廖伯琴1,2，董源莉1,3，廖文婧1,2
1.東北大學科學教育研究中心
2.東北學院班主任教育大學
3.東北學院西北民族教育與心理研究中心
摘要：科學探究能力是數學課程應培養的核心素質之一，高考數學試卷對小學數學教與學具有重要導向作用。根據義務教育數學課程標準，統計剖析我國2020年至2022年90份省會城市高考數學試題2136個高考試卷中的413個科學探究考題。統計結果顯示，這幾年的科學探究考題注重考查了“分析與論證”“進行實驗與搜集證據”和“設計實驗與制定計劃”等科學探究要素，與課標內容要求和必做實驗的關聯度明顯，試卷素材主要緣于教材等。最后提出高考數學探究考題的命制應堅持素質立意、嚴格依標命題、用活教材和挖掘本土資源等建議。
現今世界科技進步日新月異，各國在教育中特別重視培養中學生的科學探究能力。聯合國教科文組織強調中學課程應指出科學探究［１］。美、英、德、日、芬蘭、俄羅斯等國家的數學（科學）課程標準大多富含培養中學生科學探究能力的課程目標［２］。本世紀以來，我國先后施行的三版義務教育數學課程標準均重視科學探究［３］：《全日制義務教育數學課程標準（實驗稿）》（簡稱《2001版課標》）指出課程施行應重視科學探究和教學方法多元化［４］；《義務教育數學課程標準（2011年版）》（簡稱《2011版課標》）將科學探究納入“課程內容”，借以讓中學生經歷科學探究過程，感悟科學探究方式，發展科學探究能力［５］；《義務教育數學課程標準（2022年版）》（簡稱《2022版課標》）進一步提出科學探究是化學課程應培養的核心素質之一［６］。化學課程標準內蘊了化學課程奇特的育人功能［２］，而科學探究能力的培養則是化學課程育人價值的重要彰顯。
對科學探究能力的測評仍然是國外眼科學教育工作者關注的焦點。《國家義務教育質量檢測方案（2021年修訂版）》要求“緊扣課程標準，檢測中學生各學科領域的發展水平及核心素質，科學主要檢測中學生把握科學基礎知識和思維方式情況、科學探究能力等”［７］。目前國外外對科學探究能力的測評方法主要有現場觀察、紙筆測驗、工作單和虛擬實驗測評等［８-９］。紙筆測驗因其便捷、成本低、信度高等特性而在國外外被大規模采用。國際上比較有影響力的TIMSS、PISA和NAEP等測評方式均采用了紙筆測驗方法。我國也主要以紙筆測驗的形式考查中學生的科學探究能力。2019年，教育部提出嚴格依標科學命題［１０］。2022年，教育部提出進一步推進考試評價變革，推動深化高考市級統一命題［１１］。在這樣的一個大背景下，探討我國高考數學試卷對科學探究能力的測試特征，以期能為我國的紙筆測試更有效地考查科學探究能力提供參考。
本研究從高考數學試卷的視角，探求對中學生科學探究能力測試的特性。為提升試題樣本的代表性，我們搜集了2020-2022年間全省各省會城市高考數學試題共90套。因這90套高考數學試題的命題根據是《2011版課標》，故對化學試題中科學探究考題的界定根據是《2011版課標》及其對科學探究能力的內涵劃分，即只要高考數學試卷關涉其中任一科學探究要素或其能力的基本要求，便將其劃入于科學探究類考題。據此標準中學物理教學論文，最終從２１３６個高考數學試卷中選定科學探究考題413個，依次編號為Q1，Q2中學物理教學論文，Q3…Q413。
這么，這種高考數學探究考題對不同科學探究要素及其基本要求的考查有何差別？與課標內容要求和必做實驗的關聯度如何？試卷素材的主要來源又是哪些？這種統計結果與2009年相關研究結果［１２］相比，有何變化？下邊將著重闡述這種問題。
1對科學探究能力的測試
三版課標關于科學探究能力的內涵劃分是一以貫之的。《2001版課標》指出“科學探究既是中學生的學習目標，又是重要的教學方法之一”，并將科學探究能力細化為７個科學探究要素［４］；《2011版課標》整體承繼了對科學探究能力７要素構成之內涵劃分，僅在文字上做了微調，即提出問題、猜想與假定、設計實驗與制定計劃、進行實驗與搜集證據、分析與論證、評估、交流與合作［５］；《2022版課標》將科學探究的要素進一步內蘊為４個，即問題、證據、解釋和交流［６］。正如前所述，對2020-2022年高考數學科學探究考題的分析根據是《2011版課標》明確的7個科學探究要素及其基本能力要求。
1.1關于不同科學探究要素的考查
