基于問(wèn)題表征的物理學(xué)科核心素養(yǎng)研究*

張貴洲

(徐州市銅山區(qū)茅村中學(xué) 江蘇 徐州 221135)

高中物理課程作為普通高中課程的重要組成部分，目的是進(jìn)一步提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中，通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題所形成的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．

教師通過(guò)物理教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生形成物理觀念，并利用物理觀念進(jìn)行解釋現(xiàn)象和解決問(wèn)題．物理觀念的教學(xué)流程通常為：首先教師提出一個(gè)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析討論，接著通過(guò)探究得到問(wèn)題的結(jié)論，即通過(guò)對(duì)物理問(wèn)題的解決幫助學(xué)生形成物理觀念．科學(xué)推理和科學(xué)論證既是科學(xué)思維的重要組成部分，也是探究發(fā)現(xiàn)式教學(xué)的重要組成部分．因此教師通常采用探究發(fā)現(xiàn)式的教學(xué)流程，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)問(wèn)題的解決提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)．科學(xué)思維素養(yǎng)還包括模型建構(gòu)，新課標(biāo)中要求高中階段學(xué)生能夠?qū)?shí)際問(wèn)題或較復(fù)雜問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型．在日常學(xué)習(xí)中學(xué)生借助所學(xué)物理概念、物理規(guī)律解決物理問(wèn)題時(shí)，需要從題干提取相應(yīng)信息建立對(duì)應(yīng)的時(shí)空關(guān)系，進(jìn)而將物理問(wèn)題納入特定的物理模型以此將問(wèn)題解決[1]．

鑒于以上分析，物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成建立在物理學(xué)科的學(xué)習(xí)過(guò)程之中；物理學(xué)科的學(xué)習(xí)過(guò)程主要是對(duì)物理問(wèn)題的解決過(guò)程，而問(wèn)題表征是貫穿于整個(gè)問(wèn)題解決過(guò)程中的一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，從問(wèn)題的呈現(xiàn)至問(wèn)題的解決都有各種表征形式和表征狀態(tài)的存在．在問(wèn)題解決過(guò)程中，問(wèn)題解決者從問(wèn)題的外部特征開(kāi)始，逐步而深入理解問(wèn)題的深層結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到對(duì)問(wèn)題的解決，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)．

廖伯琴博士在基于McDermott&Larking表征分類(lèi)假設(shè)的基礎(chǔ)之上，提出問(wèn)題解決者在解決物理問(wèn)題的過(guò)程中需要依次經(jīng)歷文字表征、樸素表征、物理表征和數(shù)學(xué)表征[2]．根據(jù)對(duì)問(wèn)題表征的層次分析，筆者選擇所在學(xué)校低年級(jí)和高年級(jí)的學(xué)生對(duì)其進(jìn)行施測(cè)，采用認(rèn)知作業(yè)分析法借助SPSS22.0對(duì)其在解決物理問(wèn)題過(guò)程中的表征差異性進(jìn)行研究，以此提出提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的建議．

研究中選取以下物理問(wèn)題對(duì)學(xué)生進(jìn)行施測(cè)：

物理問(wèn)題：游樂(lè)場(chǎng)近期推出一系列體驗(yàn)項(xiàng)目，其中一項(xiàng)如圖1所示，60 kg參賽選手以初速度v0=7 m/s的水平速度借助懸掛在高處長(zhǎng)L=6 m的繩子飛越到對(duì)面的高臺(tái)上．當(dāng)繩擺到與豎直方向夾角θ=37°時(shí)，選手放開(kāi)繩子后恰好運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)A，長(zhǎng)xAB=3.75 m傳送帶始終以v1=3 m/s的速度勻速逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)．選手與傳送帶的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2，不考慮空氣阻力和繩子的質(zhì)量．(其中選手可視為質(zhì)點(diǎn)，取重力加速度g=10 m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)求：試通過(guò)計(jì)算說(shuō)明該選手是否能順利沖過(guò)終點(diǎn)B．

圖1 選手運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖

解析：

第一階段，由水平位置開(kāi)始的圓周運(yùn)動(dòng)，由機(jī)械能守恒定律得

(1)

H=L-h=L-Lcosθ=1.2 m

(2)

由式(1)、(2)聯(lián)立可得

v=5 m/s

第二階段，由松手處至A點(diǎn)的逆向類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)，選手在放開(kāi)繩子時(shí)，水平速度為vx，豎直速度為vy則

vx=vcosθ=4 m/s

(3)

vy=vsinθ=3 m/s

(4)

由于恰好到達(dá)最高點(diǎn)A，則此時(shí)vy=0，vx保持不變．

第三階段，由于選手運(yùn)動(dòng)方向與傳送帶運(yùn)行方向相反，所以在傳送帶上做勻減速直線運(yùn)動(dòng).

