基于科學探究素養的高考物理試題分析及啟示
——以近三年新課標全國卷為例

劉健智，楊麒蓉，曾紅鳳

(湖南師范大學 a.物理與電子科學學院，b.檔案館，長沙 410081)

2021年6月發布的《全民科學素質行動規劃綱要(2021—2035年)》提出，提升基礎教育階段科學教育水平，培養青少年的科學素養和科學精神，讓青少年體驗科學探究的方法和過程，從而增加青少年的創新意識和動手能力[1]。在《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《新課標》)中也提出，科學探究素養是物理學科素養的核心構成部分，并對高中物理學業質量水平考試的內容提出要求，要重點考查學生的科學探究等素養，規定高中物理學業質量標準要落實發展學生的物理學科核心素養，是學生畢業和升學的主要依據，其中，水平2和水平4分別是學業合格考試和高考的命題依據[2]。

通過查閱文獻發現，在2017年以前學者們對高考物理試卷的研究更關注試卷整體或某道試題的分析[3-5]，而非聚焦于某個具體素養的考查。自2017年以來，學者們開始關注試卷中體現和考查的科學探究素養，但缺乏深入的分析。如孫鐵斌[6]、譚程[7]對試卷中出現的科學探究試題進行了具體的分析，楊君[8]對多套高考物理試卷涉及的科學探究素養進行了統計，但都沒有具體的水平劃分從而無法判斷是否達到學業質量水平考試的標準。蔣煒波和趙堅[9]對試卷中的科學探究素養水平進行了分析，但科學探究素養各要素的水平劃分沒有具體的可操作的劃分依據，而是根據經驗進行劃分，因此其研究結論的可靠性不足。

基于此，本文用SOLO分類理論劃分科學探究素養水平層次，深入研究高考物理試卷對科學探究素養的考查水平、內容和形式，以期為物理高考試卷試題命制和高中物理教學提供一些建議。

1 研究設計

1.1 研究對象

選擇近三年新課標全國物理卷為研究對象，即2019—2020年全國新課標Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷和2021年全國甲、乙卷，共計8套。選取原因如下：新課標全國卷在全國使用最廣；全國Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷難度不同，適合不同地區、不同教育程度的學生，具有普適性；全國卷由國家教育中心組織專家命制，具有權威性、專業性和穩定性。

1.2 分析科學探究素養4個要素的內涵

科學探究的過程是一個連續性的過程，其主要流程為：觀察分析—提出物理問題—形成猜想和假設—設計實驗—獲取數據和信息—觀察分析、處理數據—得出結論—解釋問題—交流和反思。《新課標》將科學探究分為問題、證據、解釋、交流4個要素[2]。

1)問題要素

問題要素是科學探究的起點，學生在真實的物理情境或者現實生活中發現物理問題，這是科學探究的第一步，再帶著物理問題去思考，并根據已有的知識，提出合理的、科學的猜想與假設。合理的假設能夠使科學探究的目標明確、清晰，為接下來的科學探究指明方向。

2)證據要素

證據要素是科學探究的主體，重點突出“收集數據”和“制定方案”兩個環節，在收集數據的環節，注意選取合適的方法來收集和處理數據，使實驗數據明了清晰，易于分析和得出結論。在制定方案的環節要注重實驗的科學性、可行性、簡單性，選取恰當的實驗儀器。

3)解釋要素

解釋要素是科學探究的結論，學生對實驗的數據進行進一步整理和分析，在數據和證據的基礎上分析得出規律和結論，并對結論作出科學合理的解釋。

4)交流要素

交流要素是科學探究的反思，學生對科學探究的過程和結果進行整理和分析，并在這個過程中進行反思，同老師、同學交流和分享自己對科學探究的過程和結果的一些的看法和建議，在反思和交流的過程不斷改進和優化實驗方案。

根據以上對科學探究素養4個要素內涵的分析，形成表1。

表1 科學探究素養4個要素內涵

1.3 依據SOLO理論確定科學探究素養水平層次

《新課標》對科學探究素養進行了學業質量水平劃分，但其表述較為籠統，對于試題研究不便進行可參考、可操作的分析。學生科學探究素養的發展是不同水平之間的層層遞進，可直接體現在學習的結果上，即內隱的科學探究素養可轉化為可觀測的學習結果。因此，通過SOLO分類理論對可觀測的學習結果進行等級描述，使得科學探究素養的發展水平可測量、可比較。

