高中学生科学推理能力发展水平的诊断与分析

魏欣 高杰

一、问题提出

1.课标中科学思维的界定及学业质量水平划分

科学思维是物理学科核心素养的重要方面，是从物理视角对客观事物的本质属性、 内在规律及相互关系的认识方式； 是基于经验事实构建理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用； 是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判、进行修正和检验，进而提出创造性见解的能力和品格。 科学思维主要包括模型构建、科学推理、科学论证和质疑创新[1]。

推理思维的基本形式之一， 是根据一个或几个已知的判断得出新判断的过程。 科学推理是运用科学思维方法， 从定性和定量两个方面对相关问题进行推理、找出规律、形成结论[2]。科学推理是科学思维的重要体现，其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、 组合推理、概率推理、相关推理、因果推理等推理形式[3]。 科学推理的发展水平， 在很大程度上反应了科学思维的水平。

在《普通高中物理课程标准（2017 年版2020 年修订）》中，依据问题情境的复杂程度、知识和技能的结构化程度、思维方式的综合化程度，对学生解决问题的关键特征进行了描述， 将核心素养划分为5 个等级。其中，对科学推理的水平划分及描述如表1 所示下：

表1 科学推理学业质量水平描述[4]

经过高中物理学习以后， 学生的科学推理发展到了什么水平？ 在科学推理能力的发展上还有哪些不足？ 这需要全面科学地评价学生的科学推理能力的发展水平，进而进行相应的分析。 研究表明，科学推理能力的发展水平与教师采用的教学模式相关[5]，这就需要在对学生科学推理能力发展水平进行分析的基础上，确定改进教学的方向，不断完善教学方式和教学策略，从而促进学生核心素养的提升。

《普通高中物理课程标准（2017 年版2020 年修订）》在各模块的教学要求中，也强调了要求学生能够通过运用科学思维方法， 从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、 找出规律、 形成结论。与此要求相一致， 高考同样强调了对科学思维能力的考查，2020 年天津市普通高中学业水平等级性考试物理试题突出考查了科学思维素养。

表2 全市不同水平组考生核心素养得分率

从表中的数据可以看出， 考查科学思维的试题在试卷中占据了很大的比例， 因此考生的全卷分数从一定程度上反映了科学思维的发展状况。另外，对于全体考生而言， 科学思维素养的得分率低于物理观念素养和科学探究素养， 因此分析考生在科学思维素养的发展水平有利于判断其在学科核心素养上的发展差异。对于各群体考生而言，科学思维素养不同群体得分率的差异性大于物理观念素养和科学探究素养，因此分析造成这种差异的深层原因，将有利于核心素养在教学中的落地。

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切入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。 本研究以2020年天津市普通高中学业水平等级性考试物理试卷（以下简称“2020 年高考物理试卷天津卷”）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科学推理要素的发展状况， 力求为教学中如何提升学生的科学推理能力提供有效的策略。

由于目前的等级性考试中， 物理卷中大部分试题的解答思路基本上比较单一， 解决问题所需调动的知识和能力明确， 运用的科学推理方式清晰，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科学推理过程， 找出考生在科学推理能力上的优势和不足， 进而提出改进教学的建议。

二、研究方法

2020 年天津高考采用新高考6 选3 模式，3 科等级性考试采用等级赋分制， 针对这一变化，对2020 年评价数据进行了技术性调整。 评价对象改为普通高中应届考生， 对选考科目试卷的试题进行了抽样，数据报告中不再提供绝对人数统计，改为人数百分比。 另外， 在高考评价数据中删除了2 道试题（第2 题和第7 题）， 因此物理学科评价数据的试题满分为90 分。

1. 考生表现水平的划分和临界分数的确定

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。 依据课程标准中提供的学业质量水平描述，采用安戈夫方法，并结合2020 年考试学生分数段的分布情况，参考历届试题的的得分情况，最终确定了不同水平组的临界分数。

表3 2020 年考生水平表现的临界分数

图1 2020 年考生各水平组所占比例

2. 对考查科学推理能力试题分析的基本思路

对试题本身进行准确的分析， 可以更为清晰地认识考生的能力水平。在课标中，水平4 和水平5 要求的都是面对综合性的物理问题，只是水平5 更强调陌生的新情景。水平2 和水平3 都是针对常见的不太复杂的物理问题，只是后者要求相对更高一些。 本研究所选择的典型例题，均按照解决问题过程中学生进行的思维过程与表1 中的科学推理质量水平描述进行对照，从而对试题进行了分类。 除上述分类之外，笔者还从实践角度出发，从推理过程需要的思维方式和需要调动的推理方法两个层面对试题进行分析。

