杨清涛 徐晓梅 孙圆 张进波

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2021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（2017年版2020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［1］。“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。

1.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：

（1）实体模型：质点、点电荷、绳杆模型、板块模型等。

（2）形象化模型：电场线、磁场线、光线、力的作用线等。

（3）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。

（4）状态模型：气体的平衡态、物体的平衡等［2］。

（5）条件模型：光滑平面、轻绳、轻杆、绝热容器等。

2.科学推理

科学推理可以追溯到17世纪90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［3］。

3.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［4］。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。

4.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［5］。

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1所示。

（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1：（2021年全国高考甲卷理综物理部分14题）如图1，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P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θ可以改变。将小物块由平板与竖直杆交点Q处静止释放，物体沿平板从Q点滑至P点所用时间t与夹角θ的大小有關。若由30°逐渐扩大至60°，物体下滑时间t将（  ）。

A.逐渐减小 B.逐渐增大 C.先减后增 D.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2：（2021年全国高考甲卷理综物理部分15题）“旋转纽扣”是一种中国的传统游戏。如图2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50r/s，此时，纽扣上距离中心1cm处的点向心加速度大约为（  ）［6］。

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、2021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

2021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8题，总分为48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47分；选做题有两题，任选其一即可，分值为15分。整套试卷满分为110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125分。通过试题筛选，整理出相关数据如表2所示。

由表2可知，“科学思维”核心素养在2021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86.4%。由此可见，2021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”要素考查分值統计

由表3可以看出：（1）12个试题中有7个“科学思维”试题都是同时考查两个要素，占比为58.3%；考查一个要素和三个要素的试题分别为4个和1个，占比分别为333%和8.3%，其中，考查到三个要素的试题只在25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。（2）考查科学推理要素的试题有9个，占比为72.8%；其次是模型建构要素，占比为60.8%；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。

（三）“科学思维”要素水平考查情况统计

由表4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0个、2个、2个、4个和2个，其中各水平考查分值分别为0分、21分、38分、130分和24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76.3%，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164%、35.2%、35.2%、13.2%，科学论证要素主要考查水平三和水平四，占比分别为37.5%、62.5%，而质疑创新要素只考查到水平四，占比为100%。

三、结论及建议

（一）结论

通过参照《新课标》要素水平对2021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

1.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。

2.关于科学推理方面的建议

从2021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12题中有9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”。

3.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［7］。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，进行辩解，进而统一结论。教师在提问时多关注学生的思考过程，鼓励并引导学生，学生从未知到已知，经历问题思考，进而运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测。

4.关于质疑创新方面的建议

质疑创新是物理发展和人类进步的根源，质疑创新就是要敢猜、敢想、敢做、敢尝试。学生在面对问题时，多想一想有没有新的方法可行，可不可以从其他角度进行解答，有没有一题多解的情况。在面对新的物理概念和定律时，学生要多问问为什么，大胆质疑、大胆猜想。同时教师在教學或生活上要激励学生，让学生大胆试错，敢于说不。另一方面，教学时可以采用“头脑风暴”，广泛搜集学生的建议和想法，“新点子”“不着道的想法”都可以使学生产生学习的热情，进而激发他们的创造力。

虽然模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新是四个不同的要素，但它们是密切关联且层层递进的。在面对一个未知物理问题时，我们需要建构一个简易的模型，根据已有的数据和条件进行推理，再把得到的结论拿回去验证，最后再思考有没有其他解题的角度和思路。所以在培养学生科学思维时，只有把四个要素的培养方法结合起来，使得学生的每一个要素都得到充分发展，学生的科学思维才会得到充分训练和发展。

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（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：13.

［2］臧天天.基于科学思维素养的高考物理试题分析研究［D］.曲阜：曲阜师范大学，2020.

［3］王璐霞.考查科学推理能力的高考物理试题分析［J］.物理教学探讨，2017，35（09）：4851.

［4］韩葵葵，胡卫平.科学论证能力结构模型建构研究［J］.教育理论与实践，2019，39（22）：37.

［5］武长青.基于质疑创新的五个水平谈科学思维的培养策略［J］.物理教学，2020，42（04）：711.

［6］杨文彬.2021年普通高中学校招生全国统一考试（全国甲卷）［J］.高考必刷卷，2021，3：34.

［7］徐志浩，宁日波，宋健宇.大学物理实验［M］.北京：高等教育出版社，2018.

基金项目：教育部第二批新工科研究与实践项目“以新工科需求为导向的《大学物理》资源库建设与推广（项目号：ESXWLHXLX20200605）”

*通讯作者：徐晓梅（1963— ），女，教授，硕士生导师，主要从事理论物理以及物理课程与教学论的教学与研究。