高考考生科学思维关键要素水平诊断与分析——以2019 年高考（天津卷）理科综合物理部分为例

魏 欣 高 杰

一、问题提出

教育部颁布的 《普通高中物理课程标准（2017版）》凝练了学科核心素养，物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。

其中，“科学思维”是物理核心素养的重要内容，是对物理知识、方法、能力等的整合与提升，要求学生不仅要理解和掌握物理知识， 而且能应用所学习的大量具体知识解决问题。可以说，解决物理问题的过程是以“物理观念”为基础，以“科学思维”为路径来展开的。

“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。 其中，模型建构和科学推理在物理学习过程中占据了重要的地位。 模型建构作为一种认识手段和思维方式， 是指学生根据问题和情境， 在对客观事物进行抽象和概括的基础上构建易于研究、 能够反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验等。 高中阶段的模型建构表现在能够分析模型所涉及的各个要素及其结构，使用模型解释物理现象和过程，阐明物理概念和原理， 在真实的情境中具有构建模型的意识和能力等。物理学习中的科学推理，不仅包括逻辑上的归纳推理、演绎推理和类比推理，而且包括分析与综合、抽象与概括、比较与分类等思维方式，还包括控制变量及组合推理、概率推理、相关推理、因果推理等推理形式。 高中阶段的学生应当能够正确理解和应用上述科学思维方法， 从定性和定量两个方面进行科学推理，找出规律，形成结论，并能解释自然现象和解决实际问题。

《普通高中物理课程标准（2017 版）》在各模块的教学要求中，也强调了解模型建构和科学推理的必要性；强调认识模型的特征，通过分析、抽象、概括等方法建构模型，通过科学推理分析物理问题，得出结论。与此要求相一致， 高考同样强调了对科学思维能力的考查，2019 年高考（天津卷）理科综合物理部分（以下简称天津物理卷）的试题突出考查了科学思维素养。

表1 2019 年天津物理卷学科素养划分

对科学思维素养的考查能够有效地考查考生分析问题和解决问题的能力， 在一定程度上也可以考察考生的创新能力。

物理问题的解决过程， 通常由两部分组成：首先，对审题中发现的各种信息进行分析、判断，抽象出物理对象的本质特征，建立完整清晰的物理图景；然后，应用概念、规律展开对模型对象、过程和相互关系的推理，实现对问题的解决。 可见，在解决物理问题的过程中， 模型建构和科学推理这两个要素至关重要， 对学生在解决问题过程中科学思维的这两个要素的发展水平进行分析和研究， 对了解学生的物理核心素养的发展水平至关重要。

在教学中落实对核心素养的培养， 需要以核心素养的发展状况为观察点来对学生的学业水平进行评价，促进在教学中落实核心素养教育。模型建构是物理学科核心素养的关键要素，因此，本研究以2019年天津物理卷实测数据和抽样题卡为素材， 依据考生的作答情况， 分析天津市高中学生科学思维素养中模型建构和科学推理要素的发展状况， 力求为教学中提升科学思维素养提供有效的策略， 为在教学中发展科学思维、落实核心素养提供帮助。

由于目前高考物理试题基本上是收敛式的试题，正确解答问题的可能思路是有限的，解决这些问题所需的素材及其相互关系也是明确的。因此，通过考生在具体试题上的作答表现， 可以在一定程度上还原考生解决问题的思维过程， 通过分析找出考生在模型建构和科学推理上的优势和不足， 进而提出改进教学的策略。

二、诊断与分析方法

1. 考生水平的划分及临界分数的确定

为更加准确、 客观地分析和评价不同水平考生的科学思维发展水平，更加明确问题的成因，本研究沿袭近年来高考评价工作的成功经验， 将考生物理学习水平划分为精通、熟练、基本、基本以下四个水平，按照安戈夫法确定各水平组的临界分数。

