科学思维素养下的2021年高考全国甲卷物理试题分析_杨清涛.pdf

：科学思维素养下的 年高考全国甲卷物理试题分析杨清涛 徐晓梅 孙 圆 张进波云南师范大学物理与电子信息学院 云南昆明；玉溪市江川区第一中学 云南玉溪 摘 要：核心素养中的“科学思维”在教育中居于重要地位，其对学生的人生发展具有基础性和关键性作用。“科学思维”被理解为是人们在钻研和处理科学问题以及学习知识过程中所应用的思维方法。学生“科学思维”的培养与育成是可以经过教学来进行的。近年来，全国高考试题越来越凸显“科学思维”这个核心要素。本文选取 年高考全国甲卷物理试题，通过统计分析方法研究“科学思维”在高考物理试题中的考查状况及水平，从高考试题角度分析高考中是如何考查“科学思维”，旨在为一线教师日常教学中如何培养学生的科学思维给出一些建议。关键词：科学思维；高考物理试题；考查状况；统计分析 普通高中物理课程标准（年版 年修订）（下文简写为新课标）对“科学思维”的解释是：“科学思维”是认识客观事物的方式，是概括物理模型的过程，是有差异的方法的具体运用，是对观点、观念、问题成果提出新颖见解的本领和品质。科学思维主要由模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新四个要素组成。“科学思维”不仅在学生的成长发展过程中发挥着重要的作用，能帮助学生保持对新鲜事物的好奇、对新知识的理解、对新奇的疑问和思考，以及对未来科学的憧憬，而且是一个国家在国际竞争和科技比拼中的动力引擎。“科学思维”培养的研究具有极其重大的意义。一、“科学思维”试题筛选标准和方法（一）“科学思维”试题筛选标准可以从“科学思维”包括的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素做试题筛选标准说明。模型建构所谓物理模型就是在解决和研究物理问题或分析物理情景时，抓住主要因素，忽略次要因素，考虑主要矛盾，抓住主要矛盾的主要方面，舍弃次要矛盾，将物理问题情景转化成有利于解决问题的可操作的、可视化的物理模型，中学的物理模型主要包括以下五个方面：（）实体模型：质点、点电荷、绳杆模型、板块模型等。（）形象化模型：电场线、磁场线、光线、力的作用线等。（）过程模型：如运动学中的匀变速直线运动、抛体运动、汽车启动问题、双星多星模型、追及相遇问题、刹车类问题，热学中的等温变化、等容变化、等压变化等。（）状态模型：气体的平衡态、物体的平衡等。（）条件模型：光滑平面、轻绳、轻杆、绝热容器等。科学推理科学推理可以追溯到 世纪 年代，最初是由皮亚杰提出的。研究者们对科学推理的研究范围极其广泛，并且研究程度不同，但对“科学推理”含义的理解大体上是相同的，即当人的个体思维和智力水平发展到一定程度时，能够根据条件和信息推理出相关结论，掌握各种推理能力和方法。科学推理是科学思维的一种高级形式，在学生认识新事物、学习新知识的过程中起着重要作用。在高中阶段，高中生应该掌握的推理方式包括守恒推理、比例推理、控制变量推理、组合推理、概率推理和相关推理。科学论证科学论证是大脑思维的过程，是科学探究的过程，是解决问题和获取知识的过程。科学论证是借助已有的科学知识对自己所研究的事物和问题提出合理的看法和观点，同时把自己的观点和已有观点进行比较，对其中的不足加以辩证、思考、重组的高级思维能力。主要包括提出观点、论证观点、反馈观点、评估交流四个方面。质疑创新质疑是一把打开科学进步大门的钥匙，而在当代世界创新则成为各国发展的第一动力和衡量国际竞争力的标尺。质疑是学生对已知知识敢猜、敢想、敢好奇的一种求真知、得真理的学习心理；创新是在一定的真实情境中，根据相关的知识和经验，创造出新东西、新思路、新方法的能力和思维。质疑创新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的能力和品格。笔者查阅相关文献资料，结合新课标 对“科学思维”的定义，把“科学思维”试题筛选标准设置如表 所示。