科学探究素养的考查途径探析

[摘 要] 2023年天津市初中学业水平考试物理试题力求体现素养立意，发挥评价对教学的正确导向作用，引导教师积极探索基于情境和问题导向的教学方式，引导学生自主、合作、探究学习。以试卷中科学探究类试题为例，明确了对学生猜想与假设、设计实验与制订方案、获取与处理信息、基于证据得出结论并作出解释等探究能力的要求；分析试题对探究方法和过程的考查、对科学探究精神的培养。提出三点教学建议：联系生活，指导学生参与设计实验；以生为本，变演示实验为探究实验；因题制宜，巧用实验化解学生疑惑。

[关键词] 学业水平考试；科学探究；试题设计；教学建议

[中图分类号] G424.74 [文献标识码] A

[文章编号] 1673—1654（2024）02—029—007

一、科学探究能力的要求与试题设计

科学探究是学生构建知识、形成科学概念、领悟科学研究方法的各种活动。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下簡称“《课标》”）中提出：学业水平考试不仅要全面考查物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任，还应注重创设真实的科学探究情境，考查学生基于观察和实验提出物理问题，形成猜想与假设，设计实验与制订方案，获取与处理信息，基于证据得出结论，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力[1]。

2023年天津市初中学业水平考试（物理）试卷（以下简称“试卷”）中的科学探究类试题情境新颖、稳中求变、守正创新，注重考查了学生的学科素养，突出了学科的育人价值，实现了对学生必备品格和关键能力的考查。

（一）考查科学探究方法

科学探究方法包括：观察法、实验法、模型法、类比法、控制变量法、逻辑推理法、归纳和演绎法等。初中物理教材中有许多章节都渗透了科学探究的方法，如用实验法探究凸透镜成像规律、用观察法研究扩散现象等。试卷对科学探究方法的考查更是灵活多样（见表1）。

例如，试卷第13题，通过模型法、实验法和逻辑推理法考查了学生对电学基础知识的理解以及提取信息、分析和处理问题的能力。

13.如图10所示的“电阻测量盒”，内有电源（电压不变且未知）、阻值已知的定值电阻R0、开关和电流表，并引出两根导线到盒外。将盒外的两根导线分别与待测电阻Rx的两端相连，根据开关闭合、断开时电流表的示数，可以算出Rx的阻值。图11是设计的盒内电路图，其中符合要求的是

对于串并联电路特点及欧姆定律，《课标》界定的认知要求是：“理解欧姆定律”[1]。本题以“电阻测量盒”的设计性实验题为蓝本进行改编，以设计“电阻测量盒”内电路为情境，以熟悉的“单电表测电阻”的电路为模型，结合“测量盒”使用时的电路状态，推理出可行的设计电路。题设中的“电阻测量盒”是“单电表测电阻”的其中一种情况，即利用电流表和已知电阻测量未知电阻，主要考查学生对电路的识别、电流表的使用以及对实验结果的演算推理。预估学生在解答本题时可能会出现以下几个问题：①多选题由于灵活性大、干扰性强，漏选现象会比较普遍；②开关闭合、断开两种情况下电路中电阻连接情况判断错误，尤其是B、C、D选项中在开关闭合时均出现了局部短路的情况；③对电流表在开关闭合、断开两种情况下测量哪些用电器的电流判断错误；④对公式运用不够熟练，演算推理出现问题等。本题的设计意图是通过考查学生是否掌握建立模型和逻辑推理的科学探究方法，培养学生对信息的有效性做出判断的意识。

（二）考查科学探究的过程

《课标》中特意把“实验探究”作为一级主题呈现，明确了9个测量类学生必做实验和12个探究类学生必做实验[1]。2023年的试卷中许多试题的考查内容都与实验探究密切相关，所占分值比例达到了57%。其中有6个测量类实验和2个探究类实验是《课标》中要求学生必做的实验，旨在让学生经历实验探究过程，培养学生的实践能力以及创新意识。

