科學(xué)思維素養(yǎng)下的2021年高考全國甲卷物理試題分析

楊清濤 徐曉梅 孫圓 張進(jìn)波

摘?要：核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”在教育中居于重要地位，其對(duì)學(xué)生的人生發(fā)展具有基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性作用。“科學(xué)思維”被理解為是人們?cè)阢@研和處理科學(xué)問題以及學(xué)習(xí)知識(shí)過程中所應(yīng)用的思維方法。學(xué)生“科學(xué)思維”的培養(yǎng)與育成是可以經(jīng)過教學(xué)來進(jìn)行的。近年來，全國高考試題越來越凸顯“科學(xué)思維”這個(gè)核心要素。本文選取2021年高考全國甲卷物理試題，通過統(tǒng)計(jì)分析方法研究“科學(xué)思維”在高考物理試題中的考查狀況及水平，從高考試題角度分析高考中是如何考查“科學(xué)思維”，旨在為一線教師日常教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維給出一些建議。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；高考物理試題；考查狀況；統(tǒng)計(jì)分析

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（下文簡寫為《新課標(biāo)》）對(duì)“科學(xué)思維”的解釋是：“科學(xué)思維”是認(rèn)識(shí)客觀事物的方式，是概括物理模型的過程，是有差異的方法的具體運(yùn)用，是對(duì)觀點(diǎn)、觀念、問題成果提出新穎見解的本領(lǐng)和品質(zhì)。科學(xué)思維主要由模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新四個(gè)要素組成［1］。“科學(xué)思維”不僅在學(xué)生的成長發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用，能幫助學(xué)生保持對(duì)新鮮事物的好奇、對(duì)新知識(shí)的理解、對(duì)新奇的疑問和思考，以及對(duì)未來科學(xué)的憧憬，而且是一個(gè)國家在國際競爭和科技比拼中的動(dòng)力引擎。“科學(xué)思維”培養(yǎng)的研究具有極其重大的意義。

一、“科學(xué)思維”試題篩選標(biāo)準(zhǔn)和方法

（一）“科學(xué)思維”試題篩選標(biāo)準(zhǔn)

可以從“科學(xué)思維”包括的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素做試題篩選標(biāo)準(zhǔn)說明。

1.模型建構(gòu)

所謂物理模型就是在解決和研究物理問題或分析物理情景時(shí)，抓住主要因素，忽略次要因素，考慮主要矛盾，抓住主要矛盾的主要方面，舍棄次要矛盾，將物理問題情景轉(zhuǎn)化成有利于解決問題的可操作的、可視化的物理模型，中學(xué)的物理模型主要包括以下五個(gè)方面：

（1）實(shí)體模型：質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、繩桿模型、板塊模型等。

（2）形象化模型：電場線、磁場線、光線、力的作用線等。

（3）過程模型：如運(yùn)動(dòng)學(xué)中的勻變速直線運(yùn)動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)、汽車啟動(dòng)問題、雙星多星模型、追及相遇問題、剎車類問題，熱學(xué)中的等溫變化、等容變化、等壓變化等。

（4）狀態(tài)模型：氣體的平衡態(tài)、物體的平衡等［2］。

（5）條件模型：光滑平面、輕繩、輕桿、絕熱容器等。

2.科學(xué)推理

科學(xué)推理可以追溯到17世紀(jì)90年代，最初是由皮亞杰提出的。研究者們對(duì)科學(xué)推理的研究范圍極其廣泛，并且研究程度不同，但對(duì)“科學(xué)推理”含義的理解大體上是相同的，即當(dāng)人的個(gè)體思維和智力水平發(fā)展到一定程度時(shí)，能夠根據(jù)條件和信息推理出相關(guān)結(jié)論，掌握各種推理能力和方法。科學(xué)推理是科學(xué)思維的一種高級(jí)形式，在學(xué)生認(rèn)識(shí)新事物、學(xué)習(xí)新知識(shí)的過程中起著重要作用。在高中階段，高中生應(yīng)該掌握的推理方式包括守恒推理、比例推理、控制變量推理、組合推理、概率推理和相關(guān)推理［3］。

