基于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的物理建模能力研究

李 蘭

(貴陽市第一中學(xué) 貴州 貴陽 550081)

李春密

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系 北京 100875)

楊鵬飛

(安徽省歙縣中學(xué) 安徽 黃山 245200)

1 問題的提出

在“立德樹人”思想的指導(dǎo)下，我國開始了新一輪的課程改革，并于2018年頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(后稱新課標(biāo))，新課標(biāo)指出模型建構(gòu)是科學(xué)思維核心要素之一，是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分.

建構(gòu)模型是一種認(rèn)識(shí)客觀世界的手段和思維方式，是指學(xué)生根據(jù)研究問題和情境，利用抽象化、理想化、簡化和類比等方法，抽象出研究對象的本質(zhì)特征，構(gòu)成概念或者體系的過程[1].建構(gòu)與使用模型有利于加深學(xué)生對物理概念規(guī)律的理解，對物理學(xué)習(xí)具有重要價(jià)值，加強(qiáng)建模能力的培養(yǎng)對發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要作用.

建模能力可以具體化為不同方面，李廳廳根據(jù)建模過程自身的特點(diǎn)，將學(xué)生的建模能力具體化為6個(gè)要素，分別為目標(biāo)指向能力、情景分析能力、模型選擇能力、模型表征能力、模型分析與綜合能力、模型修正與拓展能力[2].

2 物理建模能力指標(biāo)構(gòu)建

新課標(biāo)的亮點(diǎn)之一就是給出了學(xué)業(yè)質(zhì)量水平，對學(xué)生應(yīng)該達(dá)到的水平進(jìn)行了質(zhì)量描述，其中，對模型建構(gòu)的質(zhì)量描述由低到高分別為：

(1)能說出一些簡單的物理模型；

(2)能在熟悉的情境中應(yīng)用常見的模型；

(3)能在熟悉的問題情境中根據(jù)需要選用所學(xué)的恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡單的物理問題；

(4)能將實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成所學(xué)的物理模型；

(5)能將較復(fù)雜的實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型[3].

其中，學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4是用于高等院校招生中學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試的命題依據(jù)，也就是說，選考物理的學(xué)生在完成高中物理學(xué)習(xí)后，要能將實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成所學(xué)的物理模型.在這一過程中，學(xué)生首先要對實(shí)際問題的情境進(jìn)行分析，找出研究對象及其經(jīng)歷的過程、選擇合適的參考系等，在此基礎(chǔ)上，選擇合適的模型，將對象之間的關(guān)系運(yùn)用數(shù)學(xué)表達(dá)式、圖像等外部表征呈現(xiàn)出來，再通過對模型進(jìn)行分析綜合實(shí)現(xiàn)問題的解決，在整個(gè)過程中，還要從模型成立的條件與實(shí)際問題是否符合等方面不斷檢驗(yàn)建立的模型是否合適，不合適則要修正或拓展原有的模型.由于水平4不要求學(xué)生解決較復(fù)雜的實(shí)際問題，對高級(jí)的元認(rèn)知能力要求不高，基于此，我們對李廳廳的建模能力要素進(jìn)行調(diào)整，刪去了目標(biāo)指向能力.

建模能力是內(nèi)隱的，不能被直接測量，但行為可以被直接觀察到，因此可以通過學(xué)生在建模過程中外顯的行為評價(jià)其內(nèi)隱的物理建模能力.按照情景分析能力等5個(gè)要素的涵義，考察學(xué)生在解決問題過程中出現(xiàn)的行為，就可以間接地考察學(xué)生的物理建模能力.例如，學(xué)生在解決問題時(shí)，如果能夠檢驗(yàn)問題情境中的條件與模型成立的條件是否相符，在不相符的情況下，能對選擇的模型進(jìn)行修正，還能根據(jù)實(shí)際問題，拓展原有的模型解決問題，就能反映出其具有良好的模型修正與拓展能力.采用類似的方法，找出建模能力各要素對應(yīng)的行為，完成了力學(xué)部分建模能力指標(biāo)構(gòu)建，如表1所示.

