高中學生物理學科“科學推理”和“解釋”要素的發展考查分析

[中圖分類號]G424.74[文獻標識碼]A [文章編號] 1673—1654（2025）03—030—010

一、問題提出

物理學科核心素養包含“物理觀念\"“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。“物理觀念”代表知識的內化，是核心素養的基礎；“科學思維”和“科學探究”是關鍵能力；“科學態度與責任”是必備品格——四個方面相互依賴，共同發展158。厘清在解決問題過程中四個方面的關聯，有助于在教學過程各環節中對學生的核心素養進行整體提升。

物理學科素養的每個方面都包含若干關鍵要素，它們描述了核心素養的具體內容或行為過程。準確理解這些關鍵要素的內涵才能合理分析核心素養之間的關聯。通過梳理《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）及《普通高中物理課程標準（2017年版）解讀》（以下簡稱“課標解讀”）對關鍵要素內涵的描述，發現\"科學思維\"素養中的“科學推理\"要素和“科學探究\"素養中的“解釋\"要素有較強的關聯，具體內容見表1。

“解釋\"要素的內涵中包含“分析”“處理”“評估”等行為過程，這些都是\"科學推理\"的基本方法，而\"科學推理\"的最終落腳點，又包含了“解釋\"中的“找出規律、得出結論”?！敖忉孿"是在科學探究過程中運用推理和論證能力解決具體問題，是推理和論證在探究過程中的高階表現，是推理的載體和具體表現?？茖W思維中的“科學推理\"要素和科學探究中的“解釋”要素在解決問題過程中的思維含量較高，這兩個要素的發展水平，一定程度上決定著問題解決的質量。

在當今的物理課堂教學中，科學探究成為推動學習進程的重要方式，教師積極開展基于科學探究的教學實踐。但在教學過程中，由于對物理核心素養各方面之間的關聯不清晰，導致對核心素養的培養缺乏完整性，常常會出現探究目的不清晰、探究任務設置隨意、探究思維表層化等現象，使得探究過程進行不充分，科學探究流于形式。

本研究以2024年天津市物理學科等級性考試（以下簡稱“試卷”抽樣結果為依據，分析考生在“科學推理\"“解釋\"兩個關鍵要素的表現水平，進而厘清這兩個關鍵要素之間的關聯，并據此提出有針對性的教學建議，為教學實踐提供科學有效的策略，使科學探究的過程能切實有效地提升學生的物理核心素養水平。

二、研究方法

（一）篩選典型試題并分析解題的思維過程

1.考查科學推理和解釋要素的試題

依照解答各試題所需要調用的必備知識和關鍵能力，對各題側重考查的核心素養內容進行了劃分，如表2。

科學思維是試卷中考查比例最高的核心素養，科學探究是科學思維的具體體現，從這些試題中精準篩選出重點考查“科學推理”和“解釋”兩個關鍵要素的試題，具有較強的針對性和典型性。研究選取了第8、9（1）9（2）題進行分析，試圖找出“科學推理”與“解釋”之間的關聯，為教學提供更為科學的策略建議。

2.分析思維過程

目前試題基本上是收斂式，正確解答問題的思路相對固定，解決這些問題所需的素材及其相互關系是明確的，需要調用的知識和能力比較確定。作答試題的基本步驟包括：提取題干中所給出的信息、運用信息進行推理、將推理結果進行準確表達等過程，循著這個過程找出能夠正確回答該試題的學生的基本思路，確定學生在“科學推理\"和“解釋”兩個要素上的發展水平，并分析其背后的原因，大體上確認學生在這兩個要素發展過程中的主要問題。

1.考生水平的劃分

將考生物理素養劃分為精通、熟練、基本、基本以下四個水平。依據課程標準中提供的學業質量水平描述，應用安戈夫法，并結合考生分數段的分布情況，同時參考歷屆試題難度及學生的作答情況，確定了不同水平的臨界分數，精通組臨界分數為79分，熟練組臨界分數為55分，基本組臨界分數為32分，各水平組占比如圖1所示。

2.依照作答表現對學生物理核心素養水平進行分析

在所選擇的典型例題中，選擇題主要根據解答各選項需要調用的知識及所進行的情境活動，結合不同水平的學生在得分率及錯選比例上的區別，分析不同水平組學生情境活動的質量。填空題部分除了分析不同水平組學生得分率的差異，還通過試卷抽樣對他們答題的具體情況及典型作答表現進行分析，找出數據結果的進一步證據。