選手的加速度大小

(5)

以地面為參考系，選手在最高點(diǎn)A有向右的初速度vx，向右運(yùn)動(dòng)的最大位移為末速度為零時(shí)的位移

(6)

聯(lián)立式(3)、(5)、(6)可得

x=4 m>3.75 m

所以可以順利通過(guò)終點(diǎn)．

問(wèn)題表征的層次界點(diǎn)及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 表征層次界定及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

信效度檢驗(yàn)：本研究采用SPSS 22.0進(jìn)行問(wèn)卷的信效度檢驗(yàn)．從表2中可以看出，Cronbach′s Alpha值為0.870，量表的總體一致性較高，信度較好．此外，本量表借鑒了以往文獻(xiàn)關(guān)于該問(wèn)題的量表研究，在內(nèi)容效度和結(jié)構(gòu)效度上更符合高中生學(xué)習(xí)的實(shí)際情況；一般認(rèn)為，量表的難度系數(shù)在0.3～0.7之間較為適宜，本量表的難度系數(shù)為0.61，因此，本量表的整體信效度較好．

表2 觀察值處理摘要&可靠性統(tǒng)計(jì)資料

研究結(jié)論：通過(guò)對(duì)不同年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知作業(yè)進(jìn)行整理與分析，從中可以發(fā)現(xiàn),高年級(jí)學(xué)生和低年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知作業(yè)大多數(shù)依次經(jīng)歷了文字表征、樸素表征、物理表征和數(shù)學(xué)表征4個(gè)層次．現(xiàn)從問(wèn)題表征的表征層次進(jìn)行分析如下.

(1)對(duì)于物理問(wèn)題文字表征情況，我們通過(guò)SPSS進(jìn)行差異性分析后得出表3和表4.

表3 物理問(wèn)題的文字表征Crosstab

表4 物理問(wèn)題的文字表征Chi-Square Tests

卡方檢驗(yàn)方法：由樣本量的大小來(lái)決定參考表中數(shù)值，如總樣本數(shù)N>40且交叉表中每一個(gè)cells中頻數(shù)均大于5，檢驗(yàn)的結(jié)果是精確的，可參考第一行指標(biāo)pearson-chi-square，若sig值小于0.05，說(shuō)明差異顯著；如樣本總量N<40或cells中有一頻數(shù)小于5，則取校正后的卡方值，即第二行數(shù)據(jù)或者第三行fisher精確概率法獲得值．

由以上兩表可知，低年級(jí)學(xué)生與高年級(jí)學(xué)生錯(cuò)誤發(fā)生的頻次皆較少，Pearson Chi-Square中Asymp.值為0.712>0.05，說(shuō)明在文字表征層次上，低年級(jí)學(xué)生和高年級(jí)學(xué)生表征差異不明顯，表征水平接近．

原因分析：物理問(wèn)題的文字表征是對(duì)題目?jī)?nèi)容進(jìn)行一些表面的理解，考慮到高中階段學(xué)生所具有的文化素養(yǎng)極易達(dá)到，因此，學(xué)生對(duì)問(wèn)題中文字描述的理解已經(jīng)達(dá)到了較高的水準(zhǔn)．部分學(xué)生出現(xiàn)文字表征錯(cuò)誤主要是由于其學(xué)習(xí)態(tài)度較差，自我效能感較差．

素養(yǎng)提升：物理學(xué)科核心素養(yǎng)要求學(xué)生具備科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，要通過(guò)物理教學(xué)使學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、持之以恒的學(xué)習(xí)、工作態(tài)度．因此在重視學(xué)生知識(shí)獲取的同時(shí)，也要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，學(xué)生接受物理、熱愛(ài)物理，自然不會(huì)出現(xiàn)空白卷的情況．同時(shí)，學(xué)生利用物理知識(shí)解決物理問(wèn)題的過(guò)程也能讓學(xué)生體會(huì)到物理知識(shí)是有用的，進(jìn)而產(chǎn)生學(xué)習(xí)物理的興趣和情感．

(2)對(duì)于物理問(wèn)題樸素表征情況，我們通過(guò)SPSS進(jìn)行差異性分析后得出表5和表6.