3.科學(xué)論證

科學(xué)論證是大腦思維的過程，是科學(xué)探究的過程，是解決問題和獲取知識(shí)的過程［4］。科學(xué)論證是借助已有的科學(xué)知識(shí)對(duì)自己所研究的事物和問題提出合理的看法和觀點(diǎn)，同時(shí)把自己的觀點(diǎn)和已有觀點(diǎn)進(jìn)行比較，對(duì)其中的不足加以辯證、思考、重組的高級(jí)思維能力。主要包括提出觀點(diǎn)、論證觀點(diǎn)、反饋觀點(diǎn)、評(píng)估交流四個(gè)方面。

4.質(zhì)疑創(chuàng)新

質(zhì)疑是一把打開科學(xué)進(jìn)步大門的鑰匙，而在當(dāng)代世界創(chuàng)新則成為各國發(fā)展的第一動(dòng)力和衡量國際競爭力的標(biāo)尺。質(zhì)疑是學(xué)生對(duì)已知知識(shí)敢猜、敢想、敢好奇的一種求真知、得真理的學(xué)習(xí)心理；創(chuàng)新是在一定的真實(shí)情境中，根據(jù)相關(guān)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造出新東西、新思路、新方法的能力和思維。質(zhì)疑創(chuàng)新是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判、檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力和品格［5］。

筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，結(jié)合《新課標(biāo)》對(duì)“科學(xué)思維”的定義，把“科學(xué)思維”試題篩選標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置如表1所示。

（二）“科學(xué)思維”試題篩選方法

“科學(xué)思維”試題篩選方法：從“科學(xué)思維”包含的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素看，若試題中包含其一個(gè)或多個(gè)要素，則該試題屬于“科學(xué)思維”試題；若試題中沒有其任何一個(gè)要素，則不屬于“科學(xué)思維”試題。下面給出篩選方法使用的兩個(gè)樣例。

例1：（2021年全國高考甲卷理綜物理部分14題）如圖1，將一塊水平光滑的木板的下端，放在鐵架臺(tái)水平底座上的擋板P處，上端架在橫桿上。橫桿的位置可以在豎直桿上下調(diào)節(jié)，使得平板與底座之間的夾角θ可以改變。將小物塊由平板與豎直桿交點(diǎn)Q處靜止釋放，物體沿平板從Q點(diǎn)滑至P點(diǎn)所用時(shí)間t與夾角θ的大小有關(guān)。若由30°逐漸擴(kuò)大至60°，物體下滑時(shí)間t將（??）。

A.逐漸減小?B.逐漸增大?C.先減后增?D.先增后減

分析：本題考查牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用，以斜面模型為依托，主要考查學(xué)生應(yīng)用等時(shí)圓、模型簡化處理物理問題的能力。本題解答的關(guān)鍵是根據(jù)已知圖簡化斜面模型，明確小物塊的水平位移一定，推導(dǎo)有關(guān)物體下滑時(shí)間的表達(dá)式，進(jìn)而利用數(shù)學(xué)知識(shí)求得極值，本題考查了“科學(xué)思維”中模型建構(gòu)、科學(xué)推理兩個(gè)要素，屬于科學(xué)思維試題。

例2：（2021年全國高考甲卷理綜物理部分15題）“旋轉(zhuǎn)紐扣”是一種中國的傳統(tǒng)游戲。如圖2所示，先將紐扣繞幾圈，使其穿過紐扣的兩股細(xì)繩旋轉(zhuǎn)在一起，然后用力一緊一松拉扯細(xì)繩的兩端，紐扣順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)會(huì)交替出現(xiàn)。拉動(dòng)多次后，紐扣繞其中心的轉(zhuǎn)速可達(dá)50r/s，此時(shí)，紐扣上距離中心1cm處的點(diǎn)向心加速度大約為（??）［6］。