對所選取的典型例題按不同水平組的得分結果進行定量統計，從形成結果的過程和原因進行分析。在此基礎上對考生進行了訪談，詳細記錄了考生的答題感受以及思維過程。這些定性的結果為數據的定量分析提供了進一步的支撐，得出的結論更加全面、準確，更貼近考生的真實情況。

三、研究結果

（一）科學思維與科學探究水平具有很強的正相關關系

科學探究不僅是一種綜合能力，而且是學習物理的主要方式，是通過多種方法尋找證據，運用創造性思維和邏輯推理解決問題，并通過評價與交流等方式形成共識的過程。學生在科學探究中，掌握分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、推理、類比等思維方法，發展學習能力、思維能力、實踐能力和創新能力，以及運用科學語言與他人交流和溝通的能力[22。

統計2022年至2024年考生在科學思維、科學探究兩個學科核心素養試題上的得分率，并以各年不同水平組的科學思維得分率為橫坐標，以科學探究得分率為縱坐標，繪制散點圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，各水平組考生①科學思維素養水平與科學探究素養水平具有較為明顯的相關關系，不同水平組的相關程度略有差異，其中G4水平組在科學思維和科學探究素養水平上的表現相關性更強。在科學探究的過程中，很多關鍵要素的要求包含了科學思維中關鍵要素的要求，其中，“解釋\"要素與“科學推理”要素有著較高的重疊度。

在解決問題過程中，有效“科學推理”是重要的一環，很大程度上決定著問題解決的質量?！翱茖W推理”能力的提升，需要教師在課堂教學中設計有效的科學探究過程，運用多種手段組織、推動學習的開展。引導學生運用分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、推理、類比等推理方法得出結論，并對探究方案和結果進行評估。在這個過程中，依托真實的探究情境有針對性地培養學生的科學推理能力，并充分結合探究過程中的動手實踐來增強學習體驗，是一種有效提升“科學推理\"能力的方式。

（二）借助圖像表征物理規律是進行有效“科學推理\"的重要環節

【例1】試卷第8題

某靜電場在 x 軸正半軸的電勢 φ 隨 x 變化的圖像如圖所示， 為 x 軸上四個點。一負電荷僅在靜電力作用下，以一定初速度從 d 點開始沿 x 軸負方向運動到 點，則該電荷

A．在b點電勢能最小

B.在 c 點時速度最小

C．所受靜電力始終做負功

D.在 a 點受靜電力沿 x 軸負方向

【答案】BD

本題以帶電粒子在電場中運動為情境，并將在粒子運動方向上的電勢分布情況以圖像的方式呈現，要求學生根據 φ - x 圖像判斷粒子電勢能大小、速度大小的變化，以及靜電力的方向和靜電力做功的情況。正確作答此題要求學生準確理解電勢和電勢能的關系、電勢能變化和電場力做功的關系，并判斷粒子所受電場力的方向以及速度的變化情況。本題的帶電粒子在電場中的運動是較為抽象的情境，且題目信息的呈現也是較為抽象的圖像，解答題目所涉及知識內容的數量及各知識之間的交叉融合度較高，屬于水平四的試題。

本題全體考生的得分率為0.66（圖3所示），屬于中等難度題。從不同水平組的得分率來看，G3和G4組之間的差值最大，說明此題對于這兩個水平組的學生具有更為明顯的區分作用。如圖4所示，考生漏選B選項比例最高，其次是D選項。這是因為粒子速度變化情況的判斷需要依據所受靜電力的方向以及做功情況進行分析，在應用的綜合性上具有更高的要求，即B選項的判斷所需調用的知識數量更多，知識之間的融合交叉程度更高。

本題涉及應用圖像表示物理量的特征和物理規律，從命題角度及作答所需要進行的情境活動分析，解答本題首先需要從圖像獲取信息，并對這些信息進行解釋，然后利用這些信息進行科學推理，再將推理結果用物理語言進行描述。本題涉及的電磁學現象不僅情境抽象，描述電場特性的電勢和粒子屬性的電勢能概念也相對抽象，這就造成了學生在解答上的困難。在訪談過程中很多學生也表示，作答第8題感到最困難的點就在于提取題目所給的信息，學生在解決電場這類抽象問題時，往往習慣性地將抽象的情境轉化為具體、形象的信息，但本題所給圖像中描述的電場，很難與學生熟悉的具體電場分布進行對應，一旦這種將抽象與具體的轉換出現問題，信息就不能被有效地提取，致使解題思路出現斷裂。這就提示我們，運用圖像這種數學工具來解決物理問題時，需要解決好兩方面的問題：一是對圖像物理信息的提?。欢菍⑽锢硪幝傻奈淖只蚝瘮当磉_轉化為圖像。解決好這兩方面的問題，既可以有效建立“科學推理”的基礎，也可以提升科學探究的能力。

