基于物理学科关键能力的高考物理试题分析——以2019—2023年全国高考乙卷为例

郭芳侠 冯 豪 杨 卓

(陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西 西安 710119)

近年来,学科能力是核心素养重要的组成部分.对于学科能力的含义不同的研究者有不同的观点.林崇德认为学科能力有3种含义：一是学生掌握某学科的一般能力;二是学生在学习某学科时的智力活动及其有关的智力与能力的成分;三是学生学习某学科的学习能力、学习策略与学习方法.[1]王磊认为学科能力是指学生顺利进行相应学科的认识活动和问题解决活动所必需的、稳定的心理调节机制.[2]《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》指出要培养学生核心素养,增强科学探究和解决实际问题的能力,要求学生养成物理学科核心素养.[3]高考不仅为高等院校选拔人才,同时也会引领中学物理教学,具有导向作用,[4]高考试题的细微变化,都会直接影响物理教学.对于高考试题的深度分析,为高考试题的研发提供参考,从而更好地为国家选拔人才,同时揭示高考试题的变化趋势.课程标准要求教育要聚焦学生核心素养发展的视域,究其根本是要让能力的发展落实到各学科之中.在以往研究中,邢红军提出观察实验、推理运算、迁移创新等在内的物理学科能力内涵.[5]郭玉英根据北京师范大学学科教育团队提出的学习理解、应用实践、迁移创新的学科能力提出物理学科能力的理论框架.[6]沈正杰从PISA科学素养的视角出发,探讨提升学生的物理学科能力的方法.[7]基于学科能力对高考试题的分析分为横向分析和纵向分析.沈文炳从物理学科能力的维度和能力水平出发,分析2017年全国新课标Ⅰ卷;[8]王宏博运用物理学科关键能力框架定性和定量分析2017—2018年全国卷和北京卷8套高考物理试题的能力考查现状,并提出高考试题命制建议;[9]姜楠基于物理学科能力表现框架对2018年全国卷和江苏卷考查的能力维度和能力水平进行比较研究;[10]孙瑜以化学学科能力模型为依据,分析2008—2020年江苏高考化学试题学科能力要求,得出江苏高考试题的变化趋势;[11]李淇淇基于核心素养的物理学科关键能力视角定量分析高考改革前后2019—2021年的全国不同地区高考物理试题.[12]此外还有针对物理学科能力中具体能力的研究,例如发展学生的建模意识与能力、[13]思维能力[14]等.因此本文运用郭玉英教授提出的物理学科能力表现的理论框架,对近5年全国高考乙卷物理试题进行纵向对比分析,剖析试题内在的物理学科能力表现,从而揭示试题的变化趋势.

1 物理学科能力表现框架

物理学科能力的定义多种多样,通常认为物理学科能力是复合性能力,科学思维、实验探究、解释论证等是共同要素,既包含物理学自身的特殊能力,如物理思想、实验能力等,又囊括与其他学科共有的能力,如记忆、概括、创新等.

郭玉英教授提出的物理学科能力是目前广泛接受的理论,该理论聚焦关键能力的发展,提出三维、九级的物理学科能力体系.三维是指学习理解、应用实践、迁移创新,同时每个维度下设3个二级指标,将学生的学科能力表现划分为9个等级,从A1到C3能力层级逐步提高.[15]其主体内容如图1所示.

图1 物理学科能力表现框架

学习理解、应用实践和迁移创新三者相互关联又较为独立,学习理解能力和应用实践能力是其中较为基础的能力,迁移创新能力属于较高层次的能力,对学生有更高的要求.该理论囊括了物理学科的关键能力,能够较为全面和准确地评价试题考查的物理学科能力.

学习理解是指学生成功实现对物理知识输入、建构、整合活动的能力.在学习活动中具体表现为是否能够对知识进行记忆与提取、分辨与确认、关联和归纳等活动.应用实践是指学生应用已有的物理概念和规律,对物理事实与过程进行解释,分析熟悉情景中的物理问题,调用认知结构中的相关物理知识,实现问题的解决,属于对知识简单地输出与加工的能力.迁移创新能力是学生物理学科能力的高层次表现,指学生以物理知识和物理方法为基础,对陌生和不确定性问题的解决以及发现新知识的能力,包括建立迁移、复杂推理和科学实践能力,是一种高层次的知识输出,属于物理学科能力中的最高表现.本研究选取的对象是高考试题,且试题的能力等级区分不明显.为了便于分析,对原始框架进行了一定的修订,主要是将二级指标的定义进行说明解释,以期能够贴合本研究的实际,如表1所示.

