基于科学探究素养的高考物理试题分析及启示——以近三年新课标全国卷为例

刘健智，杨麒蓉，曾红凤

(湖南师范大学 a.物理与电子科学学院，b.档案馆，长沙 410081)

2021年6月发布的《全民科学素质行动规划纲要(2021—2035年)》提出，提升基础教育阶段科学教育水平，培养青少年的科学素养和科学精神，让青少年体验科学探究的方法和过程，从而增加青少年的创新意识和动手能力[1]。在《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《新课标》)中也提出，科学探究素养是物理学科素养的核心构成部分，并对高中物理学业质量水平考试的内容提出要求，要重点考查学生的科学探究等素养，规定高中物理学业质量标准要落实发展学生的物理学科核心素养，是学生毕业和升学的主要依据，其中，水平2和水平4分别是学业合格考试和高考的命题依据[2]。

通过查阅文献发现，在2017年以前学者们对高考物理试卷的研究更关注试卷整体或某道试题的分析[3-5]，而非聚焦于某个具体素养的考查。自2017年以来，学者们开始关注试卷中体现和考查的科学探究素养，但缺乏深入的分析。如孙铁斌[6]、谭程[7]对试卷中出现的科学探究试题进行了具体的分析，杨君[8]对多套高考物理试卷涉及的科学探究素养进行了统计，但都没有具体的水平划分从而无法判断是否达到学业质量水平考试的标准。蒋炜波和赵坚[9]对试卷中的科学探究素养水平进行了分析，但科学探究素养各要素的水平划分没有具体的可操作的划分依据，而是根据经验进行划分，因此其研究结论的可靠性不足。

基于此，本文用SOLO分类理论划分科学探究素养水平层次，深入研究高考物理试卷对科学探究素养的考查水平、内容和形式，以期为物理高考试卷试题命制和高中物理教学提供一些建议。

1 研究设计

1.1 研究对象

选择近三年新课标全国物理卷为研究对象，即2019—2020年全国新课标Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷和2021年全国甲、乙卷，共计8套。选取原因如下：新课标全国卷在全国使用最广；全国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷难度不同，适合不同地区、不同教育程度的学生，具有普适性；全国卷由国家教育中心组织专家命制，具有权威性、专业性和稳定性。

1.2 分析科学探究素养4个要素的内涵

科学探究的过程是一个连续性的过程，其主要流程为：观察分析—提出物理问题—形成猜想和假设—设计实验—获取数据和信息—观察分析、处理数据—得出结论—解释问题—交流和反思。《新课标》将科学探究分为问题、证据、解释、交流4个要素[2]。

1)问题要素

问题要素是科学探究的起点，学生在真实的物理情境或者现实生活中发现物理问题，这是科学探究的第一步，再带着物理问题去思考，并根据已有的知识，提出合理的、科学的猜想与假设。合理的假设能够使科学探究的目标明确、清晰，为接下来的科学探究指明方向。

2)证据要素

证据要素是科学探究的主体，重点突出“收集数据”和“制定方案”两个环节，在收集数据的环节，注意选取合适的方法来收集和处理数据，使实验数据明了清晰，易于分析和得出结论。在制定方案的环节要注重实验的科学性、可行性、简单性，选取恰当的实验仪器。

3)解释要素

解释要素是科学探究的结论，学生对实验的数据进行进一步整理和分析，在数据和证据的基础上分析得出规律和结论，并对结论作出科学合理的解释。

4)交流要素

交流要素是科学探究的反思，学生对科学探究的过程和结果进行整理和分析，并在这个过程中进行反思，同老师、同学交流和分享自己对科学探究的过程和结果的一些的看法和建议，在反思和交流的过程不断改进和优化实验方案。

根据以上对科学探究素养4个要素内涵的分析，形成表1。

表1 科学探究素养4个要素内涵

1.3 依据SOLO理论确定科学探究素养水平层次

《新课标》对科学探究素养进行了学业质量水平划分，但其表述较为笼统，对于试题研究不便进行可参考、可操作的分析。学生科学探究素养的发展是不同水平之间的层层递进，可直接体现在学习的结果上，即内隐的科学探究素养可转化为可观测的学习结果。因此，通过SOLO分类理论对可观测的学习结果进行等级描述，使得科学探究素养的发展水平可测量、可比较。

