郭芳俠 馮 豪 楊 卓

(陜西師范大學物理學與信息技術(shù)學院,陜西 西安 710119)

近年來,學科能力是核心素養(yǎng)重要的組成部分.對于學科能力的含義不同的研究者有不同的觀點.林崇德認為學科能力有3種含義：一是學生掌握某學科的一般能力;二是學生在學習某學科時的智力活動及其有關(guān)的智力與能力的成分;三是學生學習某學科的學習能力、學習策略與學習方法.[1]王磊認為學科能力是指學生順利進行相應(yīng)學科的認識活動和問題解決活動所必需的、穩(wěn)定的心理調(diào)節(jié)機制.[2]《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》指出要培養(yǎng)學生核心素養(yǎng),增強科學探究和解決實際問題的能力,要求學生養(yǎng)成物理學科核心素養(yǎng).[3]高考不僅為高等院校選拔人才,同時也會引領(lǐng)中學物理教學,具有導向作用,[4]高考試題的細微變化,都會直接影響物理教學.對于高考試題的深度分析,為高考試題的研發(fā)提供參考,從而更好地為國家選拔人才,同時揭示高考試題的變化趨勢.課程標準要求教育要聚焦學生核心素養(yǎng)發(fā)展的視域,究其根本是要讓能力的發(fā)展落實到各學科之中.在以往研究中,邢紅軍提出觀察實驗、推理運算、遷移創(chuàng)新等在內(nèi)的物理學科能力內(nèi)涵.[5]郭玉英根據(jù)北京師范大學學科教育團隊提出的學習理解、應(yīng)用實踐、遷移創(chuàng)新的學科能力提出物理學科能力的理論框架.[6]沈正杰從PISA科學素養(yǎng)的視角出發(fā),探討提升學生的物理學科能力的方法.[7]基于學科能力對高考試題的分析分為橫向分析和縱向分析.沈文炳從物理學科能力的維度和能力水平出發(fā),分析2017年全國新課標Ⅰ卷;[8]王宏博運用物理學科關(guān)鍵能力框架定性和定量分析2017—2018年全國卷和北京卷8套高考物理試題的能力考查現(xiàn)狀,并提出高考試題命制建議;[9]姜楠基于物理學科能力表現(xiàn)框架對2018年全國卷和江蘇卷考查的能力維度和能力水平進行比較研究;[10]孫瑜以化學學科能力模型為依據(jù),分析2008—2020年江蘇高考化學試題學科能力要求,得出江蘇高考試題的變化趨勢;[11]李淇淇基于核心素養(yǎng)的物理學科關(guān)鍵能力視角定量分析高考改革前后2019—2021年的全國不同地區(qū)高考物理試題.[12]此外還有針對物理學科能力中具體能力的研究,例如發(fā)展學生的建模意識與能力、[13]思維能力[14]等.因此本文運用郭玉英教授提出的物理學科能力表現(xiàn)的理論框架,對近5年全國高考乙卷物理試題進行縱向?qū)Ρ确治?剖析試題內(nèi)在的物理學科能力表現(xiàn),從而揭示試題的變化趨勢.

1 物理學科能力表現(xiàn)框架

物理學科能力的定義多種多樣,通常認為物理學科能力是復(fù)合性能力,科學思維、實驗探究、解釋論證等是共同要素,既包含物理學自身的特殊能力,如物理思想、實驗?zāi)芰Φ?又囊括與其他學科共有的能力,如記憶、概括、創(chuàng)新等.

郭玉英教授提出的物理學科能力是目前廣泛接受的理論,該理論聚焦關(guān)鍵能力的發(fā)展,提出三維、九級的物理學科能力體系.三維是指學習理解、應(yīng)用實踐、遷移創(chuàng)新,同時每個維度下設(shè)3個二級指標,將學生的學科能力表現(xiàn)劃分為9個等級,從A1到C3能力層級逐步提高.[15]其主體內(nèi)容如圖1所示.

