題蘊含了較多知識點和復雜的分析思考過程，對學生的科學論證思維有一定的要求。

（2）邏輯推理的嚴謹性

推理過程緊緊圍繞定性判斷與定量計算。例如第一問，學生在求解流過金屬框的感應電流I的過程中，需要考慮金屬框內(nèi)是否有感應電流產(chǎn)生、抽象出金屬框的等效電路圖、計算金屬框阻值等多個問題，然后層層遞進，通過法拉第電磁感應定律和閉合電路歐姆定律兩次嚴謹?shù)倪壿嬐评砬蟮谩Ｈ敉评聿粐乐敚瑒t會缺乏依據(jù)導致論證不足，還會導致后續(xù)求解第二問的過程中出現(xiàn)錯誤，因此本試題對學生的邏輯推理思維有較高的考查。

（3）質(zhì)疑反駁的重要性

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

3 教學啟示

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

（1）少用傳統(tǒng)推理，改變思維定式

科學推理是常用的解決問題的方式，但不是唯一的。導致學生科學論證素養(yǎng)偏低的原因之一是慣用思維定式求解。當需要運用科學論證思維求解時，卻采取了科學推理思維，會出現(xiàn)缺乏理論依據(jù)以致出錯的情況[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”，才能改變學生的“定式”。

（2）巧用原始問題，體會論證過程

創(chuàng)設生活情境，能激發(fā)學生的感性認識，在此基礎上提出原始物理問題，能引起學生的學習興趣、激發(fā)探究的好奇心與內(nèi)在動力。課程標準中要求學生應對復雜現(xiàn)實情境參與科學探究，解決具體問題和提升物理科學論證能力。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，能給予學生開放的思考角度，有助于學生進行科學論證活動。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，也是較難實施的，在教學中如何培養(yǎng)學生反駁反面觀點的能力成為了眾多一線教師的訴求。“反駁”產(chǎn)生的前提是異同觀點，重點是具有充分的批判依據(jù)，難度較大以致學生難以獨自完成，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，有利于科學論證能力的提升。因此，教師可以通過組織學生形成合作小組，通過協(xié)作與交流共同促進科學論證能力的提升。