考查科学推理能力的高考物理试题分析

王璐霞

摘 要：科学推理能力可分为守恒推理、比例推理、控制变量推理、组合推理、概率推理和相关推理这六种子推理类型。本文以2012—2016年全国高考统一物理（新课标I）为例，分析高考物理试题对学生科学推理能力的考查情况，发现我国高考物理极少关注概率推理和相关推理的考查。进一步统计分析守恒推理、比例推理、控制变量推理和组合推理的考查情况发现：（1）组合推理的考查题数相对最多，且有增加的趋势；（2）其次是守恒推理和比例推理，且两者的考查题数基本相当；（3）控制变量推理的考查题数最少，2014年甚至没有。

关键词：科学推理；物理高考；试题分析

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）9-0048-4

《普通高中物理课程标准》指出，高中物理课程是普通高中自然科学领域的一门基础课程，旨在落实“立德树人”的根本任务，进一步提升学生的物理核心素养，逐步形成适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力。[1]物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四方面构成。其中，科学思维（scientific thinking）是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判、检验和修正，进而提出创造性见解。由此可见，科学推理能力是科学思维的核心组成要素。因此，对学生科学推理能力的培养提高和有效考查具有非常重要的意义。

高考作为一种人才选拔制度，需全面有效考查学生的综合素质，如利用物理学知识分析解决实际问题过程中的科学推理能力以及创新精神和实践能力等，较好地区分学生的不同层次水平，有利于高校人才的选拔。因此，分析高考物理试题对学生科学推理能力的考查有很强的现实意义。

本文以2012—2016年全国统一高考物理试题（新课标I）为例，举例分析高考物理试题对学生科学推理能力的考查，并进一步统计分析科学推理能力的考查分布情况；期望能对今后深入开发和完善对学生科学推理能力的考查起到一定的借鉴意义。

1 科学推理能力的内涵及子推理类型

1.1 科学推理能力的内涵

科学思维，简单而言，就是人们在研究、解决科学问题，学习科学知识的过程中所使用的思维。科学思维涵盖了在观察现象、提出假设、设计实验、分析结果、得出结论等过程中的所有思维技能，其实质是理论和证據之间协调的能力，科学推理（scientific reasoning）是科学思维的核心组成部分。[2]

皮亚杰在其认知发展理论中首次提出“科学推理”的概念，并认为科学推理能力是儿童认知发展到形式运算阶段之后才能够掌握的推理技能。[3]随着研究的深入，诸多学者都提出了自己对“科学推理能力”这一概念内涵的看法，Zimmerman认为，科学推理能力，从广义上讲，涵盖了广泛意义上的在科学探究学习、设计实验、证据评估、推理思辨、逻辑论证等活动中所需要的所有的思维能力和推理技能。[4] Tom Schreiber认为，科学推理能力就是建构和评价科学论点以及能够作出并证明有关科学技术问题的决定的能力。[5]

本文认为科学推理能力是个体思维和认知发展到一定高度之后才具有的推理能力，即通过观察事物或现象发现问题、提出假设、设计实验、评估证据、得出结论、解释推断等一系列科学活动，最终解决问题并获得新知识的思维过程中个体所需要的一切内在思维能力和技能。

1.2 科学推理能力的子推理类型

基于哲学的视角，科学推理能力可解释为个体进行观察、实验等认知活动中所运用的演绎、归纳和类比等推理能力。[6]本文是研究高考物理试题对学生科学推理能力的考查情况，因此不从哲学的角度，而是从教育教学实践的角度描述科学推理能力的子推理类型。

为定量考查和评估学生的科学推理能力，不同国家和地区制定了多种测量工具。本文参照Roadrangka等人的观点，将科学推理能力分为守恒推理、比例推理、控制变量推理、组合推理、概率推理和相关推理这六种子推理类型。Bitner的研究也表明Roadrangka等人开发的测量学生科学推理能力的测试工具（GALT）是测量6～12年级学生科学推理能力的可靠工具。[7]

1.2.1 守恒推理

在皮亚杰的认知发展理论中，守恒概念的获得与建立是儿童从前运算阶段发展到具体运算阶段的一个重要标志。守恒推理是指儿童能够认知到物体的形式（主要是外部特征）发生了变化，但物体的量（或内部性质）并没有发生改变。高中物理阶段，学生会学习动量守恒、机械能守恒和能量守恒以及电荷守恒等。利用守恒推理的核心思维过程：第一步是明确守恒条件是什么；第二步是确定“一个过程”和“两个状态”，“一个过程”是指研究对象经历的变化过程，“两个状态”是指研究对象变化前的状态和变化后的状态。

