從中考物理試題看對科學探究能力測試的探索

廖伯琴 董源莉 廖文婧

【專家介紹】

廖伯琴，西南大學科學教育研究中心主任、教授、博導，國家中學物理課程標準研制組及修訂組負責人，中國青少年科技教育工作者協會物理教育與普及專委會主任。曾獲全國模范教師、全國教育系統巾幗建功標兵、全國教育碩士優秀教師、全國首屆教材建設獎先進個人等榮譽。

摘 ? 要：科學探究能力是物理課程應培養的核心素養之一，中考物理試題對初中物理教與學具有重要導向作用。依據義務教育物理課程標準，統計分析我國２０２０年至２０２２年９０份省會城市中考物理試卷２１３６個中考試題中的４１３個科學探究試題。統計結果顯示，這幾年的科學探究試題側重考查了“分析與論證”“進行實驗與收集證據”和“設計實驗與制訂計劃”等科學探究要素，與課標內容要求和必做實驗的關聯度顯著，試題素材主要源于教材等。最后提出中考物理探究試題的命制應堅持素養立意、嚴格依標命題、用活教材和挖掘本土資源等建議。

關鍵詞：中考物理；科學探究；能力測試

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2023）7-0001-6

當今世界科技進步日新月異，各國在教育中非常注重培養學生的科學探究能力。聯合國教科文組織指出學校課程應強調科學探究［１］。美、英、德、日、芬蘭、俄羅斯等國家的物理（科學）課程標準大多含有培養學生科學探究能力的課程目標［２］。本世紀以來，我國先后實施的三版義務教育物理課程標準均注重科學探究［３］：《全日制義務教育物理課程標準（實驗稿）》（簡稱《２００１版課標》）強調課程實施應注重科學探究和教學方式多樣化［４］；《義務教育物理課程標準（２０１１年版）》（簡稱《２０１１版課標》）將科學探究列入“課程內容”，旨在讓學生經歷科學探究過程，領悟科學探究方法，發展科學探究能力［５］；《義務教育物理課程標準（２０２２年版）》（簡稱《２０２２版課標》）進一步提出科學探究是物理課程應培養的核心素養之一［６］。物理課程標準凝練了物理課程獨特的育人功能［２］，而科學探究能力的培養則是物理課程育人價值的重要體現。

對科學探究能力的測評一直是國內外科學教育工作者關注的焦點?！秶伊x務教育質量監測方案（２０２１年修訂版）》要求“緊扣課程標準，監測學生各學科領域的發展水平及核心素養，科學主要監測學生掌握科學基礎知識和思維方法情況、科學探究能力等”［７］。目前國內外對科學探究能力的測評方式主要有現場觀察、紙筆測驗、工作單和虛擬實驗測評等［８-９］。紙筆測驗因其方便、成本低、信度高等特點而在國內外被大規模采用。國際上比較有影響力的ＴＩＭＳＳ、ＰＩＳＡ和ＮＡＥＰ等測評方法均采用了紙筆測驗方式。我國也主要以紙筆測驗的方式考查學生的科學探究能力。２０１９年，教育部提出嚴格依標科學命題［１０］。２０２２年，教育部提出進一步深化考試評價改革，加快推進中考省級統一命題［１１］。在這樣的一個大背景下，探析我國中考物理試題對科學探究能力的測試特點，以期能為我國的紙筆測試更有效地考查科學探究能力提供參考。

本研究從中考物理試題的視角，探索對學生科學探究能力測試的特點。為提高試卷樣本的代表性，我們收集了２０２０—２０２２年間全國各省會城市中考物理試卷共９０套。因這９０套中考物理試卷的命題依據是《２０１１版課標》，故對物理試卷中科學探究試題的劃分依據是《２０１１版課標》及其對科學探究能力的內涵界定，即只要中考物理試題關涉其中任一科學探究要素或其能力的基本要求，便將其劃歸于科學探究類試題。據此標準，最終從２１３６個中考物理試題中選取科學探究試題４１３個，依次編號為Ｑ１，Ｑ２、Ｑ３…Ｑ４１３。

那么，這些中考物理探究試題對不同科學探究要素及其基本要求的考查有何差異？與課標內容要求和必做實驗的關聯度怎樣？試題素材的主要來源又是什么？這些統計結果與２００９年相關研究結果［１２］相比，有何變化？下面將側重探討這些問題。

1 ? ?對科學探究能力的測試

三版課標關于科學探究能力的內涵界定是一以貫之的?！叮玻埃埃卑嬲n標》指出“科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式之一”，并將科學探究能力細化為７個科學探究要素［４］；《２０１１版課標》整體繼承了對科學探究能力７要素構成之內涵界定，僅在文字上做了微調，即提出問題、猜想與假設、設計實驗與制訂計劃、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作［５］；《２０２２版課標》將科學探究的要素進一步凝練為４個，即問題、證據、解釋和交流［６］。正如前所述，對２０２０—２０２２年中考物理科學探究試題的剖析依據是《２０１１版課標》明確的７個科學探究要素及其基本能力要求。

