科學探究素養的考查途徑探析

[摘 要] 2023年天津市初中學業水平考試物理試題力求體現素養立意，發揮評價對教學的正確導向作用，引導教師積極探索基于情境和問題導向的教學方式，引導學生自主、合作、探究學習。以試卷中科學探究類試題為例，明確了對學生猜想與假設、設計實驗與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據得出結論并作出解釋等探究能力的要求；分析試題對探究方法和過程的考查、對科學探究精神的培養。提出三點教學建議：聯系生活，指導學生參與設計實驗；以生為本，變演示實驗為探究實驗；因題制宜，巧用實驗化解學生疑惑。

[關鍵詞] 學業水平考試；科學探究；試題設計；教學建議

[中圖分類號] G424.74 [文獻標識碼] A

[文章編號] 1673—1654（2024）02—029—007

一、科學探究能力的要求與試題設計

科學探究是學生構建知識、形成科學概念、領悟科學研究方法的各種活動。《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“《課標》”）中提出：學業水平考試不僅要全面考查物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任，還應注重創設真實的科學探究情境，考查學生基于觀察和實驗提出物理問題，形成猜想與假設，設計實驗與制訂方案，獲取與處理信息，基于證據得出結論，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力[1]。

2023年天津市初中學業水平考試（物理）試卷（以下簡稱“試卷”）中的科學探究類試題情境新穎、穩中求變、守正創新，注重考查了學生的學科素養，突出了學科的育人價值，實現了對學生必備品格和關鍵能力的考查。

（一）考查科學探究方法

科學探究方法包括：觀察法、實驗法、模型法、類比法、控制變量法、邏輯推理法、歸納和演繹法等。初中物理教材中有許多章節都滲透了科學探究的方法，如用實驗法探究凸透鏡成像規律、用觀察法研究擴散現象等。試卷對科學探究方法的考查更是靈活多樣（見表1）。

例如，試卷第13題，通過模型法、實驗法和邏輯推理法考查了學生對電學基礎知識的理解以及提取信息、分析和處理問題的能力。

13.如圖10所示的“電阻測量盒”，內有電源（電壓不變且未知）、阻值已知的定值電阻R0、開關和電流表，并引出兩根導線到盒外。將盒外的兩根導線分別與待測電阻Rx的兩端相連，根據開關閉合、斷開時電流表的示數，可以算出Rx的阻值。圖11是設計的盒內電路圖，其中符合要求的是

對于串并聯電路特點及歐姆定律，《課標》界定的認知要求是：“理解歐姆定律”[1]。本題以“電阻測量盒”的設計性實驗題為藍本進行改編，以設計“電阻測量盒”內電路為情境，以熟悉的“單電表測電阻”的電路為模型，結合“測量盒”使用時的電路狀態，推理出可行的設計電路。題設中的“電阻測量盒”是“單電表測電阻”的其中一種情況，即利用電流表和已知電阻測量未知電阻，主要考查學生對電路的識別、電流表的使用以及對實驗結果的演算推理。預估學生在解答本題時可能會出現以下幾個問題：①多選題由于靈活性大、干擾性強，漏選現象會比較普遍；②開關閉合、斷開兩種情況下電路中電阻連接情況判斷錯誤，尤其是B、C、D選項中在開關閉合時均出現了局部短路的情況；③對電流表在開關閉合、斷開兩種情況下測量哪些用電器的電流判斷錯誤；④對公式運用不夠熟練，演算推理出現問題等。本題的設計意圖是通過考查學生是否掌握建立模型和邏輯推理的科學探究方法，培養學生對信息的有效性做出判斷的意識。

（二）考查科學探究的過程

《課標》中特意把“實驗探究”作為一級主題呈現，明確了9個測量類學生必做實驗和12個探究類學生必做實驗[1]。2023年的試卷中許多試題的考查內容都與實驗探究密切相關，所占分值比例達到了57%。其中有6個測量類實驗和2個探究類實驗是《課標》中要求學生必做的實驗，旨在讓學生經歷實驗探究過程，培養學生的實踐能力以及創新意識。

