从中考物理试题看对科学探究能力测试的探索

【专家介绍】

廖伯琴，西南大学科学教育研究中心主任、教授、博导，国家中学物理课程标准研制组及修订组负责人，中国青少年科技教育工作者协会物理教育与普及专委会主任。曾获全国模范教师、全国教育系统巾帼建功标兵、全国教育硕士优秀教师、全国首届教材建设奖先进个人等荣誉。

摘   要：科学探究能力是物理课程应培养的核心素养之一，中考物理试题对初中物理教与学具有重要导向作用。依据义务教育物理课程标准，统计分析我国２０２０年至２０２２年９０份省会城市中考物理试卷２１３６个中考试题中的４１３个科学探究试题。统计结果显示，这几年的科学探究试题侧重考查了“分析与论证”“进行实验与收集证据”和“设计实验与制订计划”等科学探究要素，与课标内容要求和必做实验的关联度显著，试题素材主要源于教材等。最后提出中考物理探究试题的命制应坚持素养立意、严格依标命题、用活教材和挖掘本土资源等建议。

关键词：中考物理；科学探究；能力测试

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2023）7-0001-6

当今世界科技进步日新月异，各国在教育中非常注重培养学生的科学探究能力。联合国教科文组织指出学校课程应强调科学探究［１］。美、英、德、日、芬兰、俄罗斯等国家的物理（科学）课程标准大多含有培养学生科学探究能力的课程目标［２］。本世纪以来，我国先后实施的三版义务教育物理课程标准均注重科学探究［３］：《全日制义务教育物理课程标准（实验稿）》（简称《２００１版课标》）强调课程实施应注重科学探究和教学方式多样化［４］；《义务教育物理课程标准（２０１１年版）》（简称《２０１１版课标》）将科学探究列入“课程内容”，旨在让学生经历科学探究过程，领悟科学探究方法，发展科学探究能力［５］；《义务教育物理课程标准（２０２２年版）》（简称《２０２２版课标》）进一步提出科学探究是物理课程应培养的核心素养之一［６］。物理课程标准凝练了物理课程独特的育人功能［２］，而科学探究能力的培养则是物理课程育人价值的重要体现。

对科学探究能力的测评一直是国内外科学教育工作者关注的焦点。《国家义务教育质量监测方案（２０２１年修订版）》要求“紧扣课程标准，监测学生各学科领域的发展水平及核心素养，科学主要监测学生掌握科学基础知识和思维方法情况、科学探究能力等”［７］。目前国内外对科学探究能力的测评方式主要有现场观察、纸笔测验、工作单和虚拟实验测评等［８-９］。纸笔测验因其方便、成本低、信度高等特点而在国内外被大规模采用。国际上比较有影响力的ＴＩＭＳＳ、ＰＩＳＡ和ＮＡＥＰ等测评方法均采用了纸笔测验方式。我国也主要以纸笔测验的方式考查学生的科学探究能力。２０１９年，教育部提出严格依标科学命题［１０］。２０２２年，教育部提出进一步深化考试评价改革，加快推进中考省级统一命题［１１］。在这样的一个大背景下，探析我国中考物理试题对科学探究能力的测试特点，以期能为我国的纸笔测试更有效地考查科学探究能力提供参考。

本研究从中考物理试题的视角，探索对学生科学探究能力测试的特点。为提高试卷样本的代表性，我们收集了２０２０—２０２２年间全国各省会城市中考物理试卷共９０套。因这９０套中考物理试卷的命题依据是《２０１１版课标》，故对物理试卷中科学探究试题的划分依据是《２０１１版课标》及其对科学探究能力的内涵界定，即只要中考物理试题关涉其中任一科学探究要素或其能力的基本要求，便将其划归于科学探究类试题。据此标准，最终从２１３６个中考物理试题中选取科学探究试题４１３个，依次编号为Ｑ１，Ｑ２、Ｑ３…Ｑ４１３。

那么，这些中考物理探究试题对不同科学探究要素及其基本要求的考查有何差异？与课标内容要求和必做实验的关联度怎样？试题素材的主要来源又是什么？这些统计结果与２００９年相关研究结果［１２］相比，有何变化？下面将侧重探讨这些问题。