1.1 ? ?關于不同科學探究要素的考查

對科學探究要素的考查比例總體比較穩定。如圖１所示，“分析與論證”探究要素的考查比例最大，占比７０．２％；其次是“進行實驗與收集證據”，占比５５．３％；第三是“設計實驗與制訂計劃”，占比４３．３％。這與考查比例偏小的“提出問題”“猜想與假設”“評估”“交流與合作”４個要素形成了明顯差異，特別是沒有考查到“交流與合作”這一要素，這顯然受制于紙筆測驗的局限性。該統計分析結果與２００９年的統計結果一致。

科學探究的形式是多種多樣的，在科學探究過程中，學生的探究過程可涉及所有要素，也可只涉及部分要素［５］。這些科學探究試題有的是單要素評價，而有的是多要素評價。如圖２所示，考查單個科學探究要素的試題占比４１．３％，考查兩個科學探究要素的試題占比３７．９％。該結果與２００９年的結果相比，有一定差異，２００９年７０．３％的科學探究試題涉及１個探究要素［１２］，而今多數試題檢測多個要素，這說明探究性試題有檢測多個要素的發展趨勢。

1.2 ? ?例析與科學探究能力要求的對應

由以上研究可知，中考試題針對“設計實驗與制訂計劃”“進行實驗與收集證據”“分析與論證”三個維度的科學探究能力檢測比例較大，下面我們對此進行更深入地分析。

根據《２０１１版課標》，７個“科學探究要素”共對應３１個“科學探究能力的基本要求”，我們對其逐一編碼。以第３個科學探究要素“設計實驗與制訂計劃”為例，對其所含的５個“科學探究能力的基本要求”依次編碼，分別為“３－１ 經歷設計實驗與制訂計劃的過程”“３－２ 明確探究目的和已有條件”等，詳見表１。

在考查了第３個科學探究要素“設計實驗與制訂計劃”的試題中，如圖３所示，考查“３－２ 明確探究目的和已有條件”能力的最多，占比４１．２％；其次為“３－４ 嘗試選擇科學探究方法及所需要的器材”能力，占比２１．５％；考查“３－３ 嘗試考慮影響問題的主要因素，有控制變量的意識”能力，占比２０．１％；而“３－５ 了解設計實驗與制訂計劃在科學探究中的意義”沒有涉及。統計結果與２００９年研究結論基本一致，即考查“設計實驗與制訂計劃”要素的試題主要考查探究目的的確定、實驗儀器的選用、科學探究方法的選擇以及控制變量的意識等。

據此分析框架分別對其他科學探究要素的各基本能力要求進行分析。科學探究試題中考查第５個探究要素即“分析與論證”的試題最多，對相應基本能力要求的考查如圖４所示。其中，考查“５－３ 能進行簡單的因果推理”能力的試題最多，占比３８．６％；其次為“５－２ 能對收集的信息進行簡單歸類及比較”和“５－１ 經歷從物理現象和實驗中歸納科學規律的過程”的能力考查，分別占比２８．８％和２７．９％。這些結果與２００９年的結果一致，即考查“分析與論證”能力的試題，重點考查簡單的因果推理、對收集的信息進行簡單比較并歸納得到科學規律等。

此外，關于“進行實驗與收集證據”的能力考查，主要考查了實驗儀器的正確使用、儀器儀表的正確讀數及記錄等；關于“猜想與假設”的能力考查，主要考查了對問題的可能答案提出猜想；關于“評估”的能力考查，主要考查了對探究方案的改進、探究結果的評估等。

2 ? ?考查內容與課標內容要求的關聯

《２０１１版課標》的“科學內容”包含“物質”“運動和相互作用”和“能量”三個一級主題，１４個二級主題和６３個三級主題［５］。對科學探究試題涉及的一級主題科學內容進行統計分析，如圖５所示。其中，考查“能量”主題的探究試題最多，占比４１．6％；考查“運動和相互作用”主題的試題占比３２．9％；考查“物質”主題的試題占比２５．5％?？梢?，科學探究試題與課標一級內容主題及要求具有相當的關聯度。

對《２０１１版課標》中科學內容的６３個“三級主題”依次編碼為１—６３，編碼６４指“沒有考查到課標中任何三級主題”，統計分析如圖６所示。其中，考查比例位于前７位的三級主題如表２所示。通過圖表比對可得，考查比例較大的內容主要與電學有關，如連接電路圖，探究電流、電壓和電阻的關系，會使用電流表和電壓表，會測量燈泡的電功率等；其次是物質相關內容，如物態變化、物體的質量和密度測量等?？梢姡茖W探究試題對課標三級內容主題的考查占比存在顯著性差異。