2 研究过程

2.1 研究对象

以物理学科能力表现理论为基础,确定物理学科能力表现框架,选取2019—2023年全国Ⅰ卷(2021年改为全国乙卷,以下都简称全国乙卷)物理试题为研究对象,分析试题表现出的物理学科关键能力的分布及其趋势和特点.

2.2 分析方法

首先依据学科能力框架的9个二级指标对所有试题进行分析判定,归属到相应的能力层次.统计试题考查的各个学科子能力的占比,即将该试卷中涉及该能力试题的分数除以总分数,其中试题的分值按照试卷的分值,以题目为基准进行计算.物理高考总分是110分,由于选修3-3和选修3-4是选其一作答,为了便于进行分值的统计,两道题都进行统计分析,所以试卷满分按照125分计算.若考查“A1”能力的试题分值为25分,则其占比为20%,其他类似.再按照学科能力一级维度进行所占比例统计.其次按照知识模块归类分析,以此比较各年份高考试题中学科能力的表现情况,最后通过能力表现系数比较各年试卷的总体学科能力水平情况,以期为教师培养学生物理学科能力提供参考.

表1 物理学科能力表现框架说明

下面以一道题为例简要说明上述能力指标在物理试题分析中的应用.

图2 黑箱

例1.(2023年全国乙卷20题)黑箱外有编号为1、2、3、4的4个接线柱(图2),接线柱1和2、2和3、3和4之间各接有一个电阻,在接线柱间还接有另外一个电阻R和一个直流电源.测得接线柱之间的电压U12=3.0 V,U23=2.5 V,U34=-1.5 V.符合上述测量结果的可能接法是

(A) 电源接在1、4之间,R接在1、3之间.

(B) 电源接在1、4之间,R接在2、4之间.

(C) 电源接在1、3之间,R接在1、4之间.

(D) 电源接在1、3之间,R接在2、4之间.

分析：本题以黑箱为问题情境,以将陌生情境问题与电学知识进行关联为载体.基于问题信息和电路内容对电路图进行推导判断,根据选项推导电路图,再与题中信息进行验证,从而解决此题,因此本题属于直觉联想.

2.3 试题学科能力表现系数的定义

为了整体比较各年份试题的物理学科能力表现,定义一种适合本研究的试题学科能力整体表现系数,进行简单量化.由于学科能力的9个二级子能力水平是逐级进阶的,因而对其由低到高进行赋值,A1、 A2、A3、B1、 B2、B3、C1、C2、C3分别赋值1、2…8、9, 再将每一子能力赋的分值与其相应的分数占比相乘并求和,即可得到试卷的学科能力表现系数,能够大致从宏观上反映不同年份试题表现的学科能力的相对高低.其具体表示为

其中P表示高考物理试卷的学科能力表现系数,i表示某一个二级学科能力的赋值,ni为该二级能力等级的试题在试卷中的占比.

2.4 物理学科能力表现指标的评分者信度检验

为确保对试题的学科能力表现指标评价的客观性,采用肯德尔和谐系数对评分者信度进行验证.若相关系数在0.8以上,则评分者信度较高.以2021年全国甲卷高考物理试题(共28题)为例,根据表1中的物理学科能力评价框架对两名学生进行培训,然后独立地对试题进行逐一划分、评价,3位评价者记为a、b、c,运用SPSS软件对结果进行信度检验.肯德尔和谐系数W=0.829,因此信度较高.

3 研究结果分析

3.1 学科能力一级指标的考查情况分析

按照学习理解、应用实践、迁移创新3个维度对2019—2023年高考物理试题进行学科能力等级划分,并统计对应分值并计算其占比,结果如表2所示.

表2 试题按一级指标的分值分布情况

根据表格中的数据,以占比为纵轴,年份为横轴,绘制各物理学科能力占比的统计直方图,如图3所示.

