科学论证视角下的物理高考试题分析——以2022年全国乙卷第24题为例

徐嘉君，丁 聪，朱巧萍

宁夏大学物理与电子电气工程学院，银川 750021

科学论证作为科学思维的重要要素，在《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》[1]的课程目标中，从科学思维、科学探究、科学态度三个方面分别提出了明确要求，也在学业质量水平和高考评价体系中进行了深入考查。其中，学业质量水平明确提出了考试命题应该着重围绕物理核心素养，高考评价体系[2]也表明了科学论证是学生通过高中物理课程学习的考核目标之一。因此，可评价的科学论证素养在高考试题中以一定形式呈现，并具有从隐性逐渐过渡到显性、权重增大等趋势。

1 科学论证模型

科学论证是一种基于一定事实证据，利用已有的知识与经验作为支持，进行一系列科学的推理过程。是对所研究的科学问题作出合理解释，从而建立证据与观点之间的联系，提出科学观点，并能有效反驳反面观点的过程。目前，在论证式教学上图尔敏提出的TAP模型[3]影响最为深远，如图1所示。

图1 TAP模型

TAP模型包含六要素，其中资料、主张、根据是主要要素。资料是指提供论证的理论依据；根据是连接主张和资料之间的桥梁，即推理过程；主张是指基于物理问题的描述作出判断、形成观点；限定是指主张成立的限定条件；支援是指对推理过程的支援性陈述，即要考虑合理性，适当补充；反驳是指利用物理知识对反面观点进行质疑与批判。

2022年高考卷就体现了对科学论证素养的考查，现以TAP模型为导向对2022年高考全国乙卷物理第24题进行分析。

2 试题分析

（2022年全国乙卷第24题）如图2，一不可伸长的细绳的上端固定，下端系在边长l=0.40 m的正方形金属框的一个顶点上。金属框的一条对角线水平，其下方有方向垂直于金属框所在平面的匀强磁场。已知构成金属框的导线单位长度的阻值为λ=5.0×10-3Ω/m；在t=0 s到t=3.0 s时间内，磁感应强度大小随时间t的变化关系为B（t）=0.3-0.1t。求：

图2 2022年全国乙卷24题图

（1）t=2.0 s时金属框所受安培力的大小；

（2）在t=0 s到t=2.0 s时间内金属框产生的焦耳热。

2.1 命题分析

（1）命题意图

本试题主要涉及两个方面，即金属框在某时刻所受安培力与某段时间内所产生的焦耳热。虽题目表达较为简单，但上述两个物理量都无法根据题干的表述利用公式直接求解，需要学生进行定性和定量的思考。要判断金属框内是否有感应电流产生、抽象金属框的等效电路图、计算金属框在磁场内的有效长度、计算金属框阻值、计算产生的感应电流的大小、判断金属框各部分产生安培力的大小和方向、计算金属框整体所受安培力的大小、判断某段时间内产生的电流是否为恒定值。这些复杂的思考环环相扣，中间任何环节的思考错误，都会导致计算结果的错误，据此对学生科学论证的能力由浅入深地进行考查。

（2）考查方向

一是能运用电磁学的方法解决导体在变化磁场中产生感应电动势和感应电流的问题；二是能利用等效电路图对现实情景进行简化和建立物理模型；三是能运用力的合成与分解的方法对带电导体在磁场中受到的安培力进行求解；四是能运用热学的方法解决带电导体工作产生热量的问题。

（3）考查水平

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》[1]从核心素养的四个方面明确提出了物理学业质量水平，从低到高划分为5个水平，科学论证水平如表1所示。

表1 科学论证素养的水平划分

本试题需要考生选择合理的资料（理论依据）、应用正确的根据（演绎推理）、形成主张（形成观点），属于科学论证的水平4要求。

2.2 科学论证导向下的解题分析

第一问：t=2.0 s时金属框所受安培力的大小。

依据科学论证的结构要素，第一问完整论述过程表述如下：

（1）资料——理论依据

金属框受到安培力应满足以下条件：一是金属框处于磁场中，二是金属框中有感应电流流过。由题干信息可知金属框部分处在磁场中，且该磁场为变化的磁场，即有磁通量的变化，因此，金属框确实会受到安培力。由安培力公式F=BIL可知，求解安培力的大小需先求出某时刻磁感应强度B的大小、流过金属框的感应电流I的大小、金属框有效长度L。

磁感应强度B的大小可由题目所给信息求出；感应电流I的大小可由闭合电路欧姆定律求出，而金属框在变化磁场中会因磁通量的变化而产生电动势E，总电阻R总可由题目所给信息求出；金属框有效长度L为金属框处在磁场中的两边进行首尾相连所得直线对应的长度。

（2）根据——演绎推理

第一问的演绎推理过程如图3所示。

图3 演绎推理图

当t=2.0 s时，该时刻磁感应强度B求解：

B2=0.3-0.1×2=0.1 T

该时刻感应电流I求解过程，分三步走：

②金属框的总电阻由每条边的电阻串联而成，可得总电阻为

③由闭合电路欧姆定律与等效电路图（图4）可求出金属框中的电流

图4 等效电路图

该时刻金属框在所处磁场的有效长度L为

基于以上三个物理量的求解，分析整合出金属框所受安培力F的大小

（3）主张——形成观点

t=2.0 s时金属框所受安培力的大小为

（4）限定——限定条件

忽略金属框的其他阻力，且金属框的形状及大小不变。

（5）支援——补充理由

安培力的大小是合力大小，亦可用力的分解思想进行求解。金属框仅有下方两条边在磁场中，因此仅有下方两条边受到安培力，由左手定则可知所受安培力方向，如图5所示。

图5 受力分析图

通过力的分解和安培力大小的公式，可求得

（6）反驳——求异思维

相异观点：认为金属框左侧为电源的负极、右侧为正极，总电阻不是由四条边的电阻串联而成的，而是由上方两条边的电阻串联与下方两条边的电阻串联后再并联而成的。计算得出总电阻