表5 復(fù)雜物理問(wèn)題的樸素表征Crosstab

表6 物理問(wèn)題的樸素表征Chi-Square Tests

由以上兩表可知，根據(jù)低年級(jí)學(xué)生與高年級(jí)學(xué)生錯(cuò)誤發(fā)生的頻次和Pearson Chi-Square中Asymp.值為0.044<0.05，說(shuō)明在樸素表征層次上，低年級(jí)學(xué)生與高年級(jí)學(xué)生存在顯著性差異．

原因分析：要解答物理問(wèn)題就需要正確地對(duì)選手不同運(yùn)動(dòng)階段進(jìn)行表征，題目中存在的冗余信息以及信息中潛在的歧義性會(huì)使被試在解答問(wèn)題中產(chǎn)生錯(cuò)誤的解題思路，導(dǎo)致錯(cuò)誤解題．例如，低年級(jí)學(xué)生發(fā)生以下錯(cuò)誤，選手運(yùn)動(dòng)過(guò)程表征錯(cuò)誤，選手在傳送帶上最大運(yùn)動(dòng)位移判斷錯(cuò)誤，運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像描述發(fā)生錯(cuò)誤．

素養(yǎng)提升：學(xué)生不能建立正確的時(shí)空關(guān)系，即樸素表征錯(cuò)誤，直接影響學(xué)生將實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型，進(jìn)而物理問(wèn)題得不到解決．學(xué)生模型建構(gòu)素養(yǎng)的提升是建立在正確的樸素表征之上的．分析學(xué)生樸素表征中的錯(cuò)誤，教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合個(gè)體生活經(jīng)驗(yàn)理解基礎(chǔ)知識(shí)，提升學(xué)生樸素表征程度進(jìn)而提升學(xué)生的模型建構(gòu)素養(yǎng)．

(3)對(duì)于物理問(wèn)題物理表征情況，我們通過(guò)SPSS進(jìn)行差異性分析后得出表7和表8.

表7 物理問(wèn)題的物理表征Crosstab

表8 物理問(wèn)題的物理表征Chi-Square Tests

由以上兩表可知，低年級(jí)學(xué)生錯(cuò)誤發(fā)生的頻次明顯高于高年級(jí)學(xué)生錯(cuò)誤發(fā)生的頻次，Pearson Chi-Square中Asymp.值為0.047<0.05，說(shuō)明在物理表征層次上，低年級(jí)學(xué)生和高年級(jí)學(xué)生存在顯著性差異．

原因分析：高年級(jí)學(xué)生擁有更大更多的包含有關(guān)領(lǐng)域陳述性知識(shí)的問(wèn)題圖式，且圖式中的知識(shí)被良好組織，知識(shí)單元間高度連接．相較而言，低年級(jí)學(xué)生擁有的陳述性知識(shí)圖式是不完善的，包含較少相關(guān)領(lǐng)域，圖式中知識(shí)組織、知識(shí)間鏈接松散．導(dǎo)致低年級(jí)學(xué)生錯(cuò)誤主要表現(xiàn)在錯(cuò)誤提取物理公式，物理公式中所使用符合與題目不相符，計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有注意單位的使用．

素養(yǎng)提升：學(xué)生的問(wèn)題圖式主要包括理想化的物理模型、物理概念及規(guī)律，能否正確進(jìn)行物理表征取決于學(xué)生對(duì)物理概念或原理的理解．因此，幫助學(xué)生建構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高中物理知識(shí)系統(tǒng)和在教學(xué)中學(xué)習(xí)更多的物理概念及規(guī)律能夠提升學(xué)生的物理觀念和科學(xué)思維素養(yǎng)．

(4)對(duì)于物理問(wèn)題數(shù)學(xué)表征情況，我們通過(guò)SPSS進(jìn)行差異性分析后得出表9和表10.

表9 物理問(wèn)題的數(shù)學(xué)表征Crosstab

表10 物理問(wèn)題的數(shù)學(xué)表征Chi-Square Tests

由以上兩表可知，低年級(jí)學(xué)生與高年級(jí)學(xué)生錯(cuò)誤發(fā)生的頻次皆較多，Pearson Chi-Square中Asymp.值為0.336>0.05，說(shuō)明在數(shù)學(xué)表征層次上，低年級(jí)學(xué)生與高年級(jí)學(xué)生在解決物理問(wèn)題的過(guò)程中差異性不明顯．

原因分析：高中物理問(wèn)題對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力的要求低于同期數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，因此大部分學(xué)生能進(jìn)行完全表征．

素養(yǎng)提升：學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)影響物理問(wèn)題解決的數(shù)學(xué)表征，學(xué)生數(shù)學(xué)表征錯(cuò)誤表現(xiàn)為，錯(cuò)誤提取數(shù)學(xué)三角函數(shù)式，計(jì)算數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤．糾正學(xué)生日常學(xué)習(xí)中的錯(cuò)誤，提升學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)，達(dá)到對(duì)物理問(wèn)題的完全表征．