3. 分析学生推理能力发展水平的基本思路

对学生推理能力发展水平进行诊断和分析主要从下面几个方面进行：

（1） 从试卷中找出重点考查科学推理能力的典型例题进行分析， 从中发现学生推理能力发展的水平及深层原因。

（2）选择题主要依据各选项需要进行的科学推理过程，对科学推理的思维水平、思维方法进行分析，并结合不同水平学生在得分率及错选比例上的区别分析不同水平组学生科学推理质量的差异。

（3）计算题除了分析不同水平组学生得分率的差异， 还通过抽样其答题的具体情况及典型作答表现进行分析，找出数据结果的进一步证据。

（4）除了对所选取的典型例题按不同水平组的得分结果进行定量的统计， 也从形成结果的过程和原因进行分析。 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调查， 共收集考生问卷797 份，教师问卷101 份，并组织了线上的考生和教师座谈会， 详细整理了教师对试题的看法和考生的答题感受， 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。

三、研究结果

对考生科学推理能力的表现水平分析， 是结合考生科学思维实测数据及科学推理能力的典型案例进行的分析。

1. 典型例题分析

例1：2020 年高考物理天津卷第3 题

3． 新冠肺炎疫情突发，中华儿女风雨同舟、守望相助，筑起了抗击疫情的巍峨长城。志愿者用非接触式体温测量仪，通过人体辐射的红外线测量体温，防控人员用紫外线灯在无人的环境下消杀病毒，为人民健康保驾护航。红外线和紫外线相比较

A． 红外线的光子能量比紫外线的大

B． 真空中红外线的波长比紫外线的长

C． 真空中红外线的传播速度比紫外线的大

D． 红外线能发生偏振现象，而紫外线不能

表4 2020 年不同水平组考生第3 题选项分析表满分：5.0 难度：易 知识范畴：光学 核心素养：物理观念

本题以抗疫中使用的红外测温仪为背景，考查红外线和紫外线的对比，四个选项侧重于不同的方面，正确作答需要知道光学的基本知识并进行科学推理。 本题属于水平2，重点考查物理观念，即解决本题的基础是要了解红外线和紫外线的基本光学特性，从光学特性这一物理学视角来分析问题。 但是在作答过程中，仍需要一定的科学推理，如：要通过红外线和紫外线的速度、波长、波速的关系来得出选项B， 要通过光子能量表达式判断选项A，等等。 在这个过程中，主要用到的思维方式有比较和分类，比较体现在通过物理量间的关系对所设问的紫外线和红外线的特点进行定性判断，A、B、C 选项的判断属于这类推理。 而选项D 的判断由于教材没有明确红外线和紫外线的偏振特性， 需要学生根据其都属于电磁波， 而电磁波具有偏振特性来进行判断，因此属于分类。 错选A 选项的原因是对“光子能量”这一说法未能和表达式建立联系；错选C 选项是因为没有注意前提是“真空中”，误当作介质中的速度进行推理； 错选D 选项是没有意识到红外线和紫外线都属于电磁波，具有电磁波的偏振特性。

从学生的作答情况可以看出，本题G3 和G4 组的学生得分率较高，而G1、G2 组学生的得分率出现下降，尤其是G1 组学生，下降明显。细致分析这两个组学生错误选项的分布情况则可以看出，G1 组学生错选C 选项的比例最高，G2 组学生错选A 选项的比例最高，说明G1 组学生在推理过程中，由于知识掌握不清，导致对推理的条件考虑不充分，出现推理错误；而G2 组学生在推理过程中，更容易受物理观念建立不充分的影响。

学生座谈和学生问卷结果表明， 部分学习困难的学生因问题情境中对红外线和紫外线应用特性的描述，干扰了其对于选项的判断。 说明情境的出现，在一定程度上影响了推理的正确性。

例2：2020 年高考物理天津卷第5 题

5． 水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门M 打开，水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体

A． 压强变大

B． 对外界做功

C． 对外界放热

D． 分子平均动能变大

表5 2020 年不同水平组考生第5 题选项分析表满分：5.0 难度：易 知识范畴：热学 核心素养：科学思维

此题是自2003 年以来热学内容第一次在天津卷中出现。本题以玩具水枪为分析对象，分析喷出水的过程中各热学物理量的变化。正确作答此题，需要牢牢抓住在喷出水的过程中， 封闭气体的体积增大这个特点， 再结合题中所给的温度不变这个条件进行判断。