试卷中第23题，以冰壶运动为情境，紧紧围绕这一素材设计了“情景—问题—探究—解释—应用”这一个完整的探究过程。试题情境设置单一、思维连贯，从对知识的认知到对知识的应用体现了较好的整体性，同时又人性化地减轻了学生的阅读负担。通过该试题的解答，学生可以真正领悟物理学在解决实际问题中的重要性，体会“从生活走向物理，从物理走向社会”[1]。

23.同学们在观看冰壶比赛时，发现了如下两个现象：

现象一：运动员蹬冰脚的鞋底为橡胶制成，滑行脚的鞋底为塑料制成；

现象二：运动员蹬冰时要用力。

他们认为上述现象与摩擦力的知识有关，于是提出了“滑动摩擦力的大小与什么因素有关”的问题，并进行了如下探究。

【猜想与假设】根据同学们的发现，猜想滑动摩擦力的大小可能与_______和______有关。

【设计并进行实验】

用弹簧测力计水平拉动木块，使它沿水平长木板匀速滑动，测出木块受到的滑动摩擦力。进行了三次实验，如图18所示。

【分析与论证】

（1）甲图中，木块受到的滑动摩擦力为______N；

（2）对比乙、丙两图，可得结论：_____________；

（3）许多情况下摩擦是有用的，人们常常设法增大它。请列举在冰壶运动中增大摩擦的措施，并利用实验结论进行解释。（至少写出一例）__________。

科学探究既是初中物理重要的教学方式，又是学生的学习目标。《课标》明确要求在教学中应该“让学生经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的探究精神、实践能力以及创新意识”[1]。 本题延续了天津市物理学业水平考试对于科学探究考查的一贯命题风格：以实验为载体，以对科学探究要素的考查为立足点，以对探究水平和能力考查为旨趣，多方面考查学生的学科核心素养。

题目遵循“来源于教材，而不拘泥于教材”的原则来命制，“背景素材”和“实验装置”均来自教材，但对探究能力的考查进行了创新设计。背景素材来源于八年级下册P26“动手动脑学物理”中的第3题，由冰壶运动中的两个现象引出要探究的问题，并引发合理的猜想。问题背景与情境的设计具有一定的问题性、真实性和探究性。

本题环环相扣地设置了4个问题：①有意加入了关于“猜想与假设”这一科学探究要素的考查——要求学生根据“冰壶运动员两只脚的鞋底材质不同”“蹬冰时要用力”这两个现象，对要探究问题的可能答案提出猜想，弥补了以往实验探究试题中对“猜想与假设”要素很少考查的情况；②在“分析与论证”环节，通过设问，隐性考查了“设计实验与制订计划”这一探究要素中“尝试选择科学探究方法及所需要的器材”“尝试考虑影响问题的主要因素，有控制变量的意识”这两项科学探究能力的基本要求；③重点考查了测量量的转化法和实验方案中的控制变量法——这两个初中物理实验设计中常用的学科思想方法；④要求学生通过观察实驗条件、比较实验数据，获得问题的初步结论，不仅考查了“能对收集的信息进行简单归类及比较”“尝试对探究结果进行描述和解释”的科学探究能力，而且考查了学生准确表述所得实验结论的能力。

具体分析：第（1）小题让学生通过分析，得出弹簧测力计的示数等于所测的滑动摩擦力的大小，此过程需要严格的推理和论证。在第（3）小题中有意设置了开放性的实践应用问题，在学生认识了影响滑动摩擦力大小的因素后，及时引导学生用探究习得的新知识分析解决生活中的实际问题，强化理论的应用意识，体现了“形成物理观念，解决问题”的物理学科核心素养。因为本题的素材选取和结论运用都是开放性的，需要学生进行分析比较与推理论证，多角度展开思维，所以试题的答案必将呈现多样化，解答这道具有开放意味的探究题，激发了学生的创新意识和探究意识。

该题对今后的物理教学具有很好的引领作用。基于物理核心素养的教学取向，应该做到以知识探究为基础，以能力培养为核心，以实际应用为导向，重视物理知识在真实情境中的学习与应用。因此，教学中要大力引导学生从知识的简单记忆向知识的认识与理解转变，从“解题”向“解决问题”转变，以促进学生综合素质的提升。