科教论坛科技风 年 月表 “科学思维”试题筛选标准模型建构 将物理问题情景转化成有利于解决问题的可操作的、可视化的实体、形象化、过程、状态、条件模型科学推理 对物理过程和物理问题进行剖析和推导，得出合理的结论并做出相应的注释和解释科学论证 针对某一情景或问题提出见解或看法，从资料文献中寻找证据证明结论质疑创新 不满足于试题统一的答案，有自己独特、新颖的看法和思考，实现一些题“一题多解”“技巧解题”“快速解答”（二）“科学思维”试题筛选方法“科学思维”试题筛选方法：从“科学思维”包含的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素看，若试题中包含其一个或多个要素，则该试题属于“科学思维”试题；若试题中没有其任何一个要素，则不属于“科学思维”试题。下面给出筛选方法使用的两个样例。例：（年全国高考甲卷理综物理部分 题）如图，将一块水平光滑的木板的下端，放在铁架台水平底座上的挡板 处，上端架在横杆上。横杆的位置可以在竖直杆上下调节，使得平板与底座之间的夹角 可以改变。将小物块由平板与竖直杆交点 处静止释放，物体沿平板从 点滑至 点所用时间 与夹角 的大小有关。若由 逐渐扩大至，物体下滑时间 将（）。图 逐渐减小逐渐增大先减后增先增后减分析：本题考查牛顿运动定律的应用，以斜面模型为依托，主要考查学生应用等时圆、模型简化处理物理问题的能力。本题解答的关键是根据已知图简化斜面模型，明确小物块的水平位移一定，推导有关物体下滑时间的表达式，进而利用数学知识求得极值，本题考查了“科学思维”中模型建构、科学推理两个要素，属于科学思维试题。例：（年全国高考甲卷理综物理部分 题）“旋转纽扣”是一种中国的传统游戏。如图 所示，先将纽扣绕几圈，使其穿过纽扣的两股细绳旋转在一起，然后用力一紧一松拉扯细绳的两端，纽扣顺时针和逆时针旋转会交替出现。拉动多次后，纽扣绕其中心的转速可达 ，此时，纽扣上距离中心 处的点向心加速度大约为（）。图 分析：本题以中国传统游戏“纽扣旋转”为知识背景，主要考查学生对圆周运动的理解和公式的应用，只需知道向心加速度的计算公式，即可解出此题。因为此题没有考查到“科学思维”中的任何一个要素，所以不属于“科学思维”试题。二、年全国高考甲卷理综物理部分“科学思维”试题统计分析（一）“科学思维”试题筛选及分值情况 年高考甲卷理综物理部分试题，包括选择题和非选择题，其中，选择题共 题，总分为 分。另外，试题又分为必做题和选做题，其中，必做题包括两个实验题和两个计算题，分值为 分；选做题有两题，任选其一即可，分值为 分。整套试卷满分为 分。本文选取研究内容时包括了两个选做题，所以整套试卷总分为 分。通过试题筛选，整理出相关数据如表 所示。表 “科学思维”试题筛选及分值情况试卷选择题实验题计算题选考题总分值 年全国甲卷、（）、（）、（）模块分值 由表 可知，“科学思维”核心素养在 年全国高考甲卷理综物理部分各个模块都考查过，并且实验题和计算题每题都凸显出“科学思维”核心要素，考查分值占比高达。由此可见，年高考物理试题对“科学思维”核心要素考查的力度之大。（二）“科学思维”要素考查分值统计表 “科学思维”考查分值统计要素模型建构科学推理科学论证质疑创新分值百分比（）由表 可以看出：（）个试题中有 个“科学思维”试题都是同时考查两个要素，占比为；考查一个要素和三个要素的试题分别为 个和 个，占比分别为.和，其中，考查到三个要素的试题只在 题中才有所体现；同时考查到“科学思维”四个要素的试题没有。（）考查科学推理要素的试题有 个，占比为；其次是模型建构要素，占比为；而科学论证要素和质疑创新要素，考查最少，都只考查到两题。科技风 年 月科教论坛（三）“科学思维”要素水平考查情况统计表 “科学思维”要素水平考查情况统计模型建构科学推理科学论证质疑和创新分值百分比（）分值百分比（）分值百分比（）分值百分比（）水平一水平二水平三水平四水平五图 “科学思维”要素水平考查占比由表 可知，从考查水平方面上看，水平一、水平二、水平三、水平四、水平五考查到的要素分别为 个、个、个、个和 个，其中各水平考查分值分别为 分、分、分、分和 分。