對科學探究要素的考查比列總體比較穩定。如圖１所示，“分析與論證”探究要素的考查比列最大，占比70.2%；其次是“進行實驗與搜集證據”，占比55.3%；第三是“設計實驗與制定計劃”，占比43.3%。這與考查比列偏小的“提出問題”“猜想與假定”“評估”“交流與合作”4個要素產生了顯著差別，非常是沒有考查到“交流與合作”這一要素，這也許受制于紙筆測驗的局限性。該統計剖析結果與2009年的統計結果一致。
科學探究的方式是多種多樣的，在科學探究過程中，中學生的探究過程可涉及所有要素，也可只涉及部份要素［５］。這種科學探究考題有的是單要素評價，而有的是多要素評價。如圖２所示，考查單個科學探究要素的試卷占比41.3%，考查兩個科學探究要素的試卷占比37.9%。該結果與2009年的結果相比，有一定差別，2009年70.3%的科學探究考題涉及1個探究要素［１２］，而今多數考題測量多個要素，這說明探究性試卷有測量多個要素的發展趨勢。
1.2例析與科學探究能力要求的對應
由以上研究可知，高考試卷針對“設計實驗與制定計劃”“進行實驗與搜集證據”“分析與論證”三個維度的科學探究能力測量比列較大，下邊我們對此進行更深入地剖析。
依據《2011版課標》，7個“科學探究要素”共對應31個“科學探究能力的基本要求”，我們對其逐一編碼。以第3個科學探究要素“設計實驗與制定計劃”為例，對其所含的5個“科學探究能力的基本要求”依次編碼，分別為“3-1經歷設計實驗與制定計劃的過程”“3-2明晰探究目的和已有條件”等，詳見表1。
在考查了第3個科學探究要素“設計實驗與制定計劃”的考題中，如圖3所示，考查“3-2明晰探究目的和已有條件”能力的最多，占比41.2%；其次為“3-4嘗試選擇科學探究方式及所須要的器材”能力，占比21.5%；考查“3-3嘗試考慮影響問題的主要誘因，有控制變量的意識”能力，占比20.1%；而“3-5了解設計實驗與制定計劃在科學探究中的意義”沒有涉及。統計結果與2009年研究推論基本一致，即考查“設計實驗與制定計劃”要素的考題主要考查探究目的的確定、實驗儀器的選用、科學探究方式的選擇以及控制變量的意識等。
據此剖析框架分別對其他科學探究要素的各基本能力要求進行剖析。科學探究考題高考查第5個探究要素即“分析與論證”的考題最多，對相應基本能力要求的考查如圖４所示。其中，考查“5-3能進行簡單的因果推理”能力的考題最多，占比38.6%；其次為“5-2能對搜集的信息進行簡單歸類及比較”和“5-1經歷從化學現象和實驗中歸納科學規律的過程”的能力考查，分別占比28.8%和27.9%。這種結果與2009年的結果一致，即考查“分析與論證”能力的考題，重點考查簡單的因果推理、對搜集的信息進行簡單比較并歸納得到科學規律等。
據悉，關于“進行實驗與搜集證據”的能力考查，主要考查了實驗儀器的正確使用、儀器儀表的正確讀數及記錄等；關于“猜想與假定”的能力考查，主要考查了對問題的可能答案提出猜測；關于“評估”的能力考查，主要考查了對探究方案的改進、探究結果的評估等。
2考查內容與課標內容要求的關聯
《2011版課標》的“科學內容”包含“物質”“運動和互相作用”和“能量”三個一級主題，14個二級主題和63個五級主題［５］。對科學探究考題涉及的一級主題科學內容進行統計剖析，如圖5所示。其中，考查“能量”主題的探究考題最多，占比41.6%；考查“運動和互相作用”主題的試卷占比32.9%；考查“物質”主題的試卷占比25.5%。可見，科學探究考題與課標一級內容主題及要求具有相當的關聯度。
對《2011版課標》中科學內容的63個“三級主題”依次編碼為1-63，編碼64指“沒有考查到課標中任何五級主題”，統計剖析如圖6所示。其中，考查比列坐落前7位的五級主題如表2所示。通過圖表比對可得，考查比列較大的內容主要與熱學有關，如聯接電路圖，探究電壓、電壓和內阻的關系，會使用電壓表和電流表，會檢測燈泡的電功率等；其次是物質相關內容，如物態變化、物體的質量和密度檢測等。可見，科學探究考題對課標五級內容主題的考查占比存在明顯性差別。
