高一學(xué)生物理建模能力調(diào)查

摘 要：模型建構(gòu)是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，培養(yǎng)中學(xué)生物理模型建構(gòu)的思維方式是重要的教學(xué)目標(biāo)之一。文章基于國(guó)內(nèi)外建模教育研究結(jié)果與核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，以一道力學(xué)原始物理問題為例，調(diào)查高一學(xué)生運(yùn)用、建構(gòu)物理模型解決綜合性物理問題的能力。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);高中生;模型建構(gòu);原始物理問題

一、引言

自美國(guó)學(xué)者David Hestenes（1987）提出建模教學(xué)理論后，模型及模型的建構(gòu)在教育界引起了廣泛的重視?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提到科學(xué)思維是“基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程”，要求學(xué)生通過物理課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)當(dāng)“具有建構(gòu)模型的意識(shí)和能力”[1]。

模型是為了解釋并預(yù)測(cè)現(xiàn)象而突出主要特征并進(jìn)行抽象、簡(jiǎn)化的結(jié)果，是人們用來理解、解釋物理現(xiàn)象的重要途徑之一。建模是從復(fù)雜現(xiàn)象中抽取能描繪現(xiàn)象的要素，并利用要素的關(guān)聯(lián)來建構(gòu)模型的動(dòng)態(tài)過程[2]。

基于中學(xué)物理課程的新要求，文章利用一道原始物理問題，對(duì)高中學(xué)生的自主建模能力進(jìn)行探究。

二、研究設(shè)計(jì)

1.研究方法

采用紙筆測(cè)驗(yàn)和半結(jié)構(gòu)化訪談的形式對(duì)學(xué)生的建模能力進(jìn)行調(diào)查。卷面解答是其表征出來的模型，一定程度上體現(xiàn)了模型建構(gòu)的能力。訪談的主要目的是了解學(xué)生的解答思路，用來判斷卷面答案是否囊括了被訪學(xué)生的所有想法。

運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題能力的高低，往往取決于將情境與知識(shí)相聯(lián)系的水平。而中學(xué)生接觸到的多數(shù)物理習(xí)題，情節(jié)已被人為加工，其真實(shí)性已遭到破壞。因此本文以一道力學(xué)相關(guān)的原始物理問題，考察高一學(xué)生的物理建模能力，如圖1所示。

2.被試選擇

在上海市某實(shí)驗(yàn)示范性高中選取一個(gè)高一班級(jí)，該班共有學(xué)生43名。該校高一學(xué)生并未根據(jù)選考科目情況分班，被試學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)并掌握了“力的合成與分解”，具備了基本的力學(xué)分析素養(yǎng)。

3.表現(xiàn)水平劃分

測(cè)試卷要求學(xué)生寫下所有想法，使閱卷者盡可能地透過卷面解答看到學(xué)生的建模能力水平。結(jié)合卷面解答情況，將學(xué)生的表現(xiàn)水平劃分為5檔，如表1所示。

本次閱卷者共2人，評(píng)分信度系數(shù)為0.94。

三、研究結(jié)果分析

被試學(xué)生建模能力水平分層如表2所示。

0分檔的學(xué)生未給出任何解答，故無法對(duì)其進(jìn)行合理評(píng)估。 下文僅對(duì)1～4分檔對(duì)應(yīng)的4個(gè)不同的建模能力水平進(jìn)行分析。

1分檔的典型解答如圖2所示。該學(xué)生將樹干當(dāng)作定滑輪使用，司機(jī)在水平方向上拉繩。方案中出現(xiàn)了4個(gè)要素，但并未進(jìn)行有效利用。當(dāng)被問到“為什么將繩子繞過樹司機(jī)就可拉動(dòng)卡車？”時(shí)，學(xué)生回答“當(dāng)時(shí)也沒多想，感覺可以省力?！辈⒃谠L談過程中自發(fā)地意識(shí)到此方案不可行。此類學(xué)生只能做到讀取問題中的要素，沒有建構(gòu)起對(duì)真實(shí)情境的理解。

2分檔的典型解答如圖3所示，學(xué)生仍使用了定滑輪模型。給出此類解答的學(xué)生意識(shí)到，若不對(duì)常用的定滑輪模型進(jìn)行修改就無法達(dá)到省力的目的。但司機(jī)的重力較之拉動(dòng)卡車所需的力應(yīng)當(dāng)小許多，學(xué)生對(duì)實(shí)際問題缺乏更深層次的剖析。此類學(xué)生雖具備一定的修正模型的意識(shí)，但因模型的錯(cuò)誤選擇導(dǎo)致后續(xù)過程做了無用功。

3分檔的解答如圖4所示，學(xué)生使用了動(dòng)滑輪模型。較之2分檔的定滑輪使用方案，這類作答更佳。接受訪談的學(xué)生提到這種方案可以“省一半的力”，忽略了實(shí)際問題需要考慮的摩擦力和司機(jī)本身的力量。學(xué)生建模的過程遺漏了許多不應(yīng)忽略的地方，找到了看似適用的模型，在給出了解答后沒有回歸原始問題，沒有對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

4分檔的解答是本次測(cè)試唯一運(yùn)用了“力的合成與分解”的方案，也是本次測(cè)試的最佳方案。如圖5所示，學(xué)生將尼龍繩的兩端分別系于樹、卡車且保持繩被拉直的狀態(tài)，司機(jī)再拉繩的中部。根據(jù)平行四邊形定則，司機(jī)對(duì)繩的拉力比繩對(duì)車的拉力小得多。較之1～3分檔，這一類方案操作起來更加便捷，也解決了一個(gè)重要的問題——司機(jī)能給予的最大拉力與拉出卡車所需的力在數(shù)值上的懸殊。

四、結(jié)語

學(xué)生接觸的物理習(xí)題已被人為加工，經(jīng)常出現(xiàn)理想化條件，如質(zhì)點(diǎn)、光滑面等。大量的習(xí)題訓(xùn)練使得學(xué)生能夠熟練地使用物理模型解答一些“死問題”，產(chǎn)生了思維定勢(shì)，栽倒在了綜合性的原始物理問題跟前。本次測(cè)試中，僅10%的學(xué)生提出了可操作性強(qiáng)的方案，這一現(xiàn)狀令人擔(dān)憂。

物理模型的建構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的認(rèn)知過程，2017版課程標(biāo)準(zhǔn)指出教師應(yīng)當(dāng)在教學(xué)中讓學(xué)生體會(huì)建構(gòu)物理模型的方法[3]。如何讓學(xué)生透徹地理解物理模型，體會(huì)如何從實(shí)際情境中獲取要素，自主地建構(gòu)合適的物理模型來解決實(shí)際的、綜合性的物理問題，是中學(xué)物理教育工作者應(yīng)當(dāng)關(guān)注的問題[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1][3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：4-63.

[2]張靜，郭玉英，姚建欣.論模型與建模在高中物理課程中的重要價(jià)值——基于國(guó)際物理（科學(xué)）課程文件的比較研究[J].物理教師，2014（6）：4-5.

[4]翟小銘，何春生.中學(xué)生物理科學(xué)建模素養(yǎng)的三個(gè)面向——從物理學(xué)家建模和學(xué)生建模學(xué)習(xí)的角度闡釋[J].物理教師，2017（12）：2-6.

作者簡(jiǎn)介：周吉（1992—），女，浙江寧波人，碩士，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)。