分析：本題以中國傳統(tǒng)游戲“紐扣旋轉(zhuǎn)”為知識(shí)背景，主要考查學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的理解和公式的應(yīng)用，只需知道向心加速度的計(jì)算公式，即可解出此題。因?yàn)榇祟}沒有考查到“科學(xué)思維”中的任何一個(gè)要素，所以不屬于“科學(xué)思維”試題。

二、2021年全國高考甲卷理綜物理部分“科學(xué)思維”試題統(tǒng)計(jì)分析

（一）“科學(xué)思維”試題篩選及分值情況

2021年高考甲卷理綜物理部分試題，包括選擇題和非選擇題，其中，選擇題共8題，總分為48分。另外，試題又分為必做題和選做題，其中，必做題包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)題和兩個(gè)計(jì)算題，分值為47分；選做題有兩題，任選其一即可，分值為15分。整套試卷滿分為110分。本文選取研究內(nèi)容時(shí)包括了兩個(gè)選做題，所以整套試卷總分為125分。通過試題篩選，整理出相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，“科學(xué)思維”核心素養(yǎng)在2021年全國高考甲卷理綜物理部分各個(gè)模塊都考查過，并且實(shí)驗(yàn)題和計(jì)算題每題都凸顯出“科學(xué)思維”核心要素，考查分值占比高達(dá)86.4%。由此可見，2021年高考物理試題對(duì)“科學(xué)思維”核心要素考查的力度之大。

（二）“科學(xué)思維”要素考查分值統(tǒng)計(jì)

由表3可以看出：（1）12個(gè)試題中有7個(gè)“科學(xué)思維”試題都是同時(shí)考查兩個(gè)要素，占比為58.3%；考查一個(gè)要素和三個(gè)要素的試題分別為4個(gè)和1個(gè)，占比分別為333%和8.3%，其中，考查到三個(gè)要素的試題只在25題中才有所體現(xiàn)；同時(shí)考查到“科學(xué)思維”四個(gè)要素的試題沒有。（2）考查科學(xué)推理要素的試題有9個(gè)，占比為72.8%；其次是模型建構(gòu)要素，占比為60.8%；而科學(xué)論證要素和質(zhì)疑創(chuàng)新要素，考查最少，都只考查到兩題。

（三）“科學(xué)思維”要素水平考查情況統(tǒng)計(jì)

由表4可知，從考查水平方面上看，水平一、水平二、水平三、水平四、水平五考查到的要素分別為0個(gè)、2個(gè)、2個(gè)、4個(gè)和2個(gè)，其中各水平考查分值分別為0分、21分、38分、130分和24分。由此可見，本年高考試題主要考查水平四。從考查要素方面上看，模型建構(gòu)要素主要考查水平四，占比為76.3%，科學(xué)推理要素考查水平比較均勻，水平二、水平三、水平四和水平五都考查到，占比分別為164%、35.2%、35.2%、13.2%，科學(xué)論證要素主要考查水平三和水平四，占比分別為37.5%、62.5%，而質(zhì)疑創(chuàng)新要素只考查到水平四，占比為100%。

三、結(jié)論及建議

（一）結(jié)論

通過參照《新課標(biāo)》要素水平對(duì)2021年全國高考物理甲卷試題分析，該年對(duì)物理核心素養(yǎng)——“科學(xué)思維”的考查大有展現(xiàn)。具體而言，雖然“科學(xué)思維”的四個(gè)要素在高考試題中均有體現(xiàn)，但是主要考查的是科學(xué)推理和模型建構(gòu)兩個(gè)要素，其余兩個(gè)要素考查較少。這其實(shí)是對(duì)高中階段重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)和科學(xué)推理能力要求的呼應(yīng)。另外，四個(gè)要素的考查水平主要集中在水平四，水平一未考查到。這從另外一個(gè)角度說明，隨著《新課標(biāo)》的頒布和新高考的推行，“科學(xué)思維”各指標(biāo)的考查水平也逐步提高。