SOLO分类理论以学生的认知和思维发展规律为理论依据[10]，将学生的学习水平由低到高递进分为5个层次：前结构水平(P)、单点结构水平(U)、多点结构水平(M)、关联结构水平(R)和拓展抽象结构水平(E)。由于SOLO分类理论中的前结构水平是由被测者自身造成的，是被测者拒绝思考的结果，与试题本身无关，所以不存在前结构水平的试题[11]。再基于对学生素养的细致考查，将关联结构水平细分为低关联结构水平(R1)和高关联结构水平(R2)。将科学探究素养根据SOLO分类理论进行划分，形成表2。其中单点结构水平(U)、多点结构水平(M)体现了科学探究素养的量变；低关联结构水平(R1)、高关联结构水平(R2)拓展抽象结构水平(E)体现了科学探究素养的质变[12]。

表2 科学探究素养水平层次的划分

1.4 构建二维矩阵

基于以上对科学探究各要素及其水平层次的划分，由此构建“4×5”的“素养要素×素养水平”二维分析框架，如表3所示。

表3 科学探究要素水平层次的二维分析框架

1.5 数据编码与分析——以2021年全国乙卷为例

2021年全国高考物理乙卷中共有4道题考查了科学探究素养，统计情况见表4。

表4 2021年高考物理全国乙卷科学探究素养水平统计

1)第20题。本题为选择题，考查带电粒子在电场中运动轨迹的规律。根据粒子不同的带电量和质量，推测不同粒子在同一均匀电场中的运动轨迹，需要学生能够根据现有条件，对粒子的运动轨迹作出有依据的假设，属于对科学探究中“问题”这一要素的考查；需要学生对物理问题进行分析和评价，对应高关联结构水平(R2)，分值为6分。

2)第22题。本题为实验题，考查利用频闪仪和照相机研究平抛运动的规律。第(1)小题，给出了A的位置和相邻点的时间间隔，根据已知数据得出小球速度的水平和竖直分量，即考查学生能否整理数据得出结果，属于对科学探究中“解释”要素的考查，需要学生对物理问题进行处理，对应多点结构水平(M)，分值为2分。第(2)小题，给出了相邻点的时间间隔和各个相邻点的位置，要求根据图像对数据整理分析得出当地重力加速度，即考查学生能否处理数据得出结论，属于对科学探究中“解释”要素的考查，需要学生对物理问题进行分析，对应低关联结构水平(R1)，分值为3分。

3)第23题。本题为实验题，考查电路测量的相关知识。第(1)小题，问在保护电压表的情况下电阻箱接入电路的阻值，正确回答该题需要学生根据电压表的满偏电压选择适当的电阻箱阻值，即考查学生能否独立收集数据并制订科学探究方案，属于对科学探究中“证据”要素的考查，需要学生对物理问题进行分析和评价，对应高关联结构水平(R2)，分值为2分。第(2)小题，根据已知电路图和各用电器的对应值，求电压表读数的表达式，需要学生根据图像和运用闭合电路的欧姆定律公式分析数据、得出结论，属于对科学探究中“解释”要素的考查，需要学生对物理问题进行分析和评价，对应高关联结构水平(R2)，分值为2分。第(3)小题，根据已知电路图和表达式得出电源电动势和内阻，需要学生对数据进行处理从而得出结论，属于对科学探究中“解释”要素的考查，需要学生对物理问题进行分析，对应高关联结构水平(R1)，分值为4分。第(4)小题，求将电压表理想化时产生的误差，需要学生对实验(科学探究)的过程进行反思找出电压表是否理想化对实验测量的影响，属于对科学探究中“交流”要素的考查，需要学生对物理问题进行分析，对应高关联结构水平(R1)，分值为2分。

4)第34题第(2)小题。本题为选考题，考查用插针法测量折射率相关知识。第(1)问，根据已知数据得出玻璃砖的折射率，即考查学生能否整理数据得出结果，属于对科学探究中“解释”要素的考查，需要学生对物理问题进行处理，对应多点结构水平(M)，分值为3分。第(2)问，问如何设计实验的条件(玻璃砖的上下表面的夹角)使出射光线恰好消失，需要学生能够独立收集数据并制订科学的方案来探究实验的条件，属于对科学探究中“证据”要素的考查，对应高关联结构水平(R2)，分值为7分。