本题属于水平2，用到的推理方法主要是分析和比较，即通过比较喷出水前后气体状态的变化情况，运用气体状态方程分析温度、 体积、 压强之间的关系，再结合热力学定律判断吸、放热情况。 从推理思维的层级上来讲，D 选项最基础，只要知道温度是分子平均动能的标志即可；B 选项其次，需要将“喷出水”和“体积增大”建立联系；A、C 略复杂一点，需要根据气体状态方程和热力学定律进行判断。

从学生作答情况来看， 本题G3 和G4 组的学生得分率较高，而G1、G2 组学生的得分率出现下降，尤其是G1 组学生， 下降明显。 其中，G2 组学生错选A的比例最高，G1 组学生错选比例最高的是推理思维层级最低的D 选项，这说明：对于G1 组学生而言，由于知识的漏洞较多，造成知识体系不完整，这一因素对解决问题的影响超过了推理思维难度层级的影响；G2 组学生的知识掌握要优于G1 组学生，因此推理思维难度层级的影响比较明显。

例3：2020 年高考物理天津卷第8 题

8． 复兴号动车在世界上首次实现速度350 km/h自动驾驶功能，成为我国高铁自主创新的又一重大标志性成果。一列质量为m的动车，初速度为v0，以恒定功率P在平直轨道上运动，经时间t达到该功率下的最大速度vm，设动车行驶过程所受到的阻力F保持不变。动车在时间t内

A． 做匀加速直线运动

B． 加速度逐渐减小

C． 牵引力的功率P=Fvm

表6 2020 年不同水平组考生第8 题选项分析表满分：5.0 难度：中等 知识范畴：力学 核心素养：科学思维

本题以复兴号动车为命题背景， 以分析力学问题的两大基本思路为设问角度， 选项涉及力、 加速度、速度、功率、功、动能等多个物理量及其之间所满足的规律， 其中对于动车达到最大速度这一状态的分析则由定性分析上升到定量分析。 错选A 选项是由于没有注意到加速度是由合力决定的， 尽管阻力恒定，但牵引力是变力；错选D 选项是对动能定理中动能变化等于合力的功这一点理解不到位， 或是在分析合力功的时候漏掉了阻力的功。 本题属于水平3， 推理过程中运用到的思维方式有分析与综合、比较，用到的推理形式有相关推理和因果推理。

从学生的作答情况来看，4 个水平组的学生得分率均存在明显差异，尤其是G2 和G3 组学生之间的差异更为明显。G1 组学生错选比例最高的是A 和D选项，G2 组和G3 组出现最多的错误均是少选C 项，但G2 组少选C 项的比例要远高于G3 组， 同时G2组错选A 和D 及少选B 的比例也比较高。 这说明，对于G1 组的同学来说，基本概念和规律的掌握不扎实、漏洞较多仍然是影响推理正确性的重要因素；而对于G2 组的学生来说，对物理现象的认识不全面导致推理的思维过程难以上升到更高层级是影响推理质量的重要因素。

另外， 由于该题全面考查了动车启动这一过程中的多方面规律， 很多学生也反映由于不同的概念和规律出现在一道题中，相互干扰，导致出现了思维的混乱。

例4：2020 年高考物理天津卷第11 题

11. 长为l的轻绳上端固定，下端系着质量为m1的小球A，处于静止状态。A受到一个水平瞬时冲量后在竖直平面内做圆周运动，恰好能通过圆周轨迹的最高点。当A回到最低点时，质量为m2的小球B与之迎面正碰，碰后A、B粘在一起，仍做圆周运动，并能通过圆周轨迹的最高点。不计空气阻力，重力加速度为g，求

（1）A受到的水平瞬时冲量I的大小；

（2）碰撞前瞬间B的动能Ek至少多大？

表7 2020 年不同水平组考生第11 题各问得分率

本题涉及多段物理过程， 并且涉及外力对A 球的作用、A 球与B 球之间的相互作用，考查的规律包括：竖直方向圆周运动通过最高点的临界条件、动量定理、机械能守恒定律、动量守恒定律等，是一道较为综合的力学计算题。 本题属于水平4，在解题过程中用到的思维方式较多，主要是分析综合，体现在需要将整个过程拆分成小过程进行分析， 再将小过程联系起来发现各段过程之间的联系， 用到的推理形式主要是相关推理和因果推理。 本题的推理难点有两个：一是两问的设问都属于“由果索因”，即给出运动过程的结果“通过最高点”，求导致这种结果的原因“瞬间冲量”和“B 球的初动能”，这与很多学生所习惯的按照时间顺序逐步求解的推理顺序不一致；二是对A、B 球碰撞过程应用动量守恒定律时，需要首先判断共同速度的方向， 这就需要学生不仅要有这种判断的意识， 还要具有通过分析碰撞发生的本质来进行判断的能力。