图3 2019—2023年试题的物理学科能力占比比较

图3显示,在2019年至2023年的全国乙卷物理试题中,总体呈现的特征是对应用实践(B)能力的考查占比始终最高,平均占比达51.52%;其次对迁移创新(C)能力的考查平均占比在32.48%;对学习理解能力(A)的考查最少,平均占比为16%.从趋势上看,应用实践能力考查的比例呈现U型,而对迁移创新能力的考查比例呈现倒U型.其中2021年乙卷试题对学习理解能力、迁移创新能力的考查比例是5年中最高的,对应用实践能力的考查比例则是5年中最低的.2023年乙卷试题对学习理解、应用实践能力考查比例是5年中最高的,对迁移创新能力的考查比例是最低的,对学习理解、应用实践能力考查的总比例占到76%,更加注重考查学生的基础知识和基本应用能力,适当降低了高层次能力试题的占比.课程标准中强调高考物理命题要加强考查学生应用物理学知识综合解决实际问题的能力,强调创新精神和实践能力的考查.高考试题是根据课程标准中的物理学科核心素养和学业质量水平的要求命制的,因此高考试题在能力考查的设计上偏重应用实践能力和迁移创新的考查,因此提示教师在教学过程要注重对学生高层次学科能力的培养.

3.2 学科能力二级指标的考查情况分析

为了更深入地分析试题反应的能力要素情况,按学科能力的各二级能力指标对试题进行分类,并统计分值和比例,结果如表3所示.为了更清晰地呈现变化趋势,绘制如图4所示的折线图.

表3数据和图4表明,在2019年至2023年全国乙卷物理试题中,各二级能力对应的试题分布比例不尽相同.具体分析如下.

表3 试题按二级指标的分值分布情况(%)

图4 2019—2023年试题的

“学习理解”维度下的3个二级指标对应的试题分布,观察记忆(A1)能力属于最低的学科能力层次,每年的占比在3个二级指标中都是最低的.概括论证(A2)和关联整合(A3)表现出波动性,2023年对概括论证(A2)能力考查的比例最高.

“应用实践”(B)维度的3个二级指标在试题中的呈现情况,分析解释(B1)、综合应用(B3)的考查比例相对较高,推论预测(B2)的相对较少且明显地呈现逐年递减趋势,2023年没有相关能力的试题.分析解释能力主要是考查学生从单一情境中提取信息,调用物理概念、规律对其进行分析,从而合理解释物理现象,2023年对分析解释能力的考查大幅提升,达到29.6%,是近5年最高的一年;推论预测能力考查学生在情境中获取信息,进行逻辑推理,通过科学推理对观点进行论证,以2.4%左右的幅度逐年降低;综合应用能力是考查的重点,虽然不同年份综合应用能力试题的占比略有调整,但从2020年起,其占比逐渐增加.2023年相较于前几年对综合应用能力的考查有所增加,达到27.2%.

试题对迁移创新(C)维度下的3个二级指标的考查,除2019年外,其余4年对建构新模型(C3)的考查比例均低于或等于对直觉联想(C1)和迁移与质疑(C2)的考查.直觉联想能力的考查比例在4.8%至13.6%之间有较大的变化,大致呈现倒U型分布,同时可以看到迁移与质疑和建构新模型能力的考查呈现波动变化,幅度在6.4%内.2023年对C1、C2、C3能力的考查比例相等,均为8.0%,相较其他年份都有所下降.

3.3 知识模块考查物理学科能力分析

将高中物理知识划分为力学、热学、光学、电磁学、近代物理5个模块,按照各个模块进行统计,得到2019—2023年全国乙卷物理试题各知识模块对学科能力考查的分布,如表4所示.

续表

根据表4按照各知识模块进行整理,绘制出各年份对不同知识所考查能力的统计图并进行分析,如图5所示.

