廖伯琴1,2，董源莉1,3，廖文婧1,2
1.东北大学科学教育研究中心
2.东北学院班主任教育大学
3.东北学院西北民族教育与心理研究中心
摘要：科学探究能力是数学课程应培养的核心素质之一，高考数学试卷对小学数学教与学具有重要导向作用。根据义务教育数学课程标准，统计剖析我国2020年至2022年90份省会城市高考数学试题2136个高考试卷中的413个科学探究考题。统计结果显示，这几年的科学探究考题注重考查了“分析与论证”“进行实验与搜集证据”和“设计实验与制定计划”等科学探究要素，与课标内容要求和必做实验的关联度明显，试卷素材主要缘于教材等。最后提出高考数学探究考题的命制应坚持素质立意、严格依标命题、用活教材和挖掘本土资源等建议。
现今世界科技进步日新月异，各国在教育中特别重视培养中学生的科学探究能力。联合国教科文组织强调中学课程应指出科学探究［１］。美、英、德、日、芬兰、俄罗斯等国家的数学（科学）课程标准大多富含培养中学生科学探究能力的课程目标［２］。本世纪以来，我国先后施行的三版义务教育数学课程标准均重视科学探究［３］：《全日制义务教育数学课程标准（实验稿）》（简称《2001版课标》）指出课程施行应重视科学探究和教学方法多元化［４］；《义务教育数学课程标准（2011年版）》（简称《2011版课标》）将科学探究纳入“课程内容”，借以让中学生经历科学探究过程，感悟科学探究方式，发展科学探究能力［５］；《义务教育数学课程标准（2022年版）》（简称《2022版课标》）进一步提出科学探究是化学课程应培养的核心素质之一［６］。化学课程标准内蕴了化学课程奇特的育人功能［２］，而科学探究能力的培养则是化学课程育人价值的重要彰显。
对科学探究能力的测评仍然是国外眼科学教育工作者关注的焦点。《国家义务教育质量检测方案（2021年修订版）》要求“紧扣课程标准，检测中学生各学科领域的发展水平及核心素质，科学主要检测中学生把握科学基础知识和思维方式情况、科学探究能力等”［７］。目前国外外对科学探究能力的测评方法主要有现场观察、纸笔测验、工作单和虚拟实验测评等［８-９］。纸笔测验因其便捷、成本低、信度高等特性而在国外外被大规模采用。国际上比较有影响力的TIMSS、PISA和NAEP等测评方式均采用了纸笔测验方法。我国也主要以纸笔测验的形式考查中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，教育部提出进一步推进考试评价变革，推动深化高考市级统一命题［１１］。在这样的一个大背景下，探讨我国高考数学试卷对科学探究能力的测试特征，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。
本研究从高考数学试卷的视角，探求对中学生科学探究能力测试的特性。为提升试题样本的代表性，我们搜集了2020-2022年间全省各省会城市高考数学试题共90套。因这90套高考数学试题的命题根据是《2011版课标》，故对化学试题中科学探究考题的界定根据是《2011版课标》及其对科学探究能力的内涵划分，即只要高考数学试卷关涉其中任一科学探究要素或其能力的基本要求，便将其划入于科学探究类考题。据此标准中学物理教学论文，最终从２１３６个高考数学试卷中选定科学探究考题413个，依次编号为Q1，Q2中学物理教学论文，Q3…Q413。
这么，这种高考数学探究考题对不同科学探究要素及其基本要求的考查有何差别？与课标内容要求和必做实验的关联度如何？试卷素材的主要来源又是哪些？这种统计结果与2009年相关研究结果［１２］相比，有何变化？下边将着重阐述这种问题。
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划分是一以贯之的。《2001版课标》指出“科学探究既是中学生的学习目标，又是重要的教学方法之一”，并将科学探究能力细化为７个科学探究要素［４］；《2011版课标》整体承继了对科学探究能力７要素构成之内涵划分，仅在文字上做了微调，即提出问题、猜想与假定、设计实验与制定计划、进行实验与搜集证据、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内蕴为４个，即问题、证据、解释和交流［６］。正如前所述，对2020-2022年高考数学科学探究考题的分析根据是《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列总体比较稳定。如图１所示，“分析与论证”探究要素的考查比列最大，占比70.2%；其次是“进行实验与搜集证据”，占比55.3%；第三是“设计实验与制定计划”，占比43.3%。这与考查比列偏小的“提出问题”“猜想与假定”“评估”“交流与合作”4个要素产生了显著差别，非常是没有考查到“交流与合作”这一要素，这也许受制于纸笔测验的局限性。该统计剖析结果与2009年的统计结果一致。