例 2016全国统一高考物理试卷（新课标I）——选择题第1题

一平行电容器两极板之间充满云母介质，接在恒压直流电源上，若将云母介质移出，则电容器（ ）

A.极板上的电荷量变大，极板间的电场强度变大

B.极板上的电荷量变小，极板间的电场强度变大

C.极板上的电荷量变大，极板间的电场强度不变

D.极板上的电荷量变小，极板间的电场强度不变

点评 本题是电容器的动态分析问题，关键是利用守恒推理抓住研究对象在变化过程中的守恒量来解决问题，只关注于变化的始态和末态，建立守恒关系，巧妙作答。当电容器始终与电源相连，则电势差守恒；当电容器与电源断开，则电荷量守恒。

1.2.2 比例推理

从数学上讲，比例涉及两个变量之间的关系。所谓比例推理能力，简而言之就是比较不同比的能力，儿童进行比例推理的能力与其比例概念的掌握情况相联系。[8]中学物理的教学目标之一就是运用数学工具来解决物理问题，培养学生的逻辑思维和科学推理能力。然而，物理和数学各有其不同的研究对象和方法，因而在物理中应用数学工具时，必须考虑其在物理上的限制。利用比例推理的核心思维过程：第一步是根据已知信息推断出各个物理量之间的比例关系；第二步是利用公式、定理等将结果正确地表示出来。endprint

例 2014全国统一高考物理试卷（新课标I）——第3题

如图1，MN为铝质薄平板，铝板上方和下方分别有垂直于图平面的匀强磁场（未画出），一带电粒子從紧贴铝板上表面的P点垂直于铝板向上射出，从Q点穿越铝板后到达PQ的中点O。已知粒子穿越铝板时，其动能损失一半，速度方向和电荷量不变，不计重力，铝板上方和下方的磁感应强度大小之比为（ ）

点评 粒子在铝板的上下方都是做匀速圆周运动，其物理机制相同。运用比例推理先求出粒子的轨道半径和速度的比例关系，然后应用牛顿第二定律进行求解。

1.2.3 控制变量推理

控制变量推理是指对于一个多变量问题，采用操纵自变量、控制无关变量和检测应变量的方法，把多变量问题转换为单变量问题，对多个变量分别加以研究，最后综合分析解决问题。控制变量推理是中学物理一种非常重要的思想方法，不仅用于实验探索和研究之中（比如“探究加速度与力、质量的关系”），而且其在理论分析问题、解决问题中也大有用处。利用控制变量推理的核心思维过程：第一步是逐个分析每个变量对结果的影响；第二步是改变自变量，控制其他变量不变，观察其对结果的影响。重复以上方法，检测其他变量对结果的影响；第三步是综合分析推断各个变量对结果的影响，得出结论。

例 2012全国统一高考物理试卷（新课标I）——选择题第7题

如图2所示，一载流长直导线和一矩形导线框固定在同一平面内，线框在长直导线右侧，且其长边与长直导线平行。已知在t=0到t=t1的时间间隔内，长直导线中电流i随时间变化，使线框中感应电流总是沿顺时针方向；线框受到的安培力的合力先水平向左、后水平向右。图中箭头表示电流i的正方向，则i随时间t变化的图线可能是（ ）

点评 运用控制变量推理，分别讨论原磁场是减弱的以及原磁场是增强的这两种情况，再综合题意分析得到结论。

1.2.4 组合推理

组合推理是指在同一时间内对一系列不同的变量进行推理，能够测定一系列变量中的一个或全部变量的结果，也能测定变量的某种组合的结果。[9]组合推理的核心思维过程：第一步是根据呈现的多个单一的科学事实以及一些隐含条件，分别推理得到多个单一的结论；第二步是深入分析，把一个或多个单一结论组合成一个整体得到新的推理结论，最终解决问题。