（三）抽象與形象的有效轉換是“科學推理”和“解釋”的前提

【例2】試卷第9（1）題（1）某同學研究閉合電路的規律。

① 根據閉合電路的歐姆定律得出了電源輸出功 率P與外電路電阻關系圖像，如圖所示，則P的峰值 對應的外電路電阻值R應 電源內阻r（填\"大 于”\"小于”或“等于”；

② 測定電源的電動勢和內阻，可供選用的器材有：

A．電壓表（量程0＼～3V，內阻約為 3 kΩ ）B.電流表（量程 0～0 . 6 A ，內阻約為 1 Ω ））C.滑動變阻器（最大阻值 2 0 Ω ，額定電流1A）D．滑動變阻器（最大阻值 1 0 0 0 Ω ，額定電流

0.5A）

E．待測電源（電動勢約為3V，內阻約為 1 Ω ）） F．開關、導線若干

（i）實驗中所用的滑動變阻器應選（填器材前字母代號）；

（ii）實物電路如圖所示，單刀雙擲開關 可分別與1、2端閉合，為使電源內阻的測量結果更接近真實值，（204號 應與 端閉合。

答案 ① 等于 ②（ i） c（ i i） 2

本題以課標要求的學生必做實驗“測定電源的電動勢和內電阻\"為命題情境，考查學生對閉合電路電源輸出電功率特點、測量電路的元件選擇、測量電路的實物圖識別及誤差分析等內容的掌握情況。

從圖5可以看出，本題整體得分率為0.68，說明對于全體考生而言，本題屬于中等偏容易的題目。對比不同水平組考生的得分情況，除了G1和G2組得分率的差異較小，其余各組得分率差異基本相當，說明本題對G2、G3和G4組有較好的鑒別作用。

抽樣題卡的具體作答情況顯示失分最多的是第三問，第一問和第二問失分情況近似。在訪談中，學生表示，由于第一問電源的輸出功率問題在初中階段已接觸過，因此，雖然不記得規律的具體內容，但對于外電阻與內電阻的\"相等\"關系仍然能夠做出正確的選擇。對于第二問，因為只涉及從所給的兩個滑動變阻器中進行選擇，加之所給的兩個滑動變阻器的阻值差異較大，結合所給電流表和電壓表量程，很容易做出正確的選擇。對第三問的失分原因，部分學生表示，對于兩種不同測量電路的誤差分析不清楚，而平時學習基礎較好的學生表示，由于對單刀雙擲開關不熟悉，因此不能將實物圖與電路圖進行對應，造成答題錯誤。對于電路的分析和推理，學生更多是借助電路圖，盡管實物圖看似比圖像更為具體，但由于并非學生慣用的方式，導致在信息的提取上出現困難，進而影響了推理的進行。這就提示我們，在平時的教學中，教師要有意識地用不同方式呈現信息，讓學生熟悉這些方式，以保證推理和解釋的順利開展。

【例3試卷第9（2）題（2）某同學用圖示裝置探究加速度與力的關系。

① 為補償打點計時器對小車的阻力及其他阻力，調節木板傾角，使小車在不掛槽碼時運動，并打出紙帶進行檢驗，下圖中能表明補償阻力恰當的是，

② 某次實驗得到一條紙帶，部分計數點如下圖所示（每相鄰兩個計數點間還有4個點，圖中未畫出），測得 ， ， ， 7 . 7 3 c m 。已知打點計時器所接交流電源頻率為 ，則小車的加速度 （要求充分利用測量數據，結果保留兩位有效數字）；

③ 該同學將一個可以直接測出繩子拉力的傳感器安裝在小車上，小車和傳感器總質量為 2 1 0 g 。按要求補償阻力后，該同學共進行了四次實驗，懸掛的槽碼質量依次為 處理數據時，用兩種方式得到小車（含傳感器）受到的合力，一種將槽碼所受重力當作合力、另一種將傳感器示數當作合力，則這兩種方式得到的合力差異最大時，槽碼質