科学探究的方式是多种多样的，在科学探究过程中，中学生的探究过程可涉及所有要素，也可只涉及部份要素［５］。这种科学探究考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卷占比41.3%，考查两个科学探究要素的试卷占比37.9%。该结果与2009年的结果相比，有一定差别，2009年70.3%的科学探究考题涉及1个探究要素［１２］，而今多数考题测量多个要素，这说明探究性试卷有测量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，高考试卷针对“设计实验与制定计划”“进行实验与搜集证据”“分析与论证”三个维度的科学探究能力测量比列较大，下边我们对此进行更深入地剖析。
依据《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“设计实验与制定计划”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经历设计实验与制定计划的过程”“3-2明晰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“设计实验与制定计划”的考题中，如图3所示，考查“3-2明晰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式及所须要的器材”能力，占比21.5%；考查“3-3尝试考虑影响问题的主要诱因，有控制变量的意识”能力，占比20.1%；而“3-5了解设计实验与制定计划在科学探究中的意义”没有涉及。统计结果与2009年研究推论基本一致，即考查“设计实验与制定计划”要素的考题主要考查探究目的的确定、实验仪器的选用、科学探究方式的选择以及控制变量的意识等。
据此剖析框架分别对其他科学探究要素的各基本能力要求进行剖析。科学探究考题高考查第5个探究要素即“分析与论证”的考题最多，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”能力的考题最多，占比38.6%；其次为“5-2能对搜集的信息进行简单归类及比较”和“5-1经历从化学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%。这种结果与2009年的结果一致，即考查“分析与论证”能力的考题，重点考查简单的因果推理、对搜集的信息进行简单比较并归纳得到科学规律等。
据悉，关于“进行实验与搜集证据”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“猜想与假定”的能力考查，主要考查了对问题的可能答案提出猜测；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”“运动和互相作用”和“能量”三个一级主题，14个二级主题和63个五级主题［５］。对科学探究考题涉及的一级主题科学内容进行统计剖析，如图5所示。其中，考查“能量”主题的探究考题最多，占比41.6%；考查“运动和互相作用”主题的试卷占比32.9%；考查“物质”主题的试卷占比25.5%。可见，科学探究考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五级主题”，统计剖析如图6所示。其中，考查比列坐落前7位的五级主题如表2所示。通过图表比对可得，考查比列较大的内容主要与热学有关，如联接电路图，探究电压、电压和内阻的关系，会使用电压表和电流表，会检测灯泡的电功率等；其次是物质相关内容，如物态变化、物体的质量和密度检测等。可见，科学探究考题对课标五级内容主题的考查占比存在明显性差别。