SOLO分類理論以學生的認知和思維發展規律為理論依據[10]，將學生的學習水平由低到高遞進分為5個層次：前結構水平(P)、單點結構水平(U)、多點結構水平(M)、關聯結構水平(R)和拓展抽象結構水平(E)。由于SOLO分類理論中的前結構水平是由被測者自身造成的，是被測者拒絕思考的結果，與試題本身無關，所以不存在前結構水平的試題[11]。再基于對學生素養的細致考查，將關聯結構水平細分為低關聯結構水平(R1)和高關聯結構水平(R2)。將科學探究素養根據SOLO分類理論進行劃分，形成表2。其中單點結構水平(U)、多點結構水平(M)體現了科學探究素養的量變；低關聯結構水平(R1)、高關聯結構水平(R2)拓展抽象結構水平(E)體現了科學探究素養的質變[12]。

表2 科學探究素養水平層次的劃分

1.4 構建二維矩陣

基于以上對科學探究各要素及其水平層次的劃分，由此構建“4×5”的“素養要素×素養水平”二維分析框架，如表3所示。

表3 科學探究要素水平層次的二維分析框架

1.5 數據編碼與分析——以2021年全國乙卷為例

2021年全國高考物理乙卷中共有4道題考查了科學探究素養，統計情況見表4。

表4 2021年高考物理全國乙卷科學探究素養水平統計

1)第20題。本題為選擇題，考查帶電粒子在電場中運動軌跡的規律。根據粒子不同的帶電量和質量，推測不同粒子在同一均勻電場中的運動軌跡，需要學生能夠根據現有條件，對粒子的運動軌跡作出有依據的假設，屬于對科學探究中“問題”這一要素的考查；需要學生對物理問題進行分析和評價，對應高關聯結構水平(R2)，分值為6分。

2)第22題。本題為實驗題，考查利用頻閃儀和照相機研究平拋運動的規律。第(1)小題，給出了A的位置和相鄰點的時間間隔，根據已知數據得出小球速度的水平和豎直分量，即考查學生能否整理數據得出結果，屬于對科學探究中“解釋”要素的考查，需要學生對物理問題進行處理，對應多點結構水平(M)，分值為2分。第(2)小題，給出了相鄰點的時間間隔和各個相鄰點的位置，要求根據圖像對數據整理分析得出當地重力加速度，即考查學生能否處理數據得出結論，屬于對科學探究中“解釋”要素的考查，需要學生對物理問題進行分析，對應低關聯結構水平(R1)，分值為3分。

3)第23題。本題為實驗題，考查電路測量的相關知識。第(1)小題，問在保護電壓表的情況下電阻箱接入電路的阻值，正確回答該題需要學生根據電壓表的滿偏電壓選擇適當的電阻箱阻值，即考查學生能否獨立收集數據并制訂科學探究方案，屬于對科學探究中“證據”要素的考查，需要學生對物理問題進行分析和評價，對應高關聯結構水平(R2)，分值為2分。第(2)小題，根據已知電路圖和各用電器的對應值，求電壓表讀數的表達式，需要學生根據圖像和運用閉合電路的歐姆定律公式分析數據、得出結論，屬于對科學探究中“解釋”要素的考查，需要學生對物理問題進行分析和評價，對應高關聯結構水平(R2)，分值為2分。第(3)小題，根據已知電路圖和表達式得出電源電動勢和內阻，需要學生對數據進行處理從而得出結論，屬于對科學探究中“解釋”要素的考查，需要學生對物理問題進行分析，對應高關聯結構水平(R1)，分值為4分。第(4)小題，求將電壓表理想化時產生的誤差，需要學生對實驗(科學探究)的過程進行反思找出電壓表是否理想化對實驗測量的影響，屬于對科學探究中“交流”要素的考查，需要學生對物理問題進行分析，對應高關聯結構水平(R1)，分值為2分。

4)第34題第(2)小題。本題為選考題，考查用插針法測量折射率相關知識。第(1)問，根據已知數據得出玻璃磚的折射率，即考查學生能否整理數據得出結果，屬于對科學探究中“解釋”要素的考查，需要學生對物理問題進行處理，對應多點結構水平(M)，分值為3分。第(2)問，問如何設計實驗的條件(玻璃磚的上下表面的夾角)使出射光線恰好消失，需要學生能夠獨立收集數據并制訂科學的方案來探究實驗的條件，屬于對科學探究中“證據”要素的考查，對應高關聯結構水平(R2)，分值為7分。