（三）培养科学探究精神

科学探究不仅仅是为了追求能力的培养，更重要的是培养学生的探究精神。科学探究精神是创新的源泉，让科学探究精神深入学生心中，随时保持一颗发现科学、探索科学的心，才能发现新事物，才能创造出新的解决方案。

试卷中的第25题先后进行了“实验探究”“理论探究”“理论应用”三个方面的考查，旨在让学生体验科学家从发现问题到解决问题的完整论证过程，以培养学生的科学探究精神。

25.在学习“阿基米德原理”时，可用“实验探究”与“理论探究”两种方式进行研究。请你完成下列任务：

【实验探究】

通过图19所示的实验，探究浮力的大小跟排开液体所受重力的关系。由实验可得结论：________。这就是阿基米德原理。

【理论探究】

第一步：建立模型——选取浸没在液体中的长方体进行研究，如图20所示；

第二步：理论推导——利用浮力产生的原因推导阿基米德原理。

请你写出推导过程。提示：推导过程中所用物理量需要设定（可在图20中标出）。

【原理应用】

水平桌面上有一底面积为S1的柱形平底薄壁容器，内装质量为m的液体。现将一个底面积为S2的金属圆柱体放入液体中，圆柱体静止后直立在容器底且未完全浸没（与容器底接触但不密合），整个过程液体未溢出。金属圆柱体静止时所受浮力F浮=_______。

阿基米德原理是初中物理的一个重要规律，是重要的教学内容。本题设置的情境是学生探究得到阿基米德原理并用于解决问题的完整学习过程。在探究的过程中学生通过思考、实践、探索和应用，培养了求是精神、实证精神、理性精神等科学精神。

物理规律的发现离不开科学探究，而实验探究和理论探究都是科学发现的必要因素，二者相互作用，相辅相成，前者根据实验现象、数据、分析、总结得出结论，后者可检验、验证实验结论的准确性。由于在教学活动中教师往往容易忽略对学生理论探究能力的培养，因此本题除了实验探究还设计了理论探究，旨在还原知识产生的背景，提示不应只重视实验探究能力而忽略了理论推导能力的培养，并引导学生在实验探究得出结论的基础上，验证实验结论的正确性。

本题通过“实验探究→理论推导→实际运用”形成系统的研究方法和理论体系，由易到难层层深入地通过三个层次呈现：

第一问，实验探究，考查学生根据实验数据得出结论的能力。采用实验探究的方式，用四幅图示，让学生通过观察浮力的大小跟排开液体所受重力的关系的实验过程，建立了对阿基米德原理的认知，这部分取材于八年级物理教材下册P54的正文内容。通过实验探究获取物理知识是每个学生必须具备的关键的科学能力和素养，大多数学生在经历初中阶段的学习后具备这样的能力。

第二问，推导计算，考查学生的推理计算能力。本问的第一步提示要先选取研究对象建立模型，旨在引导学生会用所学模型分析常见的物理问题，体会利用模型分析和解决问题所带来的方便，体会建构与应用模型是物理学重要的研究方法[2]。题目中浸没在液体中的长方体就是一个理想的简化模型，解答本问时学生需要自己设定推导所需的物理量，并从浮力产生的原因为切入点进行推导，此过程包括模型建构、情境表征、因果思维、演绎归纳等，对学生的科学思维能力要求较高。

第三问，实际运用，考查学生利用所学知识解决问题的能力。学生要利用习得的阿基米德原理解决实际问题，实质是考查学生利用概念、方法进行综合分析的能力，其中情境状态的区分、变量与不变量的确定、各物理量的逻辑关系对学生的能力要求很高，考查了学生的高阶思维能力，体现了学业水平考试具备的选拔功能，符合压轴题的命题特点。

本题引导教师在平时教学中要重视学生概念、规律的形成过程，尽可能多地为学生创造操作和参与的机会，创设必要的情境，教学环节循序渐进，让学生能够融入学习活动之中，掌握物理思维和方法，发展思维能力和探究能力，培养学生的科学探究精神。