进一步深入剖析科学探究考题在各课标五级内容主题内部的考查分布情况可知，在考查编码为52的五级内容主题考题中，其高考查“会联接简单的串联电路和并联电路”知识点的考题最多，占比达69.4%，一般要求中学生将实物图联接完整，或是找出错误的联接形式并给以改正；在考查编码51的考题中，考查重点是“通过实验，探究电压与电流、电阻的关系”，占比达55.9%。可见，科学探究考题无论在课标五级内容主题整体上，还是在五级内容主题内部，考查占比也是有所偏重的。
3考查的实验与中学生必做实验的关联
《2001版课标》注重科学探究，重视实验要求，但未列举中学生必做实验［４］；《2011版课标》列出了20个中学生必做实验，但放到附表中［５］；《2022版课标》列出21个中学生必做实验，即9个检测类实验和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］，进一步突显了化学实验的育人功能。我们根据《2011版课标》，对中学生必做的20个实验逐一编码，编码“b21”为考题考查到这20个必做实验之外的情况。统计剖析科学探究考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联接简单的串联电路和并联电路”，要求中学生按照探究目的联接电路图，或找出联接错误的导线并改正；其次是检测物体的质量或密度、探究凸透镜成像规律、测量小灯泡的电功率以及探究电压与电流、电阻的关系等。
在科学探究考题中，有考查课标中要求的中学生必做实验，也有考查中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”的试卷占比为62.3%，而考查其他实验的试卷占比为37.7%。可见，科学探究考题中涉及的实验更多来自课标中的中学生必做实验，这说明科学探究考题与课标学生必做实验有比较显著的关联。
继续剖析涉及非中学生必做实验的考题可知，有些探究考题涉及的实验虽不是《2011版课标》中的中学生必做实验，但所涉及的内容要求几乎都属于《2011版课标》中有实验要求的五级内容主题范畴，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“用电压表和电流表检测内阻”“探究固体融化时气温的变化规律”“探究不同物质的放热能力”等，这种实验皆在《2022版课标》的“实验探究”主题中有所彰显。
4科学探究考题的素材来源
本研究将高考数学科学探究考题的素材来源分为五类，即：教科书、生活现象、课外实验和小制做、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考题素材大部份来始于教材“实验”“演示”等栏目，占比达73.6%；其次来始于“课外实验和小制做”，占比16.8%。该结果与2009年的相关推论基本一致，即大部份高考数学探究考题的素材来始于课内教材教学和课外小制做等考生熟悉的情景。
进一步从科学探究考题素材关涉的情景类型剖析可知，试卷情景整体呈现多元化样态，以生产生活情景为主，多源自中学生校内外现实生活，注重对科技类情景的挖掘，重视中国本土情景资源，同时存在少数试卷的情景与问题分离等问题。
5建议
总体看，2020年至2022年高考数学探究考题有以下主要特征：与课标内容要求和必做实验之间均呈显著关联、试题素材主要来始于教科书等。为进一步提升高考数学试卷对科学探究能力测试的效度与信度，特提出以下建议。
一是要掌握科学探究的本质，坚持以化学核心素质立意。立足国际视野和未来人才需求，以中学生核心素质尤其是科学精神的培植为导向，围绕科学探究的关键要素，重点考查中学生经历问题、论证、解释和交流等科学探究过程的情况，全面考查中学生学习感悟科学探究方式以及具备的科学探究能力等，考查中学生的数学观念、科学思维以及科学心态与责任等化学课程核心素质［６］，以评价来推动数学课程奇特育人价值的实现。
二是要严格依标命题，用活教材。科学探究考题的内容模块整体分布需均衡，与课标内容主题及其要求之间具有显著关联。科学探究考题的命制应严格依标命题，紧扣化学课程标准，注重对中学生必做实验的测量。同时义务教育数学教材作为重要的教学资源，要进一步用活、用好。
三是要深入挖掘本土资源，编制原创性试卷。弘扬“从生活迈向化学，从数学迈向社会”的课程理念［４］，以中学生熟悉的生产生活情景为主，紧密联系国外、外现代科技，深入挖掘我国传统文化和科学技术等资源，创编更新颖的考题，从数学视角讲好中国故事。
详见《物理教学阐述》2023年第7期
引文格式：
廖伯琴，董源莉，廖文婧.从高考数学试卷看对科学探究能力测试的探求[J].数学教学阐述，2023,41（7）：1-5,8.