2 數據統計與分析

按照2021年全國乙卷的分析思路和方法，詳細分析了2019—2021年全國物理卷的所有8套試題的科學探究素養的4個要素及其對應的素養水平(表略)，分別從科學探究素養所涉及的要素、素養水平、分值、題型和知識點進行統計分析。

2.1 科學探究素養要素水平對比

從表5中可以看出：(1)對科學探究不同素養考查頻次不均衡。全國卷注重解釋要素，其考查頻數遠多于其他要素，所占分值也最大；對問題要素的考查最少，僅僅考查了3次，所占分值也最少。(2)各要素在各題中考查的水平層次不均衡。在問題要素中，只涉及了R1和R2兩個水平層次；在證據和解釋要素中，涉及到了M、R1、R2三個水平層次，主要是R1和R2水平層次；在交流要素中，包括了M、R1、R2、E四個水平層次，但重點考查還是R1和R2水平層次。各要素水平中對低關聯結構水平(R1)和高關聯結構(R2)的考查次數達到了59，占所有考查到科學探究素養頻數的83%。

表5 2019—2021年高考物理全國卷科學探究素養頻次統計

由以上分析可知，全國卷在對科學探究素養進行考查時，側重于對解釋要素的考查，注重考查學生對數據處理分析發現規律并得出結論的解決問題的能力，較少考查學生提出問題、作出假設、交流反思的能力和素養，即考查學生所具備的問題素養和交流素養，這與《新課標》中“通過實驗探究，提高學生創新能力”的理念不符合，但在2021年的試卷中對問題素養和交流素養的考查都有所增加，體現了對其的逐漸重視；試卷試題的水平層次集中在R1和R2水平，注重對學生的分析和評價的能力的培養和考查，與《新課標》中學業水平4的要求相符合，能夠較好地考查學生是否達到學業水平考試的要求。

2.2 科學探究素養試題類型對比

全國卷的題型有選擇題、實驗題、計算題和選修題，近三年物理全國卷各類型試題考查的具體占比如圖1所示，主要以實驗題的形式對科學探究各要素進行考查，占比高達84%，其次選修題占比為15%，選擇題占比1%，計算題中沒有發現對科學探究素養的考查。考查科學探究素養的題型所占的比例按素養在試題中考查的次數累加計算，如2021年乙卷22題考查了2次解釋素養。試卷考查科學探究素養主要是通過實驗題進行，題目形式過于單一，這與《新課標》提出的試題考查形式多樣化的理念不符。

2.3 科學探究素養知識板塊對比

近三年物理全國卷科學探究素養的試題所涉及的各知識板塊與所占分值比如圖2所示。試題主要通過電磁學和力學這兩大知識板塊考查科學探究素養，兩者在科學探究試題中總分值占比達83.40%，其中電磁學知識板塊占比最高為52.98%；光學和熱學知識板塊也對科學探究素養有所考查；沒有出現原子物理學板塊的相關知識點。在《新課標》所規定的21個必做實驗中，力學和電磁學板塊的實驗共有17個。由此可見全國卷的物理試題對科學探究素養的考查與《新課標》的要求基本一致。

3 研究結論與建議

3.1 研究結論

根據以上對2019—2021年全國物理卷的數據統計分析可知，高考物理試題考查的科學探究素養基本上覆蓋了科學探究素養的4個要素；在知識覆蓋面上主要在力學和電磁學知識板塊對科學探究素養進行考查，但也合理地涉及了光學和熱學部分，即對科學探究素養的考查知識點覆蓋面較寬；對科學探究素養各要素的考查水平層次集中在R1和R2水平，符合學業水平考試的相關要求。

不過，高考物理試卷中科學探究素養試題在素養考查全面性方面有待提升。在各素養要素的分值占比存在嚴重向證據和解釋要素傾斜的趨向；試題主要以實驗題的形式考查科學探究素養，每套試卷都包括兩道實驗題，但都主要在理論層面對學生的科學探究素養進行考查，主要涉及數據的收集和處理，并從中發現規律得出結論，缺乏對實際操作能力的考查，這與《新課標》提出的全面提升學生問題解決能力的理念不符。