進一步深入分析科學探究試題在各課標三級內容主題內部的考查分布情況可知，在考查編碼為５２的三級內容主題試題中，其中考查“會連接簡單的串聯電路和并聯電路”知識點的試題最多，占比達６９．４％，通常要求學生將實物圖連接完整，或是找出錯誤的連接方式并予以改正；在考查編碼５１的試題中，考查重點是“通過實驗，探究電流與電壓、電阻的關系”，占比達５５．９％?？梢姡茖W探究試題無論在課標三級內容主題整體上，還是在三級內容主題內部，考查占比也是有所側重的。

3 ? ?考查的實驗與學生必做實驗的關聯

《２００１版課標》注重科學探究，注重實驗要求，但未列出學生必做實驗［４］；《２０１１版課標》列出了２０個學生必做實驗，但放在附錄中［５］；《２０２２版課標》列出２１個學生必做實驗，即９個測量類實驗和１２個探究類實驗，且放進課程內容的一級主題“實驗探究”中，并增設樣例、活動建議、學業要求和教學提示等［６］，進一步凸顯了物理實驗的育人功能。我們依據《２０１１版課標》，對學生必做的２０個實驗逐一編碼，編碼“ｂ２１”為試題考查到這２０個必做實驗之外的情況。統計分析科學探究試題對各實驗的考查頻次，從多到少排列前十的必做實驗如表３所示，考查最多的是“ｂ１６ 連接簡單的串聯電路和并聯電路”，要求學生根據探究目的連接電路圖，或找出連接錯誤的導線并改正；其次是測量物體的質量或密度、探究凸透鏡成像規律、測量小燈泡的電功率以及探究電流與電壓、電阻的關系等。

在科學探究試題中，有考查課標中要求的學生必做實驗，也有考查學生必做實驗要求以外的其他實驗。整體占比情況如圖７所示，考查“必做實驗”的試題占比為６２．３％，而考查其他實驗的試題占比為３７．７％?？梢?，科學探究試題中涉及的實驗更多來自課標中的學生必做實驗，這說明科學探究試題與課標中學生必做實驗有比較明顯的關聯。

繼續分析涉及非學生必做實驗的試題可知，有些探究試題涉及的實驗雖不是《２０１１版課標》中的學生必做實驗，但所涉及的內容要求幾乎都屬于《２０１１版課標》中有實驗要求的三級內容主題范疇，且出現在教材的“實驗”“演示”等欄目。其中，考查頻次位列前三的主題為“用電流表和電壓表測量電阻”“探究固體熔化時溫度的變化規律”“探究不同物質的吸熱能力”等，這些實驗皆在《２０２２版課標》的“實驗探究”主題中有所體現。

4 ? ?科學探究試題的素材來源

本研究將中考物理科學探究試題的素材來源分為五類，即：教科書、生活現象、課外實驗和小制作、科技前沿和科普、其他，并依次編碼。統計結果如圖８所示，考查科學探究能力的試題素材大部分來源于教材“實驗”“演示”等欄目，占比達７３．６％；其次來源于“課外實驗和小制作”，占比１6．８％。該結果與２００９年的相關結論基本一致，即大部分中考物理探究試題的素材來源于課內教材教學和課外小制作等考生熟悉的情境。

進一步從科學探究試題素材關涉的情境類型分析可知，試題情境整體呈現多樣化樣態，以生產生活情境為主，多源自學生校內外現實生活，重視對科技類情境的挖掘，注重中國本土情境資源，同時存在少數試題的情境與問題分離等問題。

5 ? ?建 ?議

總體看，２０２０年至２０２２年中考物理探究試題有以下主要特點：與課標內容要求和必做實驗之間均呈明顯關聯、試題素材主要來源于教科書等。為進一步提高中考物理試題對科學探究能力測試的信度與效度，特提出以下建議。

一是要把握科學探究的本質，堅持以物理核心素養立意。立足國際視野和未來人才需求，以學生核心素養尤其是科學精神的培育為導向，圍繞科學探究的關鍵要素，重點考查學生經歷問題、論證、解釋和交流等科學探究過程的情況，全面考查學生學習領悟科學探究方法以及具備的科學探究能力等，考查學生的物理觀念、科學思維以及科學態度與責任等物理課程核心素養［６］，以評價來促進物理課程獨特育人價值的實現。

二是要嚴格依標命題，用活教材?？茖W探究試題的內容模塊整體分布需均衡，與課標內容主題及其要求之間具有明顯關聯。科學探究試題的命制應嚴格依標命題，緊扣物理課程標準，重視對學生必做實驗的檢測。同時義務教育物理教材作為重要的教學資源，要進一步用活、用好。

三是要深入挖掘本土資源，編制原創性試題。踐行“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念［４］，以學生熟悉的生產生活情境為主，緊密聯系國內、外現代科技，深入挖掘我國傳統文化和科學技術等資源，創編更新穎的試題，從物理視角講好中國故事。

參考文獻：

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（欄目編輯 ? ?廖伯琴）