（二）建議

1.關(guān)于模型建構(gòu)方面的建議

《新課標(biāo)》中課程目標(biāo)對(duì)模型建構(gòu)的要求是：要擁有建模的想法和技能。這就要求教師從這兩方面進(jìn)行教育：一方面，建模意識(shí)需要從生活中的現(xiàn)象出發(fā)，讓學(xué)生在不知不覺中比較輕松、順暢地形成建模意識(shí)。比如，質(zhì)點(diǎn)模型的由來，在講述推箱子做功的物理情景時(shí)，我們往往想當(dāng)然地把箱子看作是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，這是因?yàn)闀旧贤葡渥右恢倍际浅渥又匦牡奈恢猛疲偃粑覀儼咽终频淖饔命c(diǎn)往上移動(dòng)，箱子是不是還是往前移動(dòng)呢？帶領(lǐng)學(xué)生讓學(xué)生親自感受，如果作用點(diǎn)往上移太多，箱子不再發(fā)生平動(dòng)，而是開始轉(zhuǎn)動(dòng)，這種情況就不能計(jì)算物體所做的功了。所以在高中研究的做功的物體，都是將物體看作是質(zhì)點(diǎn)，才能計(jì)算做功情況。這樣學(xué)生理解起來比較容易和自然，學(xué)生慢慢地也就形成了建模意識(shí)。另一方面，建模能力則需要學(xué)生在平時(shí)的作業(yè)或考試之中訓(xùn)練和總結(jié)，應(yīng)用和熟悉高中已有的模型，比如人船模型、狀態(tài)模型等，久而久之，學(xué)生形成構(gòu)建模型的意識(shí)和能力以后，才能在高考時(shí)遇到新題型時(shí)，根據(jù)物理情景建立相應(yīng)的物理模型。

2.關(guān)于科學(xué)推理方面的建議

從2021年的高考甲卷物理試題分析可知，科學(xué)推理的考查范圍和分值都是最大的，其12題中有9道題涉及科學(xué)推理。科學(xué)推理不僅僅是公式的應(yīng)用和推導(dǎo)，更是在面對(duì)新問題、新情境時(shí)由已知到未知的推理過程，其中不僅涉及物理知識(shí)和邏輯關(guān)系的串聯(lián)，還穿插著數(shù)學(xué)知識(shí)的應(yīng)用。科學(xué)推理的培養(yǎng)包括數(shù)學(xué)和物理兩個(gè)學(xué)科，數(shù)學(xué)是中學(xué)物理解題的基礎(chǔ)，其中涉及簡單的運(yùn)算和幾何關(guān)系等，故數(shù)學(xué)上的運(yùn)算必須熟練和靈活。教師在一些數(shù)學(xué)推理時(shí)不必在黑板上演算，或者直接省去過程給答案，要求學(xué)生自己動(dòng)手推理演算，加強(qiáng)學(xué)生的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。

如果從教學(xué)角度出發(fā)，教師也可以大膽地嘗試并轉(zhuǎn)變已有的、舊的、過氣的教學(xué)模式和方法。已有的教學(xué)模式大多為練習(xí)式教學(xué)法，即教師將知識(shí)點(diǎn)講述給學(xué)生，學(xué)生通過做題來加強(qiáng)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的鞏固和理解，但是這就會(huì)出現(xiàn)一種現(xiàn)象：學(xué)生容易被答案蒙蔽雙眼，容易造成抄答案、湊答案、不愛思考的習(xí)慣，形成一種平時(shí)做題都會(huì)的假象。教師可嘗試“翻轉(zhuǎn)課堂”和“探究式教學(xué)法”，讓課堂的氣氛調(diào)動(dòng)起來，讓每個(gè)學(xué)生都參與到學(xué)習(xí)和思考問題中來。“探究式教學(xué)”不再追求“標(biāo)準(zhǔn)答案”，課堂上拋出一個(gè)問題，讓學(xué)生們進(jìn)行小組合作，對(duì)問題進(jìn)行分析思考，進(jìn)而提出假設(shè)——推理——結(jié)論。待各小組有結(jié)果時(shí)，讓各小組進(jìn)行小組匯報(bào)，而匯報(bào)的重點(diǎn)則是推理過程，其他同學(xué)對(duì)過程進(jìn)行檢驗(yàn)，各小組的推理過程肯定不盡相同，如若相同，都不像標(biāo)準(zhǔn)答案那樣，而是各自有各自的想法和思考，這樣同學(xué)們的推理能力才能得到更好的鍛煉。只有這樣，學(xué)生在遇到新問題時(shí)才“臨危不懼”。