圖1 物理學科能力表現(xiàn)框架

學習理解、應(yīng)用實踐和遷移創(chuàng)新三者相互關(guān)聯(lián)又較為獨立,學習理解能力和應(yīng)用實踐能力是其中較為基礎(chǔ)的能力,遷移創(chuàng)新能力屬于較高層次的能力,對學生有更高的要求.該理論囊括了物理學科的關(guān)鍵能力,能夠較為全面和準確地評價試題考查的物理學科能力.

學習理解是指學生成功實現(xiàn)對物理知識輸入、建構(gòu)、整合活動的能力.在學習活動中具體表現(xiàn)為是否能夠?qū)χR進行記憶與提取、分辨與確認、關(guān)聯(lián)和歸納等活動.應(yīng)用實踐是指學生應(yīng)用已有的物理概念和規(guī)律,對物理事實與過程進行解釋,分析熟悉情景中的物理問題,調(diào)用認知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)物理知識,實現(xiàn)問題的解決,屬于對知識簡單地輸出與加工的能力.遷移創(chuàng)新能力是學生物理學科能力的高層次表現(xiàn),指學生以物理知識和物理方法為基礎(chǔ),對陌生和不確定性問題的解決以及發(fā)現(xiàn)新知識的能力,包括建立遷移、復(fù)雜推理和科學實踐能力,是一種高層次的知識輸出,屬于物理學科能力中的最高表現(xiàn).本研究選取的對象是高考試題,且試題的能力等級區(qū)分不明顯.為了便于分析,對原始框架進行了一定的修訂,主要是將二級指標的定義進行說明解釋,以期能夠貼合本研究的實際,如表1所示.

2 研究過程

2.1 研究對象

以物理學科能力表現(xiàn)理論為基礎(chǔ),確定物理學科能力表現(xiàn)框架,選取2019—2023年全國Ⅰ卷(2021年改為全國乙卷,以下都簡稱全國乙卷)物理試題為研究對象,分析試題表現(xiàn)出的物理學科關(guān)鍵能力的分布及其趨勢和特點.

2.2 分析方法

首先依據(jù)學科能力框架的9個二級指標對所有試題進行分析判定,歸屬到相應(yīng)的能力層次.統(tǒng)計試題考查的各個學科子能力的占比,即將該試卷中涉及該能力試題的分數(shù)除以總分數(shù),其中試題的分值按照試卷的分值,以題目為基準進行計算.物理高考總分是110分,由于選修3-3和選修3-4是選其一作答,為了便于進行分值的統(tǒng)計,兩道題都進行統(tǒng)計分析,所以試卷滿分按照125分計算.若考查“A1”能力的試題分值為25分,則其占比為20%,其他類似.再按照學科能力一級維度進行所占比例統(tǒng)計.其次按照知識模塊歸類分析,以此比較各年份高考試題中學科能力的表現(xiàn)情況,最后通過能力表現(xiàn)系數(shù)比較各年試卷的總體學科能力水平情況,以期為教師培養(yǎng)學生物理學科能力提供參考.

表1 物理學科能力表現(xiàn)框架說明

下面以一道題為例簡要說明上述能力指標在物理試題分析中的應(yīng)用.

圖2 黑箱

例1.(2023年全國乙卷20題)黑箱外有編號為1、2、3、4的4個接線柱(圖2),接線柱1和2、2和3、3和4之間各接有一個電阻,在接線柱間還接有另外一個電阻R和一個直流電源.測得接線柱之間的電壓U12=3.0 V,U23=2.5 V,U34=-1.5 V.符合上述測量結(jié)果的可能接法是

(A) 電源接在1、4之間,R接在1、3之間.

(B) 電源接在1、4之間,R接在2、4之間.

(C) 電源接在1、3之間,R接在1、4之間.

(D) 電源接在1、3之間,R接在2、4之間.

分析：本題以黑箱為問題情境,以將陌生情境問題與電學知識進行關(guān)聯(lián)為載體.基于問題信息和電路內(nèi)容對電路圖進行推導判斷,根據(jù)選項推導電路圖,再與題中信息進行驗證,從而解決此題,因此本題屬于直覺聯(lián)想.