量為 -g。

【答案 ①

本題以課標要求的學生必做實驗“探究加速度與力和質量的關系”為命題情境，考查學生對此實驗中的平衡摩擦力、測量小車的加速度、懸掛不同質量槽碼時的系統誤差分析這三個環節的理解水平。第一問要求學生對操作得到的不同紙帶結果進行推理，并做出合理解釋；第二問要求學生會對打出的紙帶進行數據的處理，得出加速度；第三問則要求學生對題目中所陳述的方案進行評估和對比，對系統誤差進行判斷。從調用的知識數量和綜合程度來講，作答第二問需要結合逐差法進行較為復雜的計算，難度最高；其次是第三問，題干文字量較多，需要對題目中所描述的實驗方案進行信息的提煉和處理，并進行分析和評估；難度最低的是第一問。

從表3中可以看出，此題的整體得分率為0.57，說明本題對于全體考生而言屬于中等難度，并且不同得分段所占比例基本相近。不同水平組的考生得分率差異最大的是G3和G4組，說明本題對這兩組學生有較好的鑒別作用。

通過對抽樣題卡可以發現，無論哪個水平組的學生，第二問失分比例最低，即使G1水平組的考生，也有相當比例能夠計算出正確結果，G1水平組和G2水平組的得分為2分的試卷，多為此問得分，第一問和第三問失分比例基本相同。進一步對比考生個體的失分情況，在第三問失分的所有考生中，大部分同樣在第8題失分。在訪談過程中，很多學生表示，這兩道題出現錯誤，都是因為不能準確理解題目中所給出信息的含義，導致思路混亂。分析解決兩題的思維過程，都需要首先對信息進行提煉?？梢?，將文字或圖像與背后的本質物理概念和規律進行對應，是開展有效科學推理的基礎，是對證據進行解釋進而形成規律的關鍵。

通過對考生進行訪談進一步了解問題的原因，發現對于第一問所涉及的實驗步驟，大多數學生能夠知道需要傾斜軌道以平衡阻力，但對于為什么要平衡阻力以及怎樣的證據才說明阻力被恰好平衡了并不清楚，這就導致對題目中呈現的紙帶所代表的物理意義無法準確對應；還有一部分學生，雖然能夠記住阻力被恰當平衡的標志“使所打出的紙帶點跡均勻\"這句話，但卻并不清楚“點跡均勻\"對應的是所打點跡之間的距離相等這一具體現象；還有相當比例的學生表示，因為習慣于從形象的描述獲取信息，因此沒有仔細閱讀題目中的文字，導致判斷錯誤。而對于第三問的作答困難，主要是源于對題目的“將傳感器示數當作合力\"和“兩種方式得到的合力差異最大”兩個條件的文字描述，不能弄清文字背后的物理本質是什么，很多學生表示：知道當槽碼質量遠小于小車質量時，系統誤差較小，但由于不理解題目敘述內容的本質，不能將題目中的文字敘述與這個知識點聯系在一起。

對比兩道實驗題的答題情況可以發現以下規律：一是實驗題由于考查方式的特點，有相當比例的題目需要通過文字敘述來呈現，對于文字敘述形式出現的實驗步驟，學生的主要問題出在對文字的理解，不同水平的學生都會因為對文字理解的偏差導致錯誤；二是對于學生而言，題目中所給出的不同描述方式，難度最大的是陌生情境的圖像描述，其次是陌生情境的規范物理用語表述，較為容易的是熟悉情境的圖形描述和文字表述。

（二）在“科學推理”過程中，重視用多種方式描述物理本質規律

四、教學建議

（一）聚焦探究過程的“解釋”要素，有效提升“科學推理\"能力

科學探究既是一種重要的能力，也是發展核心素養其他方面的重要載體，在探究活動中獲得的發展，是進一步躍升為創新能力的基礎。通常的科學探究過程包括：基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并做出解釋、對探究過程和結果進行交流、評估和反思。隨著課改的深入，一線教師認識到科學探究對培養學生解決問題能力的意義，都在努力通過科學探究的各環節增強學生的學習體驗。但在教學過程中，由于課時所限，經常使整個探究過程的每一個環節都無法真正開展，導致整個探究活動流于形式。