3.關(guān)于科學(xué)論證方面的建議

物理學(xué)本質(zhì)上是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的先驅(qū)，體現(xiàn)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的共性，在思想、方法以及手段等方面是大多數(shù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)［7］。在做物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，受各種因素的影響，通常獲得的數(shù)據(jù)都是不一樣的，但如何用實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)已知的物理結(jié)論、用自己的觀點(diǎn)說服別人、對(duì)別人提出觀點(diǎn)提出反駁是培養(yǎng)科學(xué)論證的關(guān)鍵。教師在課堂上就要培養(yǎng)學(xué)生的論證意識(shí)和能力，可采用小組合作學(xué)習(xí)。小組的各個(gè)成員針對(duì)物理問題提出自己的見解和方法，并且說出證據(jù)和原因，對(duì)不同的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，進(jìn)行辯解，進(jìn)而統(tǒng)一結(jié)論。教師在提問時(shí)多關(guān)注學(xué)生的思考過程，鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生從未知到已知，經(jīng)歷問題思考，進(jìn)而運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)。

4.關(guān)于質(zhì)疑創(chuàng)新方面的建議

質(zhì)疑創(chuàng)新是物理發(fā)展和人類進(jìn)步的根源，質(zhì)疑創(chuàng)新就是要敢猜、敢想、敢做、敢嘗試。學(xué)生在面對(duì)問題時(shí)，多想一想有沒有新的方法可行，可不可以從其他角度進(jìn)行解答，有沒有一題多解的情況。在面對(duì)新的物理概念和定律時(shí)，學(xué)生要多問問為什么，大膽質(zhì)疑、大膽猜想。同時(shí)教師在教學(xué)或生活上要激勵(lì)學(xué)生，讓學(xué)生大膽試錯(cuò)，敢于說不。另一方面，教學(xué)時(shí)可以采用“頭腦風(fēng)暴”，廣泛搜集學(xué)生的建議和想法，“新點(diǎn)子”“不著道的想法”都可以使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的熱情，進(jìn)而激發(fā)他們的創(chuàng)造力。

雖然模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新是四個(gè)不同的要素，但它們是密切關(guān)聯(lián)且層層遞進(jìn)的。在面對(duì)一個(gè)未知物理問題時(shí)，我們需要建構(gòu)一個(gè)簡易的模型，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)和條件進(jìn)行推理，再把得到的結(jié)論拿回去驗(yàn)證，最后再思考有沒有其他解題的角度和思路。所以在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維時(shí)，只有把四個(gè)要素的培養(yǎng)方法結(jié)合起來，使得學(xué)生的每一個(gè)要素都得到充分發(fā)展，學(xué)生的科學(xué)思維才會(huì)得到充分訓(xùn)練和發(fā)展。

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基金項(xiàng)目：教育部第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“以新工科需求為導(dǎo)向的《大學(xué)物理》資源庫建設(shè)與推廣（項(xiàng)目號(hào)：ESXWLHXLX20200605）”

*通訊作者：徐曉梅（1963—?），女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事理論物理以及物理課程與教學(xué)論的教學(xué)與研究。