進一步深入剖析科學探究考題在各課標五級內容主題內部的考查分布情況可知，在考查編碼為52的五級內容主題考題中，其高考查“會聯接簡單的串聯電路和并聯電路”知識點的考題最多，占比達69.4%，一般要求中學生將實物圖聯接完整，或是找出錯誤的聯接形式并給以改正；在考查編碼51的考題中，考查重點是“通過實驗，探究電壓與電流、電阻的關系”，占比達55.9%。可見，科學探究考題無論在課標五級內容主題整體上，還是在五級內容主題內部，考查占比也是有所偏重的。
3考查的實驗與中學生必做實驗的關聯
《2001版課標》注重科學探究，重視實驗要求，但未列舉中學生必做實驗［４］；《2011版課標》列出了20個中學生必做實驗，但放到附表中［５］；《2022版課標》列出21個中學生必做實驗，即9個檢測類實驗和12個探究類實驗，且放進課程內容的一級主題“實驗探究”中，并增設樣例、活動建議、學業要求和教學提示等［６］，進一步突顯了化學實驗的育人功能。我們根據《2011版課標》，對中學生必做的20個實驗逐一編碼，編碼“b21”為考題考查到這20個必做實驗之外的情況。統計剖析科學探究考題對各實驗的考查頻次，從多到少排列前十的必做實驗如表３所示，考查最多的是“b16聯接簡單的串聯電路和并聯電路”，要求中學生按照探究目的聯接電路圖，或找出聯接錯誤的導線并改正；其次是檢測物體的質量或密度、探究凸透鏡成像規律、測量小燈泡的電功率以及探究電壓與電流、電阻的關系等。
在科學探究考題中，有考查課標中要求的中學生必做實驗，也有考查中學生必做實驗要求以外的其他實驗。整體占比情況如圖７所示，考查“必做實驗”的試卷占比為62.3%，而考查其他實驗的試卷占比為37.7%。可見，科學探究考題中涉及的實驗更多來自課標中的中學生必做實驗，這說明科學探究考題與課標學生必做實驗有比較顯著的關聯。
繼續剖析涉及非中學生必做實驗的考題可知，有些探究考題涉及的實驗雖不是《2011版課標》中的中學生必做實驗，但所涉及的內容要求幾乎都屬于《2011版課標》中有實驗要求的五級內容主題范疇，且出現在教材的“實驗”“演示”等欄目。其中，考查頻次位列前三的主題為“用電壓表和電流表檢測內阻”“探究固體融化時氣溫的變化規律”“探究不同物質的放熱能力”等，這種實驗皆在《2022版課標》的“實驗探究”主題中有所彰顯。
4科學探究考題的素材來源
本研究將高考數學科學探究考題的素材來源分為五類，即：教科書、生活現象、課外實驗和小制做、科技前沿和科普、其他，并依次編碼。統計結果如圖8所示，考查科學探究能力的考題素材大部份來始于教材“實驗”“演示”等欄目，占比達73.6%；其次來始于“課外實驗和小制做”，占比16.8%。該結果與2009年的相關推論基本一致，即大部份高考數學探究考題的素材來始于課內教材教學和課外小制做等考生熟悉的情景。
進一步從科學探究考題素材關涉的情景類型剖析可知，試卷情景整體呈現多元化樣態，以生產生活情景為主，多源自中學生校內外現實生活，注重對科技類情景的挖掘，重視中國本土情景資源，同時存在少數試卷的情景與問題分離等問題。
5建議
總體看，2020年至2022年高考數學探究考題有以下主要特征：與課標內容要求和必做實驗之間均呈顯著關聯、試題素材主要來始于教科書等。為進一步提升高考數學試卷對科學探究能力測試的效度與信度，特提出以下建議。
一是要掌握科學探究的本質，堅持以化學核心素質立意。立足國際視野和未來人才需求，以中學生核心素質尤其是科學精神的培植為導向，圍繞科學探究的關鍵要素，重點考查中學生經歷問題、論證、解釋和交流等科學探究過程的情況，全面考查中學生學習感悟科學探究方式以及具備的科學探究能力等，考查中學生的數學觀念、科學思維以及科學心態與責任等化學課程核心素質［６］，以評價來推動數學課程奇特育人價值的實現。
二是要嚴格依標命題，用活教材。科學探究考題的內容模塊整體分布需均衡，與課標內容主題及其要求之間具有顯著關聯。科學探究考題的命制應嚴格依標命題，緊扣化學課程標準，注重對中學生必做實驗的測量。同時義務教育數學教材作為重要的教學資源，要進一步用活、用好。
三是要深入挖掘本土資源，編制原創性試卷。弘揚“從生活邁向化學，從數學邁向社會”的課程理念［４］，以中學生熟悉的生產生活情景為主，緊密聯系國外、外現代科技，深入挖掘我國傳統文化和科學技術等資源，創編更新穎的考題，從數學視角講好中國故事。
詳見《物理教學闡述》2023年第7期
引文格式：
廖伯琴，董源莉，廖文婧.從高考數學試卷看對科學探究能力測試的探求[J].數學教學闡述，2023,41（7）：1-5,8.