2.3 試題學科能力表現(xiàn)系數(shù)的定義

為了整體比較各年份試題的物理學科能力表現(xiàn),定義一種適合本研究的試題學科能力整體表現(xiàn)系數(shù),進行簡單量化.由于學科能力的9個二級子能力水平是逐級進階的,因而對其由低到高進行賦值,A1、 A2、A3、B1、 B2、B3、C1、C2、C3分別賦值1、2…8、9, 再將每一子能力賦的分值與其相應(yīng)的分數(shù)占比相乘并求和,即可得到試卷的學科能力表現(xiàn)系數(shù),能夠大致從宏觀上反映不同年份試題表現(xiàn)的學科能力的相對高低.其具體表示為

其中P表示高考物理試卷的學科能力表現(xiàn)系數(shù),i表示某一個二級學科能力的賦值,ni為該二級能力等級的試題在試卷中的占比.

2.4 物理學科能力表現(xiàn)指標的評分者信度檢驗

為確保對試題的學科能力表現(xiàn)指標評價的客觀性,采用肯德爾和諧系數(shù)對評分者信度進行驗證.若相關(guān)系數(shù)在0.8以上,則評分者信度較高.以2021年全國甲卷高考物理試題(共28題)為例,根據(jù)表1中的物理學科能力評價框架對兩名學生進行培訓,然后獨立地對試題進行逐一劃分、評價,3位評價者記為a、b、c,運用SPSS軟件對結(jié)果進行信度檢驗.肯德爾和諧系數(shù)W=0.829,因此信度較高.

3 研究結(jié)果分析

3.1 學科能力一級指標的考查情況分析

按照學習理解、應(yīng)用實踐、遷移創(chuàng)新3個維度對2019—2023年高考物理試題進行學科能力等級劃分,并統(tǒng)計對應(yīng)分值并計算其占比,結(jié)果如表2所示.

表2 試題按一級指標的分值分布情況

根據(jù)表格中的數(shù)據(jù),以占比為縱軸,年份為橫軸,繪制各物理學科能力占比的統(tǒng)計直方圖,如圖3所示.

圖3 2019—2023年試題的物理學科能力占比比較

圖3顯示,在2019年至2023年的全國乙卷物理試題中,總體呈現(xiàn)的特征是對應(yīng)用實踐(B)能力的考查占比始終最高,平均占比達51.52%;其次對遷移創(chuàng)新(C)能力的考查平均占比在32.48%;對學習理解能力(A)的考查最少,平均占比為16%.從趨勢上看,應(yīng)用實踐能力考查的比例呈現(xiàn)U型,而對遷移創(chuàng)新能力的考查比例呈現(xiàn)倒U型.其中2021年乙卷試題對學習理解能力、遷移創(chuàng)新能力的考查比例是5年中最高的,對應(yīng)用實踐能力的考查比例則是5年中最低的.2023年乙卷試題對學習理解、應(yīng)用實踐能力考查比例是5年中最高的,對遷移創(chuàng)新能力的考查比例是最低的,對學習理解、應(yīng)用實踐能力考查的總比例占到76%,更加注重考查學生的基礎(chǔ)知識和基本應(yīng)用能力,適當降低了高層次能力試題的占比.課程標準中強調(diào)高考物理命題要加強考查學生應(yīng)用物理學知識綜合解決實際問題的能力,強調(diào)創(chuàng)新精神和實踐能力的考查.高考試題是根據(jù)課程標準中的物理學科核心素養(yǎng)和學業(yè)質(zhì)量水平的要求命制的,因此高考試題在能力考查的設(shè)計上偏重應(yīng)用實踐能力和遷移創(chuàng)新的考查,因此提示教師在教學過程要注重對學生高層次學科能力的培養(yǎng).

3.2 學科能力二級指標的考查情況分析

為了更深入地分析試題反應(yīng)的能力要素情況,按學科能力的各二級能力指標對試題進行分類,并統(tǒng)計分值和比例,結(jié)果如表3所示.為了更清晰地呈現(xiàn)變化趨勢,繪制如圖4所示的折線圖.

表3數(shù)據(jù)和圖4表明,在2019年至2023年全國乙卷物理試題中,各二級能力對應(yīng)的試題分布比例不盡相同.具體分析如下.