例 2015全国统一高考物理试卷（新课标I）——第7题

如图3（a），一物块在t=0时刻滑上一固定斜面，其运动的v-t图线如图3（b）所示，若重力加速度及图中的v0、v、t均为已知量，则可求出（ ）

A.斜面的倾角

B.物块的质量

C.物块与斜面间的动摩擦因数

D.物块沿斜面向上滑行的最大高度

点评 将上升和下降过程组合起来进行推理分析，可同时求解斜面倾角和动摩擦因数。

2 考查科学推理能力的高考物理试题的统计结果及分析

2.1 考查科学推理能力的高考物理试题的统计结果

本文以2012—2016年全国统一高考物理试卷（新课标I）为例，分析其对学生守恒推理、比例推理、控制变量推理和组合推理这四种子推理的考查分布情况，如表1。（选择题：第1题—第8题，每题6分；非选择题：第9题—第12题为必考题，第13题—第18题为选考题。）

高考物理中各种考查科学推理能力的试题，一般都是各种子推理类型的综合应用。比如，2014第3题既考查比例推理能力又考查组合推理能力。而有些试题只需学生回忆高中学习的概念、公式等即可解决，不需要使用科学推理能力或使用的不是以上列出的这四种子推理类型。因而，有些题目的题号出现在多个空格中，有些题目的题号从未出现在以上空格内。

高考物理中极少关注概率推理和相关推理的考查，并且本文的研究也证实了这个观点。因而，本文只分析高考物理试题对学生守恒推理、比例推理、控制变量推理和组合推理这四种子推理的考查情况。

2.2 考查科学推理能力的高考物理试题的统计分析

根据表1的数据，利用Excel进行数据分析，得到如图4所示结果。

图4（横坐标为年份，纵坐标为子推理的题数）非常直观地显示出2012—2016年四个子推理（守恒推理、比例推理、控制变量推理和组合推理）的考查分布情况。整体上来说，除组合推理的考查题数有增加的趋势外，其他三个子推理的考查题数基本稳定。

组合推理的考查题数相对最多，且有增加的趋势。这个结论是较好理解的，组合推理是在同一时间内求解一系列不同变量的结果或测定变量某种组合的结果，对学生的科学推理能力要求较高，一般出现在物理大题或压轴题的考查中，学生需综合考虑多个科学事实或物理过程，进一步深入分析求解。由此可见，培养学生在复杂情境中多角度、多方面地观察和分析问题，是中学物理教学的重点也是难点。

其次，是守恒推理和比例推理，且两者的考查题数基本相当。守恒推理要求学生能够透过事物现象看问题本质，抓住研究对象在变化过程中的守恒量或关系来建立守恒关系，巧妙求解。很多物理问题都具有一定的相似性，学生需运用比例推理分析它们之间的联系，并运用相关知识建立一定的比例关系来解决问题，由此及彼，快速求解。利用守恒和比例推理来分析和解决问题，是中学物理教学的一个重要部分，是学生需掌握的一种重要推理能力，因此在高考物理的考查中占据相对较多的比重。

控制变量推理的考查题数最少，2014年甚至没有。这个结论虽在意料之外，却也是情理之中的，控制变量推理在中学物理中主要应用于实验探究中，在问题的理论分析和解决中的应用较少。由于操作不便，难以在高考物理试题中考查学生的控制变量推理能力，命题研究者可加强相关研究采用不同的题型或方式以达到有效考查学生的控制变量推理能力。

3 结 语

培养和发展学生的科学思维是中学物理的重要教学目标之一。科学推理作为科学思维的核心要素，在高考物理中有必要、且必须要有效地考查学生的科学推理能力。一是检验学生是否达到培养目标以及达到何种水平，二是为中学生进入高校进行更高水平的学习提供一个选拔参照。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2012.

[2][4]Zimmerman， C. The Development of Scientific Reasoning Skills[J]. Developmental Review， 2000（20）：99-149.

[3]严文法，胡卫平.国外青少年科学推理能力研究综述[J].外国中小学教育，2009（5）：23-28.

[5][7]胡卫平，韩琴，严文法. 科学课程与教学论研究[M].北京：高等教育出版社， 2007.

[8]杨蓉.4～6岁儿童解决比例推理问题特点及其影响因素的实验研究[D].重庆：西南师范大学硕士学位论文，2003.

[9]陈海深.中小学生组合推理能力发展的初步研究[D].桂林：广西师范大学硕士学位论文，2008.

（栏目编辑 陈 洁）endprint