總之，2019—2021年全國物理卷相關科學探究素養的內容覆蓋面較廣，與《新課標》提出的內容考查重點和要求基本一致，但是試卷考查科學探究素養的結構還有待加強，需要注重試卷試題考查形式的多樣性和分值占比的權衡。

3.2 對高考命題的建議

3.2.1 注重對問題和交流要素的考查

近三年全國卷忽視了對問題和交流要素的考查。發現問題、提出問題是科學探究的前提，交流要素是對科學探究的過程和結果進行反思和交流。這兩個要素是科學探究素養的重要組成部分，也是創新的根本動力，而創新意識和創新能力的考查是我國高考內容改革目標之一[13]。因此物理高考試卷應注重對問題和交流要素的考查，對科學素養各要素的考查有側重但不偏重，探索科學、可評價、可操作的方式來命制相關試題。

3.2.2 注重對試題形式和內容的豐富

科學探究素養主要通過實驗題的形式進行考查，主要涉及的知識板塊也是力學和電磁學，考查的形式和內容過于單一。根據《新課標》的高考命題建議，試題的設問角度和方式要新穎、靈活，試題所涉及的知識內容要合理的覆蓋面，通過多種方式和全面的知識體系對學生的物理學科核心素養進行考查和評價。建議在選擇題和計算題中適當地滲透對科學探究素養各要素的考查，通過在不同的知識板塊中構建真實的物理情景來評價學生的科學探究素養。

3.2.3 注重對新課標理念和目標的體現

近三年全國高考物理試題考查的要素水平主要為R2，對應學業質量水平4，滿足了學業水平等級性考試的基本要求[14]，但試題的側重點和考查的形式與新課標提出的提升創新能力、提升問題解決能力和以素養為導向的多樣化考查形式理念有一定的沖突[15]。試題的命制要緊扣新課標的“落實學生的物理學科核心素養”的課程目標。

3.3 對高中物理教學的建議

3.3.1 注重情景教學，提升學生問題素養

物理高考試卷中對問題素養直接的考查較少，但逐漸得到重視。問題素養可通過物理情景化試題來考查，物理情景化試題需要學生能夠自己發現問題并對問題進行思考提出解決方法[16]。因此，教師在教學過程中要重視物理情境的創設，從實際生活和科技發展前沿出發引導學生從這些情境中發現問題，有意識地引導學生從多個角度觀察物理情景、進行思考和提出問題[17]；學生要敢于質疑、敢于提問，突破思維定勢，對物理情境進行理性思考，形成合理的假設，不斷提升自身的問題意識。

3.3.2 注重實驗教學，提升科學探究素養

物理高考試卷主要通過實驗題對學生的科學探究素養進行考查和評價，且實驗的原型大多來自于教材[18]，教師在教學過程中要重視實驗教學，要有意識地培養學生動手能力，要讓學生真正地理解實驗原理，自己動手實驗，而不是一味地采用實驗演示的教學方式，將知識灌輸給學生。讓學生在理解實驗原理的基礎上，自己設計實驗，收集數據，體驗科學探究的過程，提升自己的溝通交流和反思的習慣，從而能夠在不同的情境下遷移運用實驗的原理以應對不同的實際問題。

3.3.3 注重進階教學，體現學生主體地位

物理高考試卷考查了多元結構水平、關聯結構水平和擴展抽象結構水平層次的科學探究素養，集中考查了關聯結構水平層次的相關問題。教師在教學過程中，應該根據學生的能力水平引導學生逐步從單一結構水平向高層次的結構水平進階[19]，避免學生在學習過程中出現只知道怎么做而不知道為什么這么做的現象。在新課教學時，對學生的引導要循序漸進，可以通過提問引導或是學生自主探究的形式來實現；在復習課教學時，要提前了解學生的水平層次，在此基礎上再構建下一步的教學內容和教學方式。

3.3.4 注重主干知識，夯實學生基礎知識

物理高考試卷對科學探究素養考查試題的內容主要集中于力學和電磁學知識板塊，在物理等級性考試所涉及的6本教材中，有5本教材涉及的主要內容是力學和電磁學相關知識，這不僅僅是高考物理試卷的重點，也是學習其他知識板塊的基礎。教師的重要教學任務和學生的學習任務是要夯實物理的主干知識，在教學的過程中加強對基本原理和規律的教學，促進學生對基礎知識的理解和掌握，在此基礎上不斷訓練和提升學生科學探究素養，不能一味地追求新穎和能力而忽視了基礎。