表3 試題按二級指標的分值分布情況(%)

圖4 2019—2023年試題的

“學習理解”維度下的3個二級指標對應(yīng)的試題分布,觀察記憶(A1)能力屬于最低的學科能力層次,每年的占比在3個二級指標中都是最低的.概括論證(A2)和關(guān)聯(lián)整合(A3)表現(xiàn)出波動性,2023年對概括論證(A2)能力考查的比例最高.

“應(yīng)用實踐”(B)維度的3個二級指標在試題中的呈現(xiàn)情況,分析解釋(B1)、綜合應(yīng)用(B3)的考查比例相對較高,推論預(yù)測(B2)的相對較少且明顯地呈現(xiàn)逐年遞減趨勢,2023年沒有相關(guān)能力的試題.分析解釋能力主要是考查學生從單一情境中提取信息,調(diào)用物理概念、規(guī)律對其進行分析,從而合理解釋物理現(xiàn)象,2023年對分析解釋能力的考查大幅提升,達到29.6%,是近5年最高的一年;推論預(yù)測能力考查學生在情境中獲取信息,進行邏輯推理,通過科學推理對觀點進行論證,以2.4%左右的幅度逐年降低;綜合應(yīng)用能力是考查的重點,雖然不同年份綜合應(yīng)用能力試題的占比略有調(diào)整,但從2020年起,其占比逐漸增加.2023年相較于前幾年對綜合應(yīng)用能力的考查有所增加,達到27.2%.

試題對遷移創(chuàng)新(C)維度下的3個二級指標的考查,除2019年外,其余4年對建構(gòu)新模型(C3)的考查比例均低于或等于對直覺聯(lián)想(C1)和遷移與質(zhì)疑(C2)的考查.直覺聯(lián)想能力的考查比例在4.8%至13.6%之間有較大的變化,大致呈現(xiàn)倒U型分布,同時可以看到遷移與質(zhì)疑和建構(gòu)新模型能力的考查呈現(xiàn)波動變化,幅度在6.4%內(nèi).2023年對C1、C2、C3能力的考查比例相等,均為8.0%,相較其他年份都有所下降.

3.3 知識模塊考查物理學科能力分析

將高中物理知識劃分為力學、熱學、光學、電磁學、近代物理5個模塊,按照各個模塊進行統(tǒng)計,得到2019—2023年全國乙卷物理試題各知識模塊對學科能力考查的分布,如表4所示.

續(xù)表

根據(jù)表4按照各知識模塊進行整理,繪制出各年份對不同知識所考查能力的統(tǒng)計圖并進行分析,如圖5所示.

圖5 各模塊的物理學科能力統(tǒng)計圖

圖5表明近5年全國乙卷物理試題對力學模塊的考查側(cè)重于應(yīng)用實踐(B)能力,總體來說占比的波動幅度較大,但均多于對學習理解和遷移創(chuàng)新的考查,2023年力學模塊對遷移創(chuàng)新的考查最少.對于電磁學模塊,重點考查的是應(yīng)用實踐和遷移創(chuàng)新,除2019年外,其他幾年二者此起彼伏交替變化,但二者占比和均在33%左右,注重中高階能力的考查.這是普通高等學校招生全國統(tǒng)一考試大綱(物理)和課程標準對學生的要求的體現(xiàn).高考大綱對此部分要求是學生能夠理解、敘述和解釋,并能運用知識對實際問題分析、綜合、推理和判斷等.課標對此部分知識的要求具有建構(gòu)物理概念、培養(yǎng)學生的物理觀念,注重運用規(guī)律知識分析、解釋物理現(xiàn)象或過程的能力,重視模型的綜合應(yīng)用與建構(gòu)能力的發(fā)展.由于電磁學知識本身具有較高的抽象性,在教學中應(yīng)當注意學生對電磁學概念的建構(gòu)和掌握,并且在掌握的基礎(chǔ)上發(fā)展學生對電磁學知識的應(yīng)用實踐能力和遷移創(chuàng)新能力,有意識地增加有關(guān)方面的訓練,以促進學生的能力形成和提升.