从各组学生的得分率对比可以发现如下规律：首先， 全体考生的得分在第一问和第二问之间有明显差异； 其次，G2 组和G3 组考生之间、G3 组和G4组考生之间的差异都较为明显；另外，G2 组和G3 组之间的差异在第一问上更为突出，而G3 组和G4 组之间的差异在第二问上更为突出。 分析第一问和第二问的推理过程， 第一问涉及的瞬时冲量和A 球上摆到最高点的物理过程是学生较为熟悉的， 用到的物理规律较为简单； 而第二问不仅涉及到的规律较多，而且物理过程不像第一问那么清晰，有些过程需要通过先通过定性推理判断之后，才能正确运用有关定律进行定量求解， 因此第二问对推理能力的要求更高。

通过对比不同水平组学生第一问答题的具体情况可以发现， 在第一问中，G2 组的学生出现规律应用不全或应用混乱的现象， 这与对物理过程分析不清、物理规律内涵掌握不牢、不适应由果索因的推理思路都有关系。而分析G3 组学生的试卷可以看到，大多数学生在物理过程的分析和物理规律的应用方面思路清晰， 但在一些细节分析上出现错误， 例如表8中的这位考生，对“瞬间冲量”的作用发生在哪一阶段的分析不清。 G4 组考生在第一问的解答中，不仅思路清晰，而且书写规范，推理过程清晰、准确。

表8 同水平组第11-1 题典型作答示例

表9 不同水平组第11-2 题典型作答示例

对比第二问的答题情况可以看到，G2 组同学仍然是由于规律掌握不到位， 造成动量守恒定律应用列式错误，而且规律应用不全。 G3 组同学规律的基本形式书写规范正确， 但是未考虑动量守恒的矢量性， 并且对碰撞过程的动量规律和能量规律出现混淆。G4 组同学能够很好地处理上述问题， 而且在解题过程中， 对每一个规律都注明了其对应的物理过程和规律的名称，充分体现了推理的逻辑性和准确性（见表9）。

2. 综合分析

对典型例题进行分析整理归纳可以发现， 学生的科学推理能力发展水平受多方面因素的影响，呈现下列规律：

（1）物理观念建立不完善，概念和规律内化不充分，会影响科学推理能力的发展；

（2）科学思维的其它要素中，模型建构能力对科学推理能力的影响最为明显；

（3）情境也是影响推理质量的重要因素，情境所呈现的内容与题设问题的相关性及情境的复杂程度都对推理水平的表现产生影响；

（4）不同水平的学生，影响科学推理质量的主要因素不同，G1 组和G2 组学生主要是规律本身掌握不扎实造成推理错误，而G3 组的学生则主要是因为复杂情境或考查角度的多样， 导致推理的环节无法细致准确。

四、教学建议

1. 从起始年级开始循序渐进培养科学推理能力

物理学科的学习特点要求学生进行较为复杂的逻辑推理，对学生的推理能力提出了较高的要求，而推理能力的形成不是一蹴而就的， 需要长期的系统培养。 而科学推理能力往往又与科学思维的模型建构等要素以及物理观念的形成有着重要的联系，这就更需要在概念和规律的建立之初， 让学生对概念的建立过程及规律的内涵、 应用条件等有充分的学习体验， 这样才能使得这些概念和规律在学生的头脑中完成提炼和升华的过程， 才能在运用这些概念和规律进行科学推理来解决具体问题时运用自如。

因此，提高科学推理能力，需要在起始年级的物理教学中，注意以下问题：

（1）要注重教学的基础性，避免教学内容过难，在教学的不同阶段制定不同的科学推理能力培养目标，逐步推进，在关键概念和规律的教学中尤其如此；

（2）充分了解学生的学习基础，了解学生在初中的物理学习习惯和学习方法，找到初、高中在科学思维方式方法上的跨越点，帮助学生实现初、高中的平稳过渡；

（3）对于高中学习之初学生出现的问题，要及时加以纠正。例如：学生习惯用生活俗语和生活经验来分析物理现象，无法用物理方法进行思考等问题。

（4）重视知识的输出，单纯的知识输入无法提升学生的科学推理能力， 学生只有进入知识加工的状态，才能真正提升能力。

2. 引导学生关注生活实践，关注科技发展

素质教育的目的在于培养徳智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。 因此，在知识、能力和素养的教育培养中， 应引导学生关注与国家经济社会发展、科学技术进步、生产生活实际等紧密相关的内容，避免理论学习与实践应用脱节，培养学生用物理学视角看问题的意识， 并在教学中让学生体验运用所学知识解释现象、解决实际问题的过程，让学生充分感受到课堂所学内容中蕴含的应用价值。