1    对科学探究能力的测试

三版课标关于科学探究能力的内涵界定是一以贯之的。《２００１版课标》指出“科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一”，并将科学探究能力细化为７个科学探究要素［４］；《２０１１版课标》整体继承了对科学探究能力７要素构成之内涵界定，仅在文字上做了微调，即提出问题、猜想与假设、设计实验与制订计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作［５］；《２０２２版课标》将科学探究的要素进一步凝练为４个，即问题、证据、解释和交流［６］。正如前所述，对２０２０—２０２２年中考物理科学探究试题的剖析依据是《２０１１版课标》明确的７个科学探究要素及其基本能力要求。

1.1    关于不同科学探究要素的考查

对科学探究要素的考查比例总体比较稳定。如图１所示，“分析与论证”探究要素的考查比例最大，占比７０．２％；其次是“进行实验与收集证据”，占比５５．３％；第三是“设计实验与制订计划”，占比４３．３％。这与考查比例偏小的“提出问题”“猜想与假设”“评估”“交流与合作”４个要素形成了明显差异，特别是没有考查到“交流与合作”这一要素，这显然受制于纸笔测验的局限性。该统计分析结果与２００９年的统计结果一致。

科学探究的形式是多种多样的，在科学探究过程中，学生的探究过程可涉及所有要素，也可只涉及部分要素［５］。这些科学探究试题有的是单要素评价，而有的是多要素评价。如图２所示，考查单个科学探究要素的试题占比４１．３％，考查两个科学探究要素的试题占比３７．９％。该结果与２００９年的结果相比，有一定差异，２００９年７０．３％的科学探究试题涉及１个探究要素［１２］，而今多数试题检测多个要素，这说明探究性试题有检测多个要素的发展趋势。

1.2    例析与科学探究能力要求的对应

由以上研究可知，中考试题针对“设计实验与制订计划”“进行实验与收集证据”“分析与论证”三个维度的科学探究能力检测比例较大，下面我们对此进行更深入地分析。

根据《２０１１版课标》，７个“科学探究要素”共对应３１个“科学探究能力的基本要求”，我们对其逐一编码。以第３个科学探究要素“设计实验与制订计划”为例，对其所含的５个“科学探究能力的基本要求”依次编码，分别为“３－１ 经历设计实验与制订计划的过程”“３－２ 明确探究目的和已有条件”等，详见表１。

在考查了第３个科学探究要素“设计实验与制订计划”的试题中，如图３所示，考查“３－２ 明确探究目的和已有条件”能力的最多，占比４１．２％；其次为“３－４ 尝试选择科学探究方法及所需要的器材”能力，占比２１．５％；考查“３－３ 尝试考虑影响问题的主要因素，有控制变量的意识”能力，占比２０．１％；而“３－５ 了解设计实验与制订计划在科学探究中的意义”没有涉及。统计结果与２００９年研究结论基本一致，即考查“设计实验与制订计划”要素的试题主要考查探究目的的确定、实验仪器的选用、科学探究方法的选择以及控制变量的意识等。

据此分析框架分别对其他科学探究要素的各基本能力要求进行分析。科学探究试题中考查第５个探究要素即“分析与论证”的试题最多，对相应基本能力要求的考查如图４所示。其中，考查“５－３ 能进行简单的因果推理”能力的试题最多，占比３８．６％；其次为“５－２ 能对收集的信息进行简单归类及比较”和“５－１ 经历从物理现象和实验中归纳科学规律的过程”的能力考查，分别占比２８．８％和２７．９％。这些结果与２００９年的结果一致，即考查“分析与论证”能力的试题，重点考查简单的因果推理、对收集的信息进行简单比较并归纳得到科学规律等。

此外，关于“进行实验与收集证据”的能力考查，主要考查了实验仪器的正确使用、仪器仪表的正确读数及记录等；关于“猜想与假设”的能力考查，主要考查了对问题的可能答案提出猜想；关于“评估”的能力考查，主要考查了对探究方案的改进、探究结果的评估等。

