新高考背景下學(xué)生力學(xué)推理能力調(diào)查與培養(yǎng)策略

肖子鑫 朱廣天 江豐光

(1. 華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院,上海 200062; 2. 上海師范大學(xué)教育學(xué)院,上海 200234)

1 研究背景

2014年上海市和浙江省啟動(dòng)新高考改革,增加了學(xué)生選擇科目的自主權(quán),使得學(xué)生可以根據(jù)自身的興趣和職業(yè)發(fā)展需要選擇考試科目.與此同時(shí),也帶來了一些問題,比如:“放棄物理”、“田忌賽馬”式選擇考試科目等.選考物理的人數(shù)大幅下降,使得多數(shù)高中畢業(yè)生物理知識(shí)嚴(yán)重碎片化,沒有形成初步的科學(xué)思維能力與科學(xué)精神.[1]在這種背景下,學(xué)生的力學(xué)推理能力如何?這種能力與選考科目是否有關(guān)?這些問題值得探討.

2 研究方法

2.1 研究對(duì)象

選取某高校選修大學(xué)物理的上海和浙江考生為研究對(duì)象,均為大一新生,共計(jì)125人(表1).

表1 研究對(duì)象高考信息

2.2 研究工具

本文采用《力學(xué)推理測(cè)試》(Mechanics Reasoning Inventory,簡(jiǎn)稱MRI).MRI是麻省理工學(xué)院用來評(píng)估學(xué)生力學(xué)推理能力的標(biāo)準(zhǔn)化工具.測(cè)試共計(jì)27題,每題1分,總分27分.這些題目不僅考查學(xué)生推理的結(jié)論,還考查推理的理由.涉及4個(gè)維度:相互作用;牛頓定律;動(dòng)量、能量守恒和分解子問題．其中,分解子問題考查學(xué)生將復(fù)雜力學(xué)問題分解為簡(jiǎn)單問題的能力.圖1所示為一道考查分解子問題的題目.

圖1

從知識(shí)點(diǎn)分布和題目類型來看,MRI能夠較為全面、客觀測(cè)試學(xué)生的力學(xué)推理能力,具體如表2所示.

表2 測(cè)試內(nèi)容對(duì)應(yīng)題目表

在定量分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,我們還對(duì)部分一線教師和學(xué)生進(jìn)行了訪談.

3 研究結(jié)果

3.1 力學(xué)推理能力總體分析

MRI總分27分,學(xué)生平均分16.1分,平均得分率59.6%,略低于及格線.說明學(xué)生的力學(xué)推理能力一般.這與潘蘇東團(tuán)隊(duì)(2020)對(duì)滬、浙兩省市高中生科學(xué)素養(yǎng)調(diào)查結(jié)果相似:兩省市科學(xué)素養(yǎng)總體水平一般,科學(xué)思維更是短板.[2]由于各維度題目數(shù)量不同,故統(tǒng)計(jì)得分率,具體如表3.

表3 力學(xué)推理能力各維度得分率

由表3可知,學(xué)生在動(dòng)量、能量守恒維度的得分最低.下面是與一位上海物理教師的部分訪談?dòng)涗? “我平時(shí)開展教學(xué)工作會(huì)關(guān)注一本書…書名叫《上海市高中物理學(xué)科教學(xué)基本要求》.這本書規(guī)定了我們學(xué)校老師平時(shí)授課的難度上限,超出要求的我們不會(huì)教,學(xué)生也不會(huì)學(xué).現(xiàn)在書中完全不涉及動(dòng)量守恒,而且對(duì)能量守恒的要求也在降低.”

上?？忌咧须A段沒有學(xué)過動(dòng)量守恒是該維度得分較低的主要原因.動(dòng)量守恒是三大守恒定律之一,適用范圍比牛頓定律更為廣泛.我們建議有條件的學(xué)校開展動(dòng)量守恒的教學(xué),不僅有利于學(xué)生形成守恒觀念,也有助于培養(yǎng)他們的科學(xué)思維.

3.2 力學(xué)推理能力各維度相關(guān)性分析

對(duì)力學(xué)推理能力四個(gè)維度得分進(jìn)行相關(guān)性分析,如表4所示.

表4 各維度相關(guān)性分析

** 表示在0.01水平顯著(雙側(cè))

相互作用,牛頓定律和動(dòng)量、能量守恒三個(gè)維度之間相關(guān)系數(shù)較低而且不顯著.而這三個(gè)維度與分解子問題維度之間相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高而且均顯著.其中動(dòng)量、能量守恒維度與分解子問題的相關(guān)系數(shù)最大.分解子問題的能力對(duì)解決綜合力學(xué)問題至關(guān)重要.高中力學(xué)典型問題,比如“傳送帶模型”和“滑塊-滑板模型”,都要求學(xué)生能夠正確分解子問題,分過程應(yīng)用物理原理,才能解決問題.要想提高學(xué)生分解子問題的能力,在保證一定練習(xí)的同時(shí),還要重點(diǎn)培養(yǎng)其它維度能力,才能突破力學(xué)推理的“天花板”.

3.3 考查推理結(jié)論和推理理由題目的得分差異

MRI中每個(gè)維度都有考察推理結(jié)論和理由的題目.如圖2所示,縱坐標(biāo)代表得分率,黑色代表考查推理結(jié)論的題目,白色代表考查推理理由的題目.

圖2 各維度考查結(jié)論和理由題目的得分率差異

理論上學(xué)生只要能推理出結(jié)論,就可以正確選擇理由.然而從圖2可以看出:在相互作用和動(dòng)量、能量守恒兩個(gè)維度考查結(jié)論和理由的題目得分率差異較大;而在牛頓定律和分解子問題兩個(gè)維度幾乎沒有差異.考查相互作用的5-6題如圖3所示.

圖3

筆者查閱相關(guān)高中試題發(fā)現(xiàn): (1) 涉及相互作用的題目,考查重點(diǎn)是最終結(jié)論,通常不會(huì)考查學(xué)生選擇分析方法的理由.部分學(xué)生可以通過記憶“?？寄Ｐ汀边_(dá)到快速解題的目的; (2) 涉及動(dòng)量、能量守恒的題目,學(xué)生通常也不需要判斷是否守恒.重點(diǎn)在于將物理情境轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)方程求解.故學(xué)生對(duì)守恒的條件掌握不佳; (3) 牛頓定律很少單獨(dú)考查,通常作為解題工具與其它知識(shí)點(diǎn)結(jié)合命題.學(xué)生必須根據(jù)實(shí)際情境先正確選擇具體的牛頓定律(第二或第三)之后,才能列方程; (4) 分解子問題的能力主要在力學(xué)綜合計(jì)算題中考查.如果學(xué)生不能正確選擇每個(gè)子問題涉及的物理原理,就很難得到正確的分解結(jié)論.所以在前兩個(gè)維度考查推理結(jié)論和理由的題目得分率差異較大,后兩個(gè)維度則幾乎沒有差異.

以上因素共同導(dǎo)致在同一情境中兩種命題方式的差異,反映了部分學(xué)生在推理時(shí)常用直覺思維或者在課上習(xí)得的相似結(jié)論進(jìn)行推