二、科学探究的教学建议

（一）联系生活，指导学生参与设计实验

初中物理实验较为简单，容易操作，很多还与日常生活密切相关。因此，教师要鼓励学生积极参与到实验过程中来，有意识地培养他们的探究能力和动手操作能力。例如：在“生活中的透镜”的教学中，可以让学生提前观察生活中的透镜，并选取一些带到课堂上来。讲解过程中，根据学生所带的物品由学生分别说明这些透镜的用途。实验之前请同学们猜测这些透镜成像的特点，并通过实验来印证，最终在教师的帮助下，学生自主完成实验过程、分析实验现象并得出结论，使学生的观察能力和思维能力都得到提高。课后，引导学生自制各种各样的水透镜，让学生体会到“物理来源于生活，服务于社会”。这样既加深了对知识的识记，又能够培养他们独立完成实验的习惯和能力。

（二）以生为本，变演示实验为探究实验

信息技术与学科课程的融合，实现了教学内容的多方面变革。借助多媒体播放实验视频或手机同屏功能展示演示实验都能起到放大实验现象，使实验清晰可见的效果，有利于学生认真、仔细有序地观察，增强了演示实验的直观性。但是实验视频只能是一个辅助性手段，教师要在学生观看演示实验的基础上引导学生变演示实验为探究实验，促使实验效应最大化。例如：光在透明介质中的传播路径很难从侧面观察，可以找一个大的干燥的透明饮料瓶，用蚊香向其中加注烟雾后加盖，再用激光笔照射时，就可以清晰地看到光的传播路径了。此时，引导学生猜想还可以想到哪些方法？同学们经过讨论会提出用加湿器、在水槽中注入清水并滴入几滴牛奶等等。教师大胆放手让学生尝试体验，这样才能更好地激发学生的兴趣和求知欲，从而使学生主动参与学习。

（三）因题制宜，巧用实验化解学生疑惑

知识的学习离不开学生的好问，但是有些物理问题即便是教师耐心细致地分析，有些学生也很难理解透彻，因此对于一些物理问题，除了通过分析来解决问题这条途径之外，通过实验手段来解决也是非常有效的方法。例如：在处理“流体压强与流速关系”的课后习题时，有这样一道题，“一根吸管从中间剪开一个小口弯成直角，一端竖直插入烧杯的水中，用力吹水平这段吸管会看到什么现象并解释”，这道题可以让学生亲自做实验，现象非常明显。

学校还可以开设一个物理教室，教师和学生可以将闲置或废旧的物品制成教具或学具，以便对不明白的练习题用实验进行探究。例如：在参照物这一节课的学习后，学生对“相对运动”很难理解，学生可以利用玻璃板、小车、细绳、气球和风扇来探究物体间的相对运动，起到事半功倍的作用。

总之，在日常教学中教师要给学生提供充足的科学探究的机会，让学生通过动手动脑做实验，体验探究过程的曲折和乐趣，从而落实学科核心素养，培养学生的科学探究能力和科学探究精神。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 廖伯琴.义务教育物理课程标准（2022年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2022：48.

An Analysis of the Examination Way of Scientific Inquiry Literacy：Taking the Paper of 2023 Tianjin Junior High School Academic Proficiency Examination（Physics）as an Example

Sun Meihua

Hebei District Teacher Development Center，Tianjin，300010

Abstract：The 2023 Tianjin Junior High School Academic Proficiency Examination in Physics aims to emphasize the cultivation of students literacy and promote the correct guidance of teaching. It encourages teachers to actively explore teaching methods based on scenarios and problem-solving，and guides students to engage in independent，cooperative，and inquiry-based learning. Taking the science exploration questions in the exam as examples，this article clarifies the requirements for students abilities in formulating hypotheses，designing experiments and plans，gathering and processing information，and drawing conclusions based on evidence and providing explanations. It analyzes how the questions assess exploration methods and processes and cultivate the spirit of scientific inquiry. The following teaching suggestions are proposed：relate the content to daily life and guide students to participate in experimental design；prioritize the needs of students by transforming demonstration experiments into exploratory experiments；adapt the choice of experiments according to the questions to effectively address students doubts.

Key words：Academic Proficiency Examination，Scientific Inquiry，Test Question Design，Teaching Suggestions

（責任编辑：陈畅、李梅）

作者简介  孙美华，中学一级教师，天津市河北区教师发展中心。天津，300143。