表2 近四年考生水平表现的临界分数

本文将基本水平以下的考生记为G1 组， 基本水平的考生记为G2 组， 熟练水平的考生记为G3组，精通水平的考生记为G4 组，全体考生记为G5组。 为便于教师对同一水平考生进行纵向的平行比较， 图1 列出了四年来各水平组考生在全体考生中所占的比例。

图1 各水平组考生在整体中所占比例

综上所述，各水平组的划分依据是考生在物理试卷上的整体表现， 一定程度上反映了考生的物理学业水平。 通过对比每道试题不同水平考生的得分率数据， 对不同水平组考生试题作答情况进行对比分析，可以发现不同水平考生的思维差异所在，从而更加准确地判断考生在模型建构、 科学推理要素上存在的问题。

2. 质的分析

数据是定量的结果， 形成结果的过程和原因是千差万别的， 单纯从数据很难得出全面、 客观的结论。 因此，除了对数据进行定量的分析，项目组还在全市范围内进行了问卷调查， 针对答题感受和作答过程进行了具体的询问，共收集考生问卷932 份，教师问卷201 份， 并在两所学校中组织了考生和教师座谈会， 详细整理了教师对试题的看法和考生答题的感受， 特别是通过开放性的问题对考生作答每道试题的思维过程做了详细记录。 这些定性的结果为数据的定量分析提供了强有力的支撑， 使得出的结论更加全面、准确，更贴近考生的真实情况。

3. 纵向分析

除了对2019 年天津物理卷的试题进行分析，还从近年的天津物理卷中选取了突出考查科学思维的题目，与2019 年天津物理卷的试题结合起来进行分析， 并将在作答过程中考生所呈现出的思维过程加以提炼，找出其中的共性特征，并进行分类，使分析结果更加准确、客观，以帮助教师在教学中有针对性地传承经验、解决问题。

三、诊断和分析结果

2019 年天津物理卷的第4 题、 第10 题和第11题均突出考查了科学思维素养， 下面根据考生作答的实测数据，结合往年相关试题，对考生的科学思维发展水平进行分析。

例1：2019 年天津物理卷第4 题

4. 笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。 如图所示，一块宽为a、长为c 矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e 的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v。 当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭。 则元件的（ ）

A. 前表面的电势比后表面的低

B. 前、后表面间的电压U 与v 无关

C. 前、后表面间的电压U 与c 成正比

表3 2019 年不同水平组考生第4 题选项分析表

本题为选择题中得分最低的一道题。 从整体来看，差异主要出现在G2 和G3 水平组之间；从错选情况来看，错选B 的比例最高。 三个错误选项中，A选项主要是对电子受洛仑兹力后偏转导致前后表面电势出现的高低差异判断有误；B 选项主要是没有通过对粒子的受力进行分析推导出电压U 的决定因素；C 选项主要是推导错误造成的。 从模型建构的角度看，错选B 选项是因为没有正确进行模型建构，错选C 选项是因为在科学推理的过程中出现错误。 通过对考生进行访谈发现， 考生在解答本题时的主要困难在于：一是受题干中背景材料文字的干扰，未能将霍尔效应与带电粒子在磁场及电场中的运动相对应，未能应用物理规律解决问题，故错选B；二是知道霍尔效应具体现象及其基本原理， 但在推导过程中出现对细节问题的处理错误，因此错选C；三是在判断粒子偏转方向时将电子定向移动与正电荷反向移动等效，造成电势高低判断错误，致使错选A。

仔细分析不同水平组的错选情况可以看出，G1和G2 两个水平组错选B 的比例最高， 而G3 和G4水平组错选A 的比例最高。这说明对G1 和G2 组考生来说，理解霍尔效应现象中带电粒子在磁场、电场中的运动是难点；而对G3 和G4 组的考生来说，难点在于无法区分电子和正电荷受洛伦兹力而发生偏转这两种情况的不同， 对于这两种情况到底在哪一层面上“等效”理解得不清晰，因此导致推理出现错误。