2 数据统计与分析

按照2021年全国乙卷的分析思路和方法，详细分析了2019—2021年全国物理卷的所有8套试题的科学探究素养的4个要素及其对应的素养水平(表略)，分别从科学探究素养所涉及的要素、素养水平、分值、题型和知识点进行统计分析。

2.1 科学探究素养要素水平对比

从表5中可以看出：(1)对科学探究不同素养考查频次不均衡。全国卷注重解释要素，其考查频数远多于其他要素，所占分值也最大；对问题要素的考查最少，仅仅考查了3次，所占分值也最少。(2)各要素在各题中考查的水平层次不均衡。在问题要素中，只涉及了R1和R2两个水平层次；在证据和解释要素中，涉及到了M、R1、R2三个水平层次，主要是R1和R2水平层次；在交流要素中，包括了M、R1、R2、E四个水平层次，但重点考查还是R1和R2水平层次。各要素水平中对低关联结构水平(R1)和高关联结构(R2)的考查次数达到了59，占所有考查到科学探究素养频数的83%。

表5 2019—2021年高考物理全国卷科学探究素养频次统计

由以上分析可知，全国卷在对科学探究素养进行考查时，侧重于对解释要素的考查，注重考查学生对数据处理分析发现规律并得出结论的解决问题的能力，较少考查学生提出问题、作出假设、交流反思的能力和素养，即考查学生所具备的问题素养和交流素养，这与《新课标》中“通过实验探究，提高学生创新能力”的理念不符合，但在2021年的试卷中对问题素养和交流素养的考查都有所增加，体现了对其的逐渐重视；试卷试题的水平层次集中在R1和R2水平，注重对学生的分析和评价的能力的培养和考查，与《新课标》中学业水平4的要求相符合，能够较好地考查学生是否达到学业水平考试的要求。

2.2 科学探究素养试题类型对比

全国卷的题型有选择题、实验题、计算题和选修题，近三年物理全国卷各类型试题考查的具体占比如图1所示，主要以实验题的形式对科学探究各要素进行考查，占比高达84%，其次选修题占比为15%，选择题占比1%，计算题中没有发现对科学探究素养的考查。考查科学探究素养的题型所占的比例按素养在试题中考查的次数累加计算，如2021年乙卷22题考查了2次解释素养。试卷考查科学探究素养主要是通过实验题进行，题目形式过于单一，这与《新课标》提出的试题考查形式多样化的理念不符。

2.3 科学探究素养知识板块对比

近三年物理全国卷科学探究素养的试题所涉及的各知识板块与所占分值比如图2所示。试题主要通过电磁学和力学这两大知识板块考查科学探究素养，两者在科学探究试题中总分值占比达83.40%，其中电磁学知识板块占比最高为52.98%；光学和热学知识板块也对科学探究素养有所考查；没有出现原子物理学板块的相关知识点。在《新课标》所规定的21个必做实验中，力学和电磁学板块的实验共有17个。由此可见全国卷的物理试题对科学探究素养的考查与《新课标》的要求基本一致。

3 研究结论与建议

3.1 研究结论

根据以上对2019—2021年全国物理卷的数据统计分析可知，高考物理试题考查的科学探究素养基本上覆盖了科学探究素养的4个要素；在知识覆盖面上主要在力学和电磁学知识板块对科学探究素养进行考查，但也合理地涉及了光学和热学部分，即对科学探究素养的考查知识点覆盖面较宽；对科学探究素养各要素的考查水平层次集中在R1和R2水平，符合学业水平考试的相关要求。

不过，高考物理试卷中科学探究素养试题在素养考查全面性方面有待提升。在各素养要素的分值占比存在严重向证据和解释要素倾斜的趋向；试题主要以实验题的形式考查科学探究素养，每套试卷都包括两道实验题，但都主要在理论层面对学生的科学探究素养进行考查，主要涉及数据的收集和处理，并从中发现规律得出结论，缺乏对实际操作能力的考查，这与《新课标》提出的全面提升学生问题解决能力的理念不符。

总之，2019—2021年全国物理卷相关科学探究素养的内容覆盖面较广，与《新课标》提出的内容考查重点和要求基本一致，但是试卷考查科学探究素养的结构还有待加强，需要注重试卷试题考查形式的多样性和分值占比的权衡。