由此可见，本年高考试题主要考查水平四。从考查要素方面上看，模型建构要素主要考查水平四，占比为，科学推理要素考查水平比较均匀，水平二、水平三、水平四和水平五都考查到，占比分别为.、，科学论证要素主要考查水平三和水平四，占比分别为、，而质疑创新要素只考查到水平四，占比为。三、结论及建议（一）结论通过参照新课标要素水平对 年全国高考物理甲卷试题分析，该年对物理核心素养 “科学思维”的考查大有展现。具体而言，虽然“科学思维”的四个要素在高考试题中均有体现，但是主要考查的是科学推理和模型建构两个要素，其余两个要素考查较少。这其实是对高中阶段重点培养学生的模型建构和科学推理能力要求的呼应。另外，四个要素的考查水平主要集中在水平四，水平一未考查到。这从另外一个角度说明，随着新课标的颁布和新高考的推行，“科学思维”各指标的考查水平也逐步提高。（二）建议关于模型建构方面的建议新课标中课程目标对模型建构的要求是：要拥有建模的想法和技能。这就要求教师从这两方面进行教育：一方面，建模意识需要从生活中的现象出发，让学生在不知不觉中比较轻松、顺畅地形成建模意识。比如，质点模型的由来，在讲述推箱子做功的物理情景时，我们往往想当然地把箱子看作是一个质点，这是因为书本上推箱子一直都是朝着箱子重心的位置推，假若我们把手掌的作用点往上移动，箱子是不是还是往前移动呢？带领学生让学生亲自感受，如果作用点往上移太多，箱子不再发生平动，而是开始转动，这种情况就不能计算物体所做的功了。所以在高中研究的做功的物体，都是将物体看作是质点，才能计算做功情况。这样学生理解起来比较容易和自然，学生慢慢地也就形成了建模意识。另一方面，建模能力则需要学生在平时的作业或考试之中训练和总结，应用和熟悉高中已有的模型，比如人船模型、状态模型等，久而久之，学生形成构建模型的意识和能力以后，才能在高考时遇到新题型时，根据物理情景建立相应的物理模型。关于科学推理方面的建议从 年的高考甲卷物理试题分析可知，科学推理的考查范围和分值都是最大的，其 题中有 道题涉及科学推理。科学推理不仅仅是公式的应用和推导，更是在面对新问题、新情境时由已知到未知的推理过程，其中不仅涉及物理知识和逻辑关系的串联，还穿插着数学知识的应用。科学推理的培养包括数学和物理两个学科，数学是中学物理解题的基础，其中涉及简单的运算和几何关系等，故数学上的运算必须熟练和灵活。教师在一些数学推理时不必在黑板上演算，或者直接省去过程给答案，要求学生自己动手推理演算，加强学生的数学运算能力。如果从教学角度出发，教师也可以大胆地尝试并转变已有的、旧的、过气的教学模式和方法。已有的教学模式大多为练习式教学法，即教师将知识点讲述给学生，学生通过做题来加强对知识点的巩固和理解，但是这就会出现一种现象：学生容易被答案蒙蔽双眼，容易造成抄答案、凑答案、不爱思考的习惯，形成一种平时做题都会的假象。教师可尝试“翻转课堂”和“探究式教学法”，让课堂的气氛调动起来，让每个学生都参与到学习和思考问题中来。“探究式教学”不再追求“标准答案”，课堂上抛出一个问题，让学生们进行小组合作，对问题进行分析思考，进而提出假设 推理 结论。待各小组有结果时，让各小组进行小组汇报，而汇报的重点则是推理过程，其他同学对过程进行检验，各小组的推理过程肯定不尽相同，如若相同，都不像标准答案那样，而是各自有各自的想法和思考，这样同学们的推理能力才能得到更好的锻炼。只有这样，学生在遇到新问题时才“临危不惧”。关于科学论证方面的建议物理学本质上是一门实验科学，物理实验是科学实验的先驱，体现了科学实验的共性，在思想、方法以及手段等方面是大多数科学实验的基础。在做物理实验时，受各种因素的影响，通常获得的数据都是不一样的，但如何用科教论坛科技风 年 月实验获得的数据来检验已知的物理结论、用自己的观点说服别人、对别人提出观点提出反驳是培养科学论证的关键。教师在课堂上就要培养学生的论证意识和能力，可采用小组合作学习。小组的各个成员针对物理问题提出自己的见解和方法，并且说出证据和原因，对不同的观点提出质疑