图5 各模块的物理学科能力统计图

图5表明近5年全国乙卷物理试题对力学模块的考查侧重于应用实践(B)能力,总体来说占比的波动幅度较大,但均多于对学习理解和迁移创新的考查,2023年力学模块对迁移创新的考查最少.对于电磁学模块,重点考查的是应用实践和迁移创新,除2019年外,其他几年二者此起彼伏交替变化,但二者占比和均在33%左右,注重中高阶能力的考查.这是普通高等学校招生全国统一考试大纲(物理)和课程标准对学生的要求的体现.高考大纲对此部分要求是学生能够理解、叙述和解释,并能运用知识对实际问题分析、综合、推理和判断等.课标对此部分知识的要求具有建构物理概念、培养学生的物理观念,注重运用规律知识分析、解释物理现象或过程的能力,重视模型的综合应用与建构能力的发展.由于电磁学知识本身具有较高的抽象性,在教学中应当注意学生对电磁学概念的建构和掌握,并且在掌握的基础上发展学生对电磁学知识的应用实践能力和迁移创新能力,有意识地增加有关方面的训练,以促进学生的能力形成和提升.

对于热学模块,除2023年外,2019—2022年的试卷不涉及学习理解能力,全部集中在应用实践能力和迁移创新能力的考查上,对二者的考查占比呈现出交替变化的特点.但2023年在热学部分增加了对学习理解能力考查,但未涉及应用实践能力的考查.对于热学知识的教学,教师要着力于引导学生对分析方法的学习,立足对原理的应用,并在不断的应用中逐渐进行方法迁移.

对光学知识的考查总体占比很小,并且不是每年都会出现,例如在2020年就没有涉及光学.考查均聚焦于应用实践(B)和迁移创新(C)能力.二者交替或同时出现.符合课标对此部分知识的能力要求,侧重对光学定律的理解和应用,论证光的波动性,提高科学论证能力;在具体情境建立有关模型,实现具体问题的解决.

从图5中可以明显看到,近代物理知识模块的考查历年占比都是最少的,稳定在4.8%.2019—2021年对此模块的考查只涉及学习理解能力,2022—2023年仅限于应用实践能力,近5年从未涉及对迁移创新能力的考查.

综合上述分析,从整体来看可以得到以下结论：力学和电磁学知识模块试题出现的频率、对能力的广度、层次的要求,都明显高于其他知识模块;热学和光学知识模块都几乎没有出现对学习理解能力考查的试题,更偏重高级能力的考查;近代物理知识模块出现的频率最低、所要求的能力层级也最低,没有涉及对迁移创新能力的考查,更多地聚焦于学习理解能力,仅仅考查学生对知识点的理解和记忆.

3.4 试卷能力表现系数比较

根据设计的能力表现系数计算方法,计算近五年试卷的学科能力表现系数表现值并绘图,如图6所示.

从图6中可以看到2019—2022年总体能力表现系数逐年缓慢上升,变化幅度很小,但2023年与前4年相比有所下降,和2022年相比,下降了约10%.主要原因是试题对高阶能力迁移创新的考查比例是近5年中最低的,低于近5年的平均占比约8.5%,而低阶的学习理解的考查比例是历年最高的,高于平均占比约3.2%.

图6 2019—2023年高考试题能力表现系数

4 结论

基于物理学科能力表现框架对2019—2023年全国乙卷进行了全方位深入分析,并引入能力表现系数加以纵向比较,得到以下结论.

(1) 近5年全国乙卷物理试题尤其注重对应用实践能力的考查,平均占比超过一半,具体到二级子能力,主要聚焦在分析解释和综合应用,特别是综合应用,从2020年起,逐年递增.而推论预测这一子能力表现相对较少且呈现明显的逐年递减趋势.位居第二的是迁移创新能力的考查,占到三成多,具体到二级子能力,主要聚焦于迁移与质疑.考查最少的是学习理解.(2) 从变化趋势上看,应用实践能力考查的比例呈现U型,对迁移创新能力的考查比例呈现倒U型.学习理解表现出波动特征,但幅度不大.(3) 2019—2022年全国乙卷物理试题的学科能力表现系数表现为逐年上升,但2023年有所下降.(4) 力学和电磁学模块试题,对学科能力考查更为全面,对学生的学科能力要求也较高.局限于考试时间,试题数量有限,因而对热学、光学、近代物理模块考查的范围和能力层次要求就有所取舍.