由此可见， 能否从物理学的视角分析霍尔效应现象是本题的关键，G3 和G4 组考生对此比较容易完成，对于G1 和G2 水平组考生则是难点。 本题还需要通过进一步的分析和推理来完成对细节问题的清晰化，就必须要更加准确地进行比较和鉴别，需要更高层次的能力，这也是G3 和G4 水平组考生应该努力解决的问题。

例2：2019 年天津物理卷第10 题

10. 完全由我国自行设计、建造的国产新型航空母舰已完成多次海试，并取得成功。航母上的舰载机采用滑跃式起飞， 故甲板是由水平甲板和上翘甲板两部分构成，如图1 所示。为了便于研究舰载机的起飞过程，假设上翘甲板BC 是与水平甲板AB 相切的一段圆弧，示意如图2，AB 长L1=150 m，BC 水平投影L2=63 m， 图中C 点切线方向与水平方向的夹角θ=12°（sin12°≈0.21）。 若舰载机从A 点由静止开始做匀加速直线运动，经t=6 s 到达B 点进入BC。已知飞行员的质量m=60 kg，g=10 m/s2，求

（1）舰载机水平运动的过程中，飞行员受到的水平力所做功W；

（2）舰载机刚进入BC 时，飞行员受到竖直向上的压力FN多大。

图1

图2

图2 G1、G2 水平组第10 题典型错误示例

这道力学计算题考查了舰载机起飞过程中的力学规律， 属于匀变速直线运动模型和竖直面圆周运动模型。 在本题中，这两个模型的构建并非难点，虽然是一道与实际问题联系的题目， 但是在题目中已经明确指出舰载机前半段的运动是“由静止开始做匀加速直线运动”，而后半段的竖直方向圆周运动也是考生非常熟悉的。

表4 2019 年不同水平组考生第10 题得分分析表

从答题情况的数据统计（表4）可以看出，得分率差距最大的情况出现在G1 和G2 两个水平组。 具体来看，第一问的差距主要是G1 和G2 组，第二问除了G1 和G2 组，G2 和G3 组也出现了较大的差距。从考生访谈情况可以发现， 考生在第一问上的主要问题是误认为水平力是牵引力， 导致未能做出正确计算。 从数据上看， 犯此类错误的考生主要出现在G1 组，这部分考生的审题能力差、概念不清等是导致错误的原因。 考生在第二问上的主要的问题则是对圆弧轨道半径的求解感到困难。

图2 是考生答题样本题卡中G1 和G2 两个水平组的典型错误。从图中可以看出，G1 组和G2 组考生在求解圆弧轨道半径时均出现困难，区别在于G2 组考生尽管求解圆弧半径出现困难，但模型主体依然清晰，而G1 组考生尽管已经构建了竖直圆周运动模型，但在求解圆弧半径的数学推理过程中出现错误。可见，本题模型构建水平的差异是得分率差异的重要原因之一。

例3：2019 年天津物理卷第11 题

11. 如图所示，固定在水平面上间距为l 的两条平行光滑金属导轨，垂直于导轨放置的两根金属棒,MN 和PQ 长度也为l、电阻均为R，两棒与导轨始终接触良好。 MN 两端通过开关S 与电阻R 为的单匝金属线圈相连，线圈内存在竖直向下均匀增加的磁场， 磁通量变化率为常量k。 图中虚线右侧有垂直于导轨平面向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B。 PQ 的质量为m，金属导轨足够长，电阻忽略不计。