另外，高考评价体系明确指出，应用性是重要的考查要求，这就要求以贴近时代、贴近社会、贴近学生的生活实践或学习探索问题情境做为重要的考查载体。 这一要求的提出，相信会使今后的高考试卷中出现更多的情境类试题来考查学生物理核心素养的发展情况，这一点需要引起一线教师的高度重视。

3. 通过基于大概念的整体教学提升复习效果

在前面的分析中可以看出，对于G1 和G2 组学生，知识和方法掌握不全、漏洞多是影响科学推理能力的重要因素；G3 组学生在面对复杂推理时， 也会出现概念和规律细节掌握不牢而产生混淆， 使推理的环节出现错误。 这个问题单纯通过简单的重复练习无法解决，单纯的机械化训练反而会造成学生进入“套路化”的思维模式，推理能力进一步下降。 解决这一问题的路径有两个：一是改变怎么教，即创新教学策略，组织形式多样的学习活动等；二是改变教什么，即改变知识呈现的结构，设计教学内容的组织方式。

新课改强调大概念教学、单元学习，在新课教学中， 大概念教学主要体现在从学习进阶的角度对概念内涵和外延进行理解和掌握， 而在复习课上主要指将大概念作为复习的统领， 打破章节的界限来进行复习知识的整合。 这样可以最大限度地避免知识的碎片化，有助于形成知识的网络，建立知识之间的联系， 使学生始终清楚所复习的内容在大的学科框架中的位置以及其与其它内容之间的联系， 从而减少知识的混淆和遗忘。

例如， 可以打破章节所限制的先机械能再电能的顺序，以能量这个大概念作为复习主题，串联力、电、热、光、原子等部分的知识，从能量转化和守恒的观点来分析这些物理现象， 使学生不仅熟悉这些知识， 还对能量这一分析物理问题的基本推理方法逐步推进、层层深入。

再比如， 可以以某一类物理过程为大概念作为复习的主题，例如变加速直线运动，完整复习这类物理过程中力、加速度、速度等基本物理概念及其之间的关系所满足的规律，进而能够进行正确的推理，从不同的角度全面复习一类物理过程的规律， 是进行大概念教学的又一途径。

4. 重视知识本质的学习，避免套路化训练

学科素养是必备品格和关键能力， 而品格和能力只有内化，才能真正用来解决问题。该怎样达成内化呢？ 其中一条重要的原则就是注重学科本质的教育，避免将方法和能力误当作知识教给学生，也就是说，不能仅仅让学生记住结论，还要求学生理解这个结论的得出过程及应用条件。在历年的高考试题中，都突出了对知识本质的考查。 例如，2013 年高考物理天津卷第2 题考查的是一个碰撞过程，题目如下：

我国女子短道速滑队在今年世锦赛上实现女子3000m 接力三连冠。观察发现，“接棒”的运动员甲提前站在“交棒”的运动员乙前面，并且开始向前滑行，待乙追上甲时，乙猛推甲一把，使甲获得更大的速度向前冲出。在乙推甲的过程中，忽略运动员与冰面之间在水平方向上的相互作用，则（ ）

A． 甲对乙的冲量一定等于乙对甲的冲量

B． 甲、乙的动量变化一定大小相等方向相反

C． 甲的动能增加量一定等于乙的动能减少量

D． 甲对乙做多少负功，乙对甲就一定做多少正功

此题考查了碰撞过程中冲量、动量、功、动能这几个基本物理量的特点及其相互关系， 只要求定性判断，并不要求定量计算，而此题的得分率明显低于考查碰撞过程定量计算的试题。究其原因，是因为学生习惯了对碰撞这一过程的套路化计算， 不去思考碰撞过程的本质规律，只是机械地用公式计算结果，这不是真正的科学推理， 这样的训练也无法形成真正的能力。

要让学生形成真正的能力， 就要带领学生来讨论一系列的问题：碰撞这样一个物理过程的发生，两个物体中间的相互作用到底产生了哪些结果？ 涉及到哪些物理量？它们之间的相互关系又是什么？从理论的角度如何解释合力为零的条件下系统的动量守恒？两个物体的能量和系统的能量是否发生变化？符合什么规律？这些问题在新授课中是重点和难点，在复习过程中需要帮助学生通过思考深刻理解， 在关键问题上可以组织学生开展讨论、 发表见解并提供论据的支持， 让学生在科学推理论证的过程中弄清知识的本质规律。