表1 力學(xué)部分建模能力指標(biāo)構(gòu)建

3 研究對象及工具

本次研究以貴陽市某高中高二年級(jí)3個(gè)理科班學(xué)生為對象，共發(fā)放測試卷117份，回收有效測試卷95份.測試卷包含了3個(gè)力學(xué)問題，簡單表述如表2所示.

表2 測試題的簡單表述[4]

為方便看出學(xué)生在建模過程中的行為，每個(gè)問題都被拆解為若干小問，參照表1的指標(biāo)構(gòu)建，將解決各個(gè)子問題所需的行為與建模能力各要素建立聯(lián)系(以題2為例)，如表3所示.

表3 子問題考察的建模能力要素

4 測試結(jié)果與分析討論

分別計(jì)算出建模能力各要素的得分，轉(zhuǎn)化為百分制，得到學(xué)生建模能力各要素的平均分，并繪制出柱形圖如圖1所示.

圖1 學(xué)生建模能力得分

滿分為100分，由圖1不難看出，學(xué)生的建模能力各要素中僅模型選擇能力平均分達(dá)到了60分，說明在情境不是特別復(fù)雜的情況下，大部分學(xué)生都能正確地選擇學(xué)過的模型解決問題.而其他能力要素平均分均比較低，說明學(xué)生在這些方面存在比較明顯的不足.接下來，對學(xué)生答案進(jìn)行進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生各能力要素存在的主要問題如下.

(2)模型選擇能力：問題情境開放時(shí)，難以聯(lián)想學(xué)過的模型解決問題.比如第2題中，有學(xué)生回答“可以將運(yùn)動(dòng)員看成打樁機(jī)模型”“可以將運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)看作彈力運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員跳起后到達(dá)最高點(diǎn)，就像彈簧形變最大，接著又被拉回地面”“運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)可以看作反自由落體模型”等，學(xué)生給出這些回答的本質(zhì)原因是沒有聯(lián)想到可以用豎直上拋運(yùn)動(dòng)來解決問題，結(jié)果就是胡編亂造一些模型.

(3)模型表征能力：表征形式單一，大多數(shù)學(xué)生只能用數(shù)學(xué)公式表征模型，認(rèn)為解決物理問題就是套用物理公式求解，沒有充分利用文字表述、函數(shù)圖像等外部表征呈現(xiàn)模型；部分學(xué)生錯(cuò)誤使用外部表征，如利用v-t圖像表征曲線運(yùn)動(dòng)的情況.

(4)模型分析與綜合能力：當(dāng)問題涉及到多個(gè)模型時(shí)，不能準(zhǔn)確找出模型之間的聯(lián)系.例如，在第1題中，部分學(xué)生雖然能夠利用平拋運(yùn)動(dòng)模型求出星體重力加速度，但不能結(jié)合萬有引力定律找到星體重力加速度和其質(zhì)量之間的關(guān)系；對單個(gè)模型的深入分析不夠，只是簡單套用模型，而沒有將模型與實(shí)際情況建立聯(lián)系，例如第2題中，有的學(xué)生雖然正確地建立了豎直上拋運(yùn)動(dòng)模型，然而沒有考慮運(yùn)動(dòng)員實(shí)際上在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，錯(cuò)誤地認(rèn)為1 min內(nèi)運(yùn)動(dòng)員處于上升的時(shí)間就是上拋運(yùn)動(dòng)模型中從拋出點(diǎn)到達(dá)最高點(diǎn)的時(shí)間，導(dǎo)致高度計(jì)算錯(cuò)誤.

(5)模型修正與拓展能力：不清楚某些模型成立的具體條件，比如在機(jī)械能守恒的條件中回答“重力守恒”“弧形軌道光滑”，在平拋運(yùn)動(dòng)成立的條件中回答“小球不受其他外力”；不能根據(jù)實(shí)際情況修正已建立的模型，導(dǎo)致使用的模型不符合實(shí)際問題，如第3題中不能修正常見的圓周運(yùn)動(dòng)模型為單擺模型實(shí)現(xiàn)對時(shí)間的求解.