质疑批判：金属框在变化的磁场中产生感应电动势，所以下方两条边框相当于电源。由右手螺旋定则可知整个金属框中的电流呈逆时针流向。上方两条边框的电阻是串联的外电阻，下方两条边框的电阻是串联的内电阻，所以总电阻是由金属框四条边框的电阻串联而成的。

第二问：在t=0 s到t=2.0 s时间内金属框产生的焦耳热。

依据科学论证的结构要素，第二问完整论述过程表述如下：

（1）资料——理论依据

由焦耳定律公式Q=I2Rt可知，求解金属框在一段时间内产生的焦耳热需要的物理量有：流过金属框的感应电流I、金属框阻值R、发热时间t。在此要注意焦耳定律Q=I2Rt要求该段时间内的电流为恒定电流，因此需要先行判断该过程中产生的电流是否为恒定电流。

（2）根据——演绎推理

将数值代入公式，得

Q=I2R总t=12×8×10-3×2=1.6×10-2J

（3）主张——形成观点

在t=0 s到t=2.0 s时间内金属框产生的焦耳热为 1.6×10-2J。

（4）限定——限定条件

电流所做的功将电能全部转化为热能。

（5）支援——补充理由

当电路中仅有纯电阻时，电流做功是将电能全部转化为热能。

（6）反驳——求异思维

相异观点：无法确定该过程的电流为恒定电流，认为该过程的电流是变化的，从安培力做功的角度求解焦耳热。

质疑批判：因为磁感应强度大小随时间均匀变化，因此产生恒定电动势，并且电阻不变，所以产生恒定电流。由于第一问已经将所需知识基础解析得很清楚，因此经过第一问以科学论证为导向的教学指导之后，解决第二问中的该难点对于大多数学生来说是较为简单的，也体现了科学论证教学的价值意义。

2.3 试题特点

从解题分析过程来看，本试题在求解过程中着重考查学生的科学论证素养。主要体现在以下三个特点：

（1）理论依据的间接性

学生无法从试题给予的信息中直接提取物理量，然后运用公式进行求解。例如，第一问求解安培力的大小，从题目中无法直接提取磁感应强度B、感应电流大小I、有效长度L，需要学生分别对这三个物理量进行思考求解。本试题蕴含了较多知识点和复杂的分析思考过程，对学生的科学论证思维有一定的要求。

（2）逻辑推理的严谨性

推理过程紧紧围绕定性判断与定量计算。例如第一问，学生在求解流过金属框的感应电流I的过程中，需要考虑金属框内是否有感应电流产生、抽象出金属框的等效电路图、计算金属框阻值等多个问题，然后层层递进，通过法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律两次严谨的逻辑推理求得。若推理不严谨，则会缺乏依据导致论证不足，还会导致后续求解第二问的过程中出现错误，因此本试题对学生的逻辑推理思维有较高的考查。

（3）质疑反驳的重要性

推理过程中可能会出现相异观点，具有充分的反驳理由能助力科学论证。通过分析试题，可知在两个小题求解过程中学生可能会出现的相异观点，而相异观点通常是由于对知识的认知缺乏严谨性和完整性导致知识误区。若能从合理角度思考并提出充分的论据、进行强有力的反驳，便能得出正确结论，因此，本试题需要学生具有一定的质疑批判能力。

3 教学启示

通过分析高考试题，体现了科学论证的考查形式及重要性。如何促进学生的科学论证能力，培养科学论证素养，值得深思。在此提出相关教学建议：

（1）少用传统推理，改变思维定式

科学推理是常用的解决问题的方式，但不是唯一的。导致学生科学论证素养偏低的原因之一是惯用思维定式求解。当需要运用科学论证思维求解时，却采取了科学推理思维，会出现缺乏理论依据以致出错的情况[4]。改变只依靠推理解决问题的思维定式首先要改变教师的“定式”，才能改变学生的“定式”。

（2）巧用原始问题，体会论证过程

创设生活情境，能激发学生的感性认识，在此基础上提出原始物理问题，能引起学生的学习兴趣、激发探究的好奇心与内在动力。课程标准中要求学生应对复杂现实情境参与科学探究，解决具体问题和提升物理科学论证能力。原始物理问题通常是结构不良的问题，即没有具体的数值及特殊的条件限制等，能给予学生开放的思考角度，有助于学生进行科学论证活动。近年来，情境化试题在高考等选拔性考试中逐渐得到重视[5]。

（3）善用同伴互助，引发思维碰撞

由TAP模型可知，科学论证的要素包括资料、根据、主张、限定、支援、反驳。其中，“反驳”要素是难度最大的，也是较难实施的，在教学中如何培养学生反驳反面观点的能力成为了众多一线教师的诉求。“反驳”产生的前提是异同观点，重点是具有充分的批判依据，难度较大以致学生难以独自完成，因此需要同伴互助。同伴的理解、接受和正确的质疑批判能引发思维碰撞，有利于科学论证能力的提升。因此，教师可以通过组织学生形成合作小组，通过协作与交流共同促进科学论证能力的提升。