（1）闭合S，若使PQ 保持静止，需在其上加多大的水平恒力F，并指出其方向；

（2）断开S，PQ 在上述恒力作用下，由静止开始到速度大小为v 的加速过程中流过PQ 的电荷量为q，求该过程安培力做的功W。

表5 2019 年不同水平组考生第11 题得分分析表

本题考查了电磁感应现象中的多个知识点，对考生的能力提出了较高的要求。从数据可以看出，两问当中，第一问的得分率低于第二问，尤其是G2 组和G3 组的考生。 而教师普遍认为，两问求解所涉及的物理规律第二问要比第一问更为复杂， 但第一问更容易错。分析样本题卡考生的作答可以发现，出现错误的主要原因包括： 一是考生平时对动生电动势比较熟悉， 面对题目没有认真分析就使用了动生电动势的有关规律进行求解；二是求解PQ 导体棒受到的安培力时对电流的计算发生错误， 因为没有画出等效电路图，因此没有意识到通过PQ 导体棒的电流是并联电路的支路电流， 相当多的考生甚至直接套用了平时常用的安培力表达式

出现这样的问题，看似是由解题习惯造成的，即考生缺乏画等效电路图的意识， 实际上恰恰说明学生缺乏正确分析问题的思维方法， 没有对电路组成进行分析，就套用平时所熟悉的规律，反映出考生科学分析与综合能力的欠缺，仅凭借主观感觉来解题，导致出现错误。同时也说明，考生在学习中对规律采用机械记忆的方法，导致只知道结论，缺乏一定的分析方法。由此可见，科学推理的教学也需要指导学生对推理过程不断体验和领悟， 才能使推理的基本方法内化成为科学思维素养，真正提升思维能力。

突出考查模型建构和科学推理素养的试题在历年的高考物理试卷中均有高频出现， 而这两方面一直是考生的薄弱所在。

例4：2016 年天津物理卷第11 题

如图所示，空间中存在着水平向右的匀强电场，电场强度大小为E=N/C，同时存在着水平方向的匀强磁场，其方向与电场方向垂直，磁感应强度大小B=0.5T。 有一带正电的小球，质量m=1.0×10-6kg，电荷量q=2×10-6C，正以速度v 在图示的竖直面内做匀速直线运动，当经过P 点时撤掉磁场（不考虑磁场消失引起的电磁感应现象）取g=10 m/s2，求

（1）小球做匀速直线运动的速度v 的大小和方向；

（2）从撤掉磁场到小球再次穿过P 点所在的这条电场线经历的时间t。

表6 2016 年不同水平组考生第11 题得分分析表

该题目的问题情境是带电粒子在重力场、电场、磁场叠加的区域中的运动， 重点对匀速直线运动及类平抛两种运动中力与运动的关系进行了考查。 值得注意的是，在第一问中，题目给出了“匀速直线运动”这一运动模型，而第二问中，并没有给出撤去磁场后小球的运动模型， 需要考生根据小球的速度与合外力的关系进行分析推理，自行构建模型，这无疑对考生提出了更高的要求。 从考生作答数据可以看出，G3 组和G4 组相比，第二问得分的差异要远大于第一问得分。这是因为，第二问的类平抛并不是考生常见的沿水平竖直两个方向进行分解， 这就更需要抓住平抛运动的基本特征， 即初速度方向与合外力方向垂直这一核心要素进行模型的构建， 这对于习惯套路化思维的考生无疑是很困难的。由此可见，模型建构不是单纯的对概念和规律的理解和运用，而是将分析综合、抽象概括、推理论证等科学思维方法内化的体现，是较高水平的学科素养。

通过对上述几道试题的分析可以看出， 考生在模型建构和科学推理上出现问题的主要原因有以下两个方面：

1. 构建模型方面，模型意识淡薄，构建模型的能力不足。平时学习时，由于接触到的应用性的生活事例较少，学生在学习新知识时，缺少该环节的思维训练，不能很好地从实际问题中抽象出物理问题，头脑中不知道应该如何联想该物理现象所处的物理情境、运动状态以及所具有的重要物理特征。由于对模型的内涵理解不清楚， 缺乏将具体问题转化为相应模型的基本方法和路径， 仍然习惯于凭借主观感觉来构建模型， 或者把一个陌生的物理问题不加分析地归结到某个熟悉的物理模型。