試卷中第23題，以冰壺運動為情境，緊緊圍繞這一素材設計了“情景—問題—探究—解釋—應用”這一個完整的探究過程。試題情境設置單一、思維連貫，從對知識的認知到對知識的應用體現了較好的整體性，同時又人性化地減輕了學生的閱讀負擔。通過該試題的解答，學生可以真正領悟物理學在解決實際問題中的重要性，體會“從生活走向物理，從物理走向社會”[1]。

23.同學們在觀看冰壺比賽時，發現了如下兩個現象：

現象一：運動員蹬冰腳的鞋底為橡膠制成，滑行腳的鞋底為塑料制成；

現象二：運動員蹬冰時要用力。

他們認為上述現象與摩擦力的知識有關，于是提出了“滑動摩擦力的大小與什么因素有關”的問題，并進行了如下探究。

【猜想與假設】根據同學們的發現，猜想滑動摩擦力的大小可能與_______和______有關。

【設計并進行實驗】

用彈簧測力計水平拉動木塊，使它沿水平長木板勻速滑動，測出木塊受到的滑動摩擦力。進行了三次實驗，如圖18所示。

【分析與論證】

（1）甲圖中，木塊受到的滑動摩擦力為______N；

（2）對比乙、丙兩圖，可得結論：_____________；

（3）許多情況下摩擦是有用的，人們常常設法增大它。請列舉在冰壺運動中增大摩擦的措施，并利用實驗結論進行解釋。（至少寫出一例）__________。

科學探究既是初中物理重要的教學方式，又是學生的學習目標。《課標》明確要求在教學中應該“讓學生經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的探究精神、實踐能力以及創新意識”[1]。 本題延續了天津市物理學業水平考試對于科學探究考查的一貫命題風格：以實驗為載體，以對科學探究要素的考查為立足點，以對探究水平和能力考查為旨趣，多方面考查學生的學科核心素養。

題目遵循“來源于教材，而不拘泥于教材”的原則來命制，“背景素材”和“實驗裝置”均來自教材，但對探究能力的考查進行了創新設計。背景素材來源于八年級下冊P26“動手動腦學物理”中的第3題，由冰壺運動中的兩個現象引出要探究的問題，并引發合理的猜想。問題背景與情境的設計具有一定的問題性、真實性和探究性。

本題環環相扣地設置了4個問題：①有意加入了關于“猜想與假設”這一科學探究要素的考查——要求學生根據“冰壺運動員兩只腳的鞋底材質不同”“蹬冰時要用力”這兩個現象，對要探究問題的可能答案提出猜想，彌補了以往實驗探究試題中對“猜想與假設”要素很少考查的情況；②在“分析與論證”環節，通過設問，隱性考查了“設計實驗與制訂計劃”這一探究要素中“嘗試選擇科學探究方法及所需要的器材”“嘗試考慮影響問題的主要因素，有控制變量的意識”這兩項科學探究能力的基本要求；③重點考查了測量量的轉化法和實驗方案中的控制變量法——這兩個初中物理實驗設計中常用的學科思想方法；④要求學生通過觀察實驗條件、比較實驗數據，獲得問題的初步結論，不僅考查了“能對收集的信息進行簡單歸類及比較”“嘗試對探究結果進行描述和解釋”的科學探究能力，而且考查了學生準確表述所得實驗結論的能力。

具體分析：第（1）小題讓學生通過分析，得出彈簧測力計的示數等于所測的滑動摩擦力的大小，此過程需要嚴格的推理和論證。在第（3）小題中有意設置了開放性的實踐應用問題，在學生認識了影響滑動摩擦力大小的因素后，及時引導學生用探究習得的新知識分析解決生活中的實際問題，強化理論的應用意識，體現了“形成物理觀念，解決問題”的物理學科核心素養。因為本題的素材選取和結論運用都是開放性的，需要學生進行分析比較與推理論證，多角度展開思維，所以試題的答案必將呈現多樣化，解答這道具有開放意味的探究題，激發了學生的創新意識和探究意識。