因此，在設計探究活動時，需要明確探究活動各環節對提高學生核心素養水平的作用，在組織學習活動時，針對發展學生核心素養的關鍵環節開展多種方式的活動，充分增強學生的學習體驗。對學生“科學推理”能力的培養，則應聚焦探究過程的“解釋\"環節開展有效的學習活動，這就需要明確每個實驗探究過程的重點。例如，“探究平拋運動的特點”這一實驗，重點在于如何獲得平拋運動的軌跡，要在設計實驗與制定方案這一環節進行重點探究。而“探究感應電流的方向”這一實驗，重點在于如何根據實驗結果得出規律，對應探究過程的“解釋\"要素，應該在“獲取和處理實驗結果、基于證據得出感應電流的規律”這個環節進行重點探究，引導學生就感應電流方向與磁場方向和磁通量變化之間的關系展開充分的討論，通過簡練準確的文字表達來解釋它們之間的關系，在這個過程中科學推理能力得到有效提升。聚焦科學探究活動的“解釋\"要素展開學習活動，培養學生的“科學推理\"能力，讓探究活動不再是為了探究而探究，以探究活動為載體，有效提升學生的物理核心素養。

通過前述分析可以發現，對物理規律的描述需要借助一定的“物理語言”，而“物理語言”主要包括文字、表達式、圖像等。很多學生在使用規范的“物理語言”來描述現象、獲取信息方面存在困難，使得推理和探究的質量不高，這也不利于學生從物理學視角來思考問題，繼而影響了科學推理和探究的順利開展。

建議在探究過程中要提出明確的要求，讓學生用規范的物理語言來表述推理過程，并強調各種“物理語言\"有效轉換。需要注意以下方面：一是在探究過程的各環節不急于得出結論，應給予學生充分的時間發表見解；二是及時糾正敘述過程中出現的不規范用語，從單純的感性經驗進入物理學視角；三是要努力讓學生經歷規律得出的過程，如讓每個學生動手繪制圖像，真正經歷坐標軸物理量的確定、數據標度的選取、描點、繪制圖線等過程，而不是采用軟件自動生成和擬合的方式。這些通過多種學習體驗獲得的方法和能力，是真正能夠轉化為素養的基礎。

（三）加強形象與抽象的對應，提高信息的提取和轉化能力

高中的物理學習對學生的抽象思維能力提出了更高的要求。很多學生處于由形象思維向抽象思維轉化的階段，在探究過程中，需要針對這一特點開展有針對性的探究活動。在針對重點環節進行的學習活動中，應為學生提供可操作性強的思維方法。如引導學生在設計表格記錄數據時，給出具體的操作方法幫助學生設計表格；引導學生對記錄的實驗結果進行概括和歸納時，引導學生思考應按照怎樣的順序對數據進行觀察和對比；在對信息進行提取時，引導學生透過表象提取本質屬性，進而將文字和圖像等信息轉化為相關的物理概念和規律；在解決問題過程中，引導學生對情境條件的描述語言進行有意識的抽象，將具體的語言文字與抽象的物理概念有效對應。這樣，在科學探究過程中，學生才能充分運用分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、推理、類比等思維方法，發展學習能力、思維能力、實踐能力和創新能力，以及運用科學語言與他人交流和溝通的能力。

參考文獻：

[1]普通高中物理課程標準修訂組.普通高中物理課程標準（2017版）解讀[M].高等教育出版社，2018.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

Analysis of the Development of“Scientific Reasoning” and“Explanation” Elements in Physics for High School Students ：Taking the Tianjin Physics Grading Examination as an Example

Wei Xin

HepingDistrict Teacher'sDevelopmentCenter，Tianjin，300021

Abstract：The overall goal of high school physics curriculum is to implement the core competencies of physics subject.Based on the actual test data and sampling answers of the physics paper of the 2O24 Tianjin Ordinary High School AcademicLevel Examination，thisstudyanalyzesthe level of students’\"scientific reasoning\"and \"explanation\"elements，identifies thestrengthsand weaknessesof students at diferentlevels from arelational perspective，accuratelydescribes therulesandefectivelyextracts information，which is the foundation of \"scientificreasoning\"and \"explanation\"，and the efective transformation between abstractionand image is the prerequisite.Specific suggestions such as emphasizing the use of physics language and focusing on exploring key elements in teaching are proposed.

Keywords：Physics，Core Competencies，ScientificReasoning，Explanation

（責任編輯：陳暢）