2. 科学推理方面， 在运用有关规律进行分析推理的过程中， 由于没有掌握进行科学推理的程序性知识，因此在推理的过程中出现分析问题不全面、规律之间相混淆、 或因本身对模型的基本特征和规律不清晰导致推理的过程出现错误。

四、思考与建议

近年来，高考（天津卷）物理试题突出了对核心素养的考查，试题贴近考生生活和社会实际，考查考生的基础知识、基本能力和学科素养，体现了素质教育和新课程改革的要求。 有些学生由于处于机械化的学习状态，对试题中呈现的新问题、新情境不够适应，不能灵活运用所学知识解决实际问题。 对此，教师应当在教学中重视核心素养的培养， 使物理学习从套路化的强化训练转变为基于素养的品格与能力的培养，以适应课程改革的要求，也为学生的终身发展奠定基础。结合前面的分析，在教学中可从以下几个方面来促进模型建构能力的提高。

1. 创设多样真实问题情境，提升构建模型能力

运用物理知识解决实际问题能力的高低， 往往取决于学生将情境与知识相联系的水平， 即能否把实际情境转化为物理问題。例如，是否能把情境中的一段经历转化为一个物理过程？ 是否能把情境的故事情节转化为某种物理现象？ 是否能把关于情境的描述转化为物理状态？ 是否能把问题已知的内容转化为相应的物理量？ 是否能把情境中需要完成的工作转化为相应的物理要求？ 我们常说某个问题很“活”，其“活”的本质之一就在于情境和物理问题的转化。因此，在学习物理知识、解决物理问题时，要从解题向解决问题转变， 使学生能主动地将所学的物理模型与实际问题发生联系， 让学生对实际问题的抽象与概括经历“概括共同属性、抽象本质特征”的思维加工过程，真正提升学生的模型建构能力。

试比较下列两题。

试题A： 用轻质细线悬挂于车厢顶部的小球与车厢相对静止一起向左加速运动， 已知细线与竖直方向的夹角为θ， 重力加速度为g，求车厢运动的加速度a。

试题B：某人想测量地铁启动过程中的加速度。他把一根细绳的下端绑着一支圆珠笔， 细绳的上端用电工胶布临时固定在地铁的竖直扶手上。 在地铁起动后的某段加速过程中，细绳偏离了竖直方向，他用手机拍摄了当时情景的照片， 拍摄方向跟地铁前进方向垂直。 根据这张照片估算此时地铁的加速度是多少？ 加速度方向指向照片的哪个方向？ 请写明测量步骤、数据、计算过程和结果。

比较一下这两道试题就可以发现， 试题A 是已经构建好的理想模型，学生解决这类问题，只需要直接运用这一模型所对应的规律求解即可， 且题设条件明确，思维过程相对单一。试题B 呈现的则完全是现实情景，所给的题设条件不确定，学生要解决这样的问题，首先需要经过抽象概括、比较鉴别等思维过程，将现实情景转化成试题A 中的理论模型，然后需要根据现实条件， 寻找能够从照片中获得的条件信息，之后才能开始运用规律解决问题。 因此，在教学中经常使用如试题B 的题目，有助于学生通过抽象、概括、比较、鉴别等思维过程对现象进行加工，提炼出现象的本质特征，提升模型构建能力。

2. 进行整体教学，提升分析和鉴别能力

在教学中经常会发现， 学生对熟悉的物理情景能够正确分析，但对于不熟悉的情景则束手无策，只能通过主观感受进行判断。出现这种情况，一是学生缺乏模型建构的意识， 二是学生缺乏模型建构的方法， 三是知识的碎片化导致难以实现物理模型的综合应用。要解决这种问题，需要在教学中重视整体教学，帮助学生构建物理模型，并抓住各种模型的本质要素。