該題對今后的物理教學具有很好的引領作用。基于物理核心素養的教學取向，應該做到以知識探究為基礎，以能力培養為核心，以實際應用為導向，重視物理知識在真實情境中的學習與應用。因此，教學中要大力引導學生從知識的簡單記憶向知識的認識與理解轉變，從“解題”向“解決問題”轉變，以促進學生綜合素質的提升。

（三）培養科學探究精神

科學探究不僅僅是為了追求能力的培養，更重要的是培養學生的探究精神。科學探究精神是創新的源泉，讓科學探究精神深入學生心中，隨時保持一顆發現科學、探索科學的心，才能發現新事物，才能創造出新的解決方案。

試卷中的第25題先后進行了“實驗探究”“理論探究”“理論應用”三個方面的考查，旨在讓學生體驗科學家從發現問題到解決問題的完整論證過程，以培養學生的科學探究精神。

25.在學習“阿基米德原理”時，可用“實驗探究”與“理論探究”兩種方式進行研究。請你完成下列任務：

【實驗探究】

通過圖19所示的實驗，探究浮力的大小跟排開液體所受重力的關系。由實驗可得結論：________。這就是阿基米德原理。

【理論探究】

第一步：建立模型——選取浸沒在液體中的長方體進行研究，如圖20所示；

第二步：理論推導——利用浮力產生的原因推導阿基米德原理。

請你寫出推導過程。提示：推導過程中所用物理量需要設定（可在圖20中標出）。

【原理應用】

水平桌面上有一底面積為S1的柱形平底薄壁容器，內裝質量為m的液體。現將一個底面積為S2的金屬圓柱體放入液體中，圓柱體靜止后直立在容器底且未完全浸沒（與容器底接觸但不密合），整個過程液體未溢出。金屬圓柱體靜止時所受浮力F浮=_______。

阿基米德原理是初中物理的一個重要規律，是重要的教學內容。本題設置的情境是學生探究得到阿基米德原理并用于解決問題的完整學習過程。在探究的過程中學生通過思考、實踐、探索和應用，培養了求是精神、實證精神、理性精神等科學精神。

物理規律的發現離不開科學探究，而實驗探究和理論探究都是科學發現的必要因素，二者相互作用，相輔相成，前者根據實驗現象、數據、分析、總結得出結論，后者可檢驗、驗證實驗結論的準確性。由于在教學活動中教師往往容易忽略對學生理論探究能力的培養，因此本題除了實驗探究還設計了理論探究，旨在還原知識產生的背景，提示不應只重視實驗探究能力而忽略了理論推導能力的培養，并引導學生在實驗探究得出結論的基礎上，驗證實驗結論的正確性。

本題通過“實驗探究→理論推導→實際運用”形成系統的研究方法和理論體系，由易到難層層深入地通過三個層次呈現：

第一問，實驗探究，考查學生根據實驗數據得出結論的能力。采用實驗探究的方式，用四幅圖示，讓學生通過觀察浮力的大小跟排開液體所受重力的關系的實驗過程，建立了對阿基米德原理的認知，這部分取材于八年級物理教材下冊P54的正文內容。通過實驗探究獲取物理知識是每個學生必須具備的關鍵的科學能力和素養，大多數學生在經歷初中階段的學習后具備這樣的能力。

第二問，推導計算，考查學生的推理計算能力。本問的第一步提示要先選取研究對象建立模型，旨在引導學生會用所學模型分析常見的物理問題，體會利用模型分析和解決問題所帶來的方便，體會建構與應用模型是物理學重要的研究方法[2]。題目中浸沒在液體中的長方體就是一個理想的簡化模型，解答本問時學生需要自己設定推導所需的物理量，并從浮力產生的原因為切入點進行推導，此過程包括模型建構、情境表征、因果思維、演繹歸納等，對學生的科學思維能力要求較高。