3.2 对高考命题的建议

3.2.1 注重对问题和交流要素的考查

近三年全国卷忽视了对问题和交流要素的考查。发现问题、提出问题是科学探究的前提，交流要素是对科学探究的过程和结果进行反思和交流。这两个要素是科学探究素养的重要组成部分，也是创新的根本动力，而创新意识和创新能力的考查是我国高考内容改革目标之一[13]。因此物理高考试卷应注重对问题和交流要素的考查，对科学素养各要素的考查有侧重但不偏重，探索科学、可评价、可操作的方式来命制相关试题。

3.2.2 注重对试题形式和内容的丰富

科学探究素养主要通过实验题的形式进行考查，主要涉及的知识板块也是力学和电磁学，考查的形式和内容过于单一。根据《新课标》的高考命题建议，试题的设问角度和方式要新颖、灵活，试题所涉及的知识内容要合理的覆盖面，通过多种方式和全面的知识体系对学生的物理学科核心素养进行考查和评价。建议在选择题和计算题中适当地渗透对科学探究素养各要素的考查，通过在不同的知识板块中构建真实的物理情景来评价学生的科学探究素养。

3.2.3 注重对新课标理念和目标的体现

近三年全国高考物理试题考查的要素水平主要为R2，对应学业质量水平4，满足了学业水平等级性考试的基本要求[14]，但试题的侧重点和考查的形式与新课标提出的提升创新能力、提升问题解决能力和以素养为导向的多样化考查形式理念有一定的冲突[15]。试题的命制要紧扣新课标的“落实学生的物理学科核心素养”的课程目标。

3.3 对高中物理教学的建议

3.3.1 注重情景教学，提升学生问题素养

物理高考试卷中对问题素养直接的考查较少，但逐渐得到重视。问题素养可通过物理情景化试题来考查，物理情景化试题需要学生能够自己发现问题并对问题进行思考提出解决方法[16]。因此，教师在教学过程中要重视物理情境的创设，从实际生活和科技发展前沿出发引导学生从这些情境中发现问题，有意识地引导学生从多个角度观察物理情景、进行思考和提出问题[17]；学生要敢于质疑、敢于提问，突破思维定势，对物理情境进行理性思考，形成合理的假设，不断提升自身的问题意识。

3.3.2 注重实验教学，提升科学探究素养

物理高考试卷主要通过实验题对学生的科学探究素养进行考查和评价，且实验的原型大多来自于教材[18]，教师在教学过程中要重视实验教学，要有意识地培养学生动手能力，要让学生真正地理解实验原理，自己动手实验，而不是一味地采用实验演示的教学方式，将知识灌输给学生。让学生在理解实验原理的基础上，自己设计实验，收集数据，体验科学探究的过程，提升自己的沟通交流和反思的习惯，从而能够在不同的情境下迁移运用实验的原理以应对不同的实际问题。

3.3.3 注重进阶教学，体现学生主体地位

物理高考试卷考查了多元结构水平、关联结构水平和扩展抽象结构水平层次的科学探究素养，集中考查了关联结构水平层次的相关问题。教师在教学过程中，应该根据学生的能力水平引导学生逐步从单一结构水平向高层次的结构水平进阶[19]，避免学生在学习过程中出现只知道怎么做而不知道为什么这么做的现象。在新课教学时，对学生的引导要循序渐进，可以通过提问引导或是学生自主探究的形式来实现；在复习课教学时，要提前了解学生的水平层次，在此基础上再构建下一步的教学内容和教学方式。

3.3.4 注重主干知识，夯实学生基础知识

物理高考试卷对科学探究素养考查试题的内容主要集中于力学和电磁学知识板块，在物理等级性考试所涉及的6本教材中，有5本教材涉及的主要内容是力学和电磁学相关知识，这不仅仅是高考物理试卷的重点，也是学习其他知识板块的基础。教师的重要教学任务和学生的学习任务是要夯实物理的主干知识，在教学的过程中加强对基本原理和规律的教学，促进学生对基础知识的理解和掌握，在此基础上不断训练和提升学生科学探究素养，不能一味地追求新颖和能力而忽视了基础。