例如，在必修2 的课程标准中，曲线运动一章要求学生“能对常见的机械运动进行分类”。这个目标，体现了对模型构建这一要素的要求。 要达成这一目标， 需要在学生熟悉了各种机械运动的特点和规律后， 让学生自主对机械运动进行分类。 在教学实践中，有的学生对完成这一任务无从下手，很多学生不知如何分类，只是将学过的运动机械地进行罗列。这说明学生不能抓住各种机械运动中的关键物理量，以致无法进行分类。而让学生学会对运动进行分类，一定要让学生体验分类的过程， 教给学生进行分类的方法，这一过程也是模型建构的过程，学生从中学会的不仅是如何将机械运动进行分类， 更是如何通过分析运动的本质特点建构运动模型。

3. 多角度分析物理现象，提升分析问题的层次

学生进行科学推理的的水平低， 有的时候是因为认识问题的水平有限，习惯从单一角度分析问题，不能全面分析现象。例如，高考中曾出现过这样一道试题：

例5：2010 年天津物理卷第11 题

如图所示，质量m1=0.1 kg，电阻R1=0.3 Ω，长度l=0.4 m 的导体棒ab 横放在U 型金属框架上。 框架质量m2=0.2 kg，放在绝缘水平面上，与水平面间的动摩擦因数μ=0.2，相距0.4 m 的MM’、NN’相互平行，电阻不计且足够长。 电阻R2=0.1 Ω 的MN 垂直于MM’。 整个装置处于竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度B=0.5 T。 垂直于ab 施加F=2 N 的水平恒力，ab 从静止开始无摩擦地运动，始终与MM’、NN’保持良好接触，当ab 运动到某处时， 框架开始运动。设框架与水平面间最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g 取10 m/s2。

（1）求框架开始运动时ab 速度v 的大小；

（2）从ab 开始运动到框架开始运动的过程中，MN上产生的热量Q=0.1 J，求该过程ab 位移x 的大小。

很多考生在作答本题的第一问时， 不知道该从哪里入手进行分析， 有的考生则完全不理解为什么框架会运动， 这样也就谈不上正确分析框架的受力进而解决问题。之所以会出现这种情况，是由于在平时的教学中，绝大多数题目都是分析导体棒受力，而默认框架是固定的，学生也就认为只有导体棒才受到安培力，这种固化的思维，导致学生无法进行研究对象的转换， 这样死板僵化的分析处于较低水平。 因此在教学中，需要对物理现象进行多角度的分析，例如上述现象中，既要分析导体棒的受力，也要分析框架的受力，既要分析框架MN 边的受力，也要分析MM’、NN’边的受力。这样，一是能够帮助学生开拓思维视角，形成从不同角度分析问题的意识，进而提高科学推理的能力， 二是使学生对物理现象形成完整的认识，从而对物理现象的本质属性有更为清晰的认识。

4. 抓住问题本质，避免套路化思维

长期以来，由于课时紧、任务重，加之过度追求教学的短期效果， 使得一部分教师将某些结论当做方法教给学生， 甚至不给出这些结论的适用条件就将这些规律总结成口诀要求学生记住。 学生只是记住了这些结论性的知识， 并不清楚这些规律的得出过程，因此在解决问题时造成机械套用。例如，有些教师将楞次定律的推广含义总结为“增缩减括，来拒去留”，学生使用这样的口诀解决一些普通问题确实简单、快捷，但是，这个口诀并不适用所有的情况。

例如，a、b、c 三个金属圆环按如图所示的位置放于同一平面内，b 中通有逐渐增大的电流， 此时，圆环a 有收缩的趋势，而圆环c 却是扩张的趋势。 对于这样的情景，需要让学生抓住物理问题的本质特征，即“阻碍磁通量的变化”，而不是简单记住结论。只有透过表面特点抓住模型的本质特征，并理解推理过程所依据的原理，才能在复杂的变式中正确进行推理，一步步使过程的图景不断清晰，最终解决问题。