第三問，實際運用，考查學生利用所學知識解決問題的能力。學生要利用習得的阿基米德原理解決實際問題，實質是考查學生利用概念、方法進行綜合分析的能力，其中情境狀態的區分、變量與不變量的確定、各物理量的邏輯關系對學生的能力要求很高，考查了學生的高階思維能力，體現了學業水平考試具備的選拔功能，符合壓軸題的命題特點。

本題引導教師在平時教學中要重視學生概念、規律的形成過程，盡可能多地為學生創造操作和參與的機會，創設必要的情境，教學環節循序漸進，讓學生能夠融入學習活動之中，掌握物理思維和方法，發展思維能力和探究能力，培養學生的科學探究精神。

二、科學探究的教學建議

（一）聯系生活，指導學生參與設計實驗

初中物理實驗較為簡單，容易操作，很多還與日常生活密切相關。因此，教師要鼓勵學生積極參與到實驗過程中來，有意識地培養他們的探究能力和動手操作能力。例如：在“生活中的透鏡”的教學中，可以讓學生提前觀察生活中的透鏡，并選取一些帶到課堂上來。講解過程中，根據學生所帶的物品由學生分別說明這些透鏡的用途。實驗之前請同學們猜測這些透鏡成像的特點，并通過實驗來印證，最終在教師的幫助下，學生自主完成實驗過程、分析實驗現象并得出結論，使學生的觀察能力和思維能力都得到提高。課后，引導學生自制各種各樣的水透鏡，讓學生體會到“物理來源于生活，服務于社會”。這樣既加深了對知識的識記，又能夠培養他們獨立完成實驗的習慣和能力。

（二）以生為本，變演示實驗為探究實驗

信息技術與學科課程的融合，實現了教學內容的多方面變革。借助多媒體播放實驗視頻或手機同屏功能展示演示實驗都能起到放大實驗現象，使實驗清晰可見的效果，有利于學生認真、仔細有序地觀察，增強了演示實驗的直觀性。但是實驗視頻只能是一個輔助性手段，教師要在學生觀看演示實驗的基礎上引導學生變演示實驗為探究實驗，促使實驗效應最大化。例如：光在透明介質中的傳播路徑很難從側面觀察，可以找一個大的干燥的透明飲料瓶，用蚊香向其中加注煙霧后加蓋，再用激光筆照射時，就可以清晰地看到光的傳播路徑了。此時，引導學生猜想還可以想到哪些方法？同學們經過討論會提出用加濕器、在水槽中注入清水并滴入幾滴牛奶等等。教師大膽放手讓學生嘗試體驗，這樣才能更好地激發學生的興趣和求知欲，從而使學生主動參與學習。

（三）因題制宜，巧用實驗化解學生疑惑

知識的學習離不開學生的好問，但是有些物理問題即便是教師耐心細致地分析，有些學生也很難理解透徹，因此對于一些物理問題，除了通過分析來解決問題這條途徑之外，通過實驗手段來解決也是非常有效的方法。例如：在處理“流體壓強與流速關系”的課后習題時，有這樣一道題，“一根吸管從中間剪開一個小口彎成直角，一端豎直插入燒杯的水中，用力吹水平這段吸管會看到什么現象并解釋”，這道題可以讓學生親自做實驗，現象非常明顯。

學校還可以開設一個物理教室，教師和學生可以將閑置或廢舊的物品制成教具或學具，以便對不明白的練習題用實驗進行探究。例如：在參照物這一節課的學習后，學生對“相對運動”很難理解，學生可以利用玻璃板、小車、細繩、氣球和風扇來探究物體間的相對運動，起到事半功倍的作用。

總之，在日常教學中教師要給學生提供充足的科學探究的機會，讓學生通過動手動腦做實驗，體驗探究過程的曲折和樂趣，從而落實學科核心素養，培養學生的科學探究能力和科學探究精神。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 廖伯琴.義務教育物理課程標準（2022年版）解讀[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

（責任編輯：陳暢、李梅）

作者簡介? 孫美華，中學一級教師，天津市河北區教師發展中心。天津，300143。