2    考查内容与课标内容要求的关联

《２０１１版课标》的“科学内容”包含“物质”“运动和相互作用”和“能量”三个一级主题，１４个二级主题和６３个三级主题［５］。对科学探究试题涉及的一级主题科学内容进行统计分析，如图５所示。其中，考查“能量”主题的探究试题最多，占比４１．6％；考查“运动和相互作用”主题的试题占比３２．9％；考查“物质”主题的试题占比２５．5％。可见，科学探究试题与课标一级内容主题及要求具有相当的关联度。

对《２０１１版课标》中科学内容的６３个“三级主题”依次编码为１—６３，编码６４指“没有考查到课标中任何三级主题”，统计分析如图６所示。其中，考查比例位于前７位的三级主题如表２所示。通过图表比对可得，考查比例较大的内容主要与电学有关，如连接电路图，探究电流、电压和电阻的关系，会使用电流表和电压表，会测量灯泡的电功率等；其次是物质相关内容，如物态变化、物体的质量和密度测量等。可见，科学探究试题对课标三级内容主题的考查占比存在显著性差异。

进一步深入分析科学探究试题在各课标三级内容主题内部的考查分布情况可知，在考查编码为５２的三级内容主题试题中，其中考查“会连接简单的串联电路和并联电路”知识点的试题最多，占比达６９．４％，通常要求学生将实物图连接完整，或是找出错误的连接方式并予以改正；在考查编码５１的试题中，考查重点是“通过实验，探究电流与电压、电阻的关系”，占比达５５．９％。可见，科学探究试题无论在课标三级内容主题整体上，还是在三级内容主题内部，考查占比也是有所侧重的。

3    考查的实验与学生必做实验的关联

《２００１版课标》注重科学探究，注重实验要求，但未列出学生必做实验［４］；《２０１１版课标》列出了２０个学生必做实验，但放在附录中［５］；《２０２２版课标》列出２１个学生必做实验，即９个测量类实验和１２个探究类实验，且放进课程内容的一级主题“实验探究”中，并增设样例、活动建议、学业要求和教学提示等［６］，进一步凸显了物理实验的育人功能。我们依据《２０１１版课标》，对学生必做的２０个实验逐一编码，编码“ｂ２１”为试题考查到这２０个必做实验之外的情况。统计分析科学探究试题对各实验的考查频次，从多到少排列前十的必做实验如表３所示，考查最多的是“ｂ１６ 连接简单的串联电路和并联电路”，要求学生根据探究目的连接电路图，或找出连接错误的导线并改正；其次是测量物体的质量或密度、探究凸透镜成像规律、测量小灯泡的电功率以及探究电流与电压、电阻的关系等。

在科学探究试题中，有考查课标中要求的学生必做实验，也有考查学生必做实验要求以外的其他实验。整体占比情况如图７所示，考查“必做实验”的试题占比为６２．３％，而考查其他实验的试题占比为３７．７％。可见，科学探究试题中涉及的实验更多来自课标中的学生必做实验，这说明科学探究试题与课标中学生必做实验有比较明显的关联。

继续分析涉及非学生必做实验的试题可知，有些探究试题涉及的实验虽不是《２０１１版课标》中的学生必做实验，但所涉及的内容要求几乎都属于《２０１１版课标》中有实验要求的三级内容主题范畴，且出现在教材的“实验”“演示”等栏目。其中，考查频次位列前三的主题为“用电流表和电压表测量电阻”“探究固体熔化时温度的变化规律”“探究不同物质的吸热能力”等，这些实验皆在《２０２２版课标》的“实验探究”主题中有所体现。

4    科学探究试题的素材来源

本研究将中考物理科学探究试题的素材来源分为五类，即：教科书、生活现象、课外实验和小制作、科技前沿和科普、其他，并依次编码。统计结果如图８所示，考查科学探究能力的试题素材大部分来源于教材“实验”“演示”等栏目，占比达７３．６％；其次来源于“课外实验和小制作”，占比１6．８％。该结果与２００９年的相关结论基本一致，即大部分中考物理探究试题的素材来源于课内教材教学和课外小制作等考生熟悉的情境。