對于熱學模塊,除2023年外,2019—2022年的試卷不涉及學習理解能力,全部集中在應(yīng)用實踐能力和遷移創(chuàng)新能力的考查上,對二者的考查占比呈現(xiàn)出交替變化的特點.但2023年在熱學部分增加了對學習理解能力考查,但未涉及應(yīng)用實踐能力的考查.對于熱學知識的教學,教師要著力于引導學生對分析方法的學習,立足對原理的應(yīng)用,并在不斷的應(yīng)用中逐漸進行方法遷移.

對光學知識的考查總體占比很小,并且不是每年都會出現(xiàn),例如在2020年就沒有涉及光學.考查均聚焦于應(yīng)用實踐(B)和遷移創(chuàng)新(C)能力.二者交替或同時出現(xiàn).符合課標對此部分知識的能力要求,側(cè)重對光學定律的理解和應(yīng)用,論證光的波動性,提高科學論證能力;在具體情境建立有關(guān)模型,實現(xiàn)具體問題的解決.

從圖5中可以明顯看到,近代物理知識模塊的考查歷年占比都是最少的,穩(wěn)定在4.8%.2019—2021年對此模塊的考查只涉及學習理解能力,2022—2023年僅限于應(yīng)用實踐能力,近5年從未涉及對遷移創(chuàng)新能力的考查.

綜合上述分析,從整體來看可以得到以下結(jié)論：力學和電磁學知識模塊試題出現(xiàn)的頻率、對能力的廣度、層次的要求,都明顯高于其他知識模塊;熱學和光學知識模塊都幾乎沒有出現(xiàn)對學習理解能力考查的試題,更偏重高級能力的考查;近代物理知識模塊出現(xiàn)的頻率最低、所要求的能力層級也最低,沒有涉及對遷移創(chuàng)新能力的考查,更多地聚焦于學習理解能力,僅僅考查學生對知識點的理解和記憶.

3.4 試卷能力表現(xiàn)系數(shù)比較

根據(jù)設(shè)計的能力表現(xiàn)系數(shù)計算方法,計算近五年試卷的學科能力表現(xiàn)系數(shù)表現(xiàn)值并繪圖,如圖6所示.

從圖6中可以看到2019—2022年總體能力表現(xiàn)系數(shù)逐年緩慢上升,變化幅度很小,但2023年與前4年相比有所下降,和2022年相比,下降了約10%.主要原因是試題對高階能力遷移創(chuàng)新的考查比例是近5年中最低的,低于近5年的平均占比約8.5%,而低階的學習理解的考查比例是歷年最高的,高于平均占比約3.2%.

圖6 2019—2023年高考試題能力表現(xiàn)系數(shù)

4 結(jié)論

基于物理學科能力表現(xiàn)框架對2019—2023年全國乙卷進行了全方位深入分析,并引入能力表現(xiàn)系數(shù)加以縱向比較,得到以下結(jié)論.

(1) 近5年全國乙卷物理試題尤其注重對應(yīng)用實踐能力的考查,平均占比超過一半,具體到二級子能力,主要聚焦在分析解釋和綜合應(yīng)用,特別是綜合應(yīng)用,從2020年起,逐年遞增.而推論預(yù)測這一子能力表現(xiàn)相對較少且呈現(xiàn)明顯的逐年遞減趨勢.位居第二的是遷移創(chuàng)新能力的考查,占到三成多,具體到二級子能力,主要聚焦于遷移與質(zhì)疑.考查最少的是學習理解.(2) 從變化趨勢上看,應(yīng)用實踐能力考查的比例呈現(xiàn)U型,對遷移創(chuàng)新能力的考查比例呈現(xiàn)倒U型.學習理解表現(xiàn)出波動特征,但幅度不大.(3) 2019—2022年全國乙卷物理試題的學科能力表現(xiàn)系數(shù)表現(xiàn)為逐年上升,但2023年有所下降.(4) 力學和電磁學模塊試題,對學科能力考查更為全面,對學生的學科能力要求也較高.局限于考試時間,試題數(shù)量有限,因而對熱學、光學、近代物理模塊考查的范圍和能力層次要求就有所取舍.