從對學(xué)生的訪談中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生建模過程中出現(xiàn)種種問題大致有3個(gè)原因.

首先，從物理問題本身來看，學(xué)生平時(shí)接觸的物理問題都過于結(jié)構(gòu)化，題目中的次要因素大多已被略去，學(xué)生很容易就知道應(yīng)該使用何種模型解決問題，而實(shí)際問題往往更加開放.僅僅接觸過于結(jié)構(gòu)化的物理問題，學(xué)生在建構(gòu)模型解決實(shí)際問題的能力方面難以發(fā)展.

其次，從教學(xué)角度來看，有些時(shí)候，教師在教學(xué)過程中，沒有滲透利用模型解決問題的一般思想，導(dǎo)致學(xué)生不熟悉利用模型解決問題的一般方法，面對陌生問題時(shí)無從下手，解決問題也就無從談起.

最后，從學(xué)生自身角度來看，一方面，高二學(xué)生處于形式運(yùn)算階段，抽象思維比較薄弱，而建模過程離不開抽象思維，因此學(xué)生難以掌握建模的方法；另一方面，有時(shí)候?qū)W生不注重分析物理過程，把解決物理問題等同于套用物理公式計(jì)算答案，對物理過程認(rèn)識(shí)不足.這些都會(huì)使學(xué)生在建模過程中遇到困難.

5 教學(xué)建議與總結(jié)

新課標(biāo)明確指出，學(xué)生要有建模的意識(shí)與能力，但研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下高二理科學(xué)生物理建模能力整體不強(qiáng).因此，在教學(xué)過程中，教師需要加強(qiáng)對學(xué)生的建模意識(shí)、建模能力的培養(yǎng).為了更好地指導(dǎo)教學(xué)，結(jié)合研究結(jié)果提出以下幾點(diǎn)建議.

(1)適當(dāng)增加情境開放的問題.長期接觸結(jié)構(gòu)良好、比較封閉的問題，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不知道如何運(yùn)用物理知識(shí)解決情境開放的實(shí)際問題.另一方面，結(jié)構(gòu)良好的問題大多脫離生活，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.如果教師適當(dāng)講解情境開放的問題，相信學(xué)生基于實(shí)際情況建立物理模型的能力會(huì)有所提升.

(2)強(qiáng)調(diào)經(jīng)典模型成立的條件.這樣，在給出新的問題情境時(shí)，學(xué)生才能判斷新的問題情境下能否選用原來的模型.同時(shí)，教學(xué)過程中有意識(shí)地修正經(jīng)典模型解決問題，培養(yǎng)學(xué)生修改熟悉的模型以解決陌生問題的能力.

(3)提供多種表征方式.模型可以用自然語言、圖示圖像、實(shí)物模擬、數(shù)學(xué)公式等多種外部表征來呈現(xiàn)，一味地采用數(shù)學(xué)公式表征物理模型，學(xué)生可能無法體會(huì)到物理與數(shù)學(xué)的區(qū)別，認(rèn)為學(xué)物理就是套公式解題，不利于體現(xiàn)物理學(xué)科的育人價(jià)值

此次修訂的新課標(biāo)亮點(diǎn)之一在于增加了學(xué)業(yè)質(zhì)量水平，對學(xué)生完成高中物理課程學(xué)習(xí)后應(yīng)形成的學(xué)習(xí)結(jié)果提出了要求，這就可以為學(xué)業(yè)評價(jià)提供清晰、具體的依據(jù).在本研究中我們充分結(jié)合學(xué)業(yè)質(zhì)量水平對模型建構(gòu)的質(zhì)量描述，構(gòu)建出一套有效地評價(jià)學(xué)生建模能力的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)了學(xué)生在建模過程中存在的諸多問題，為學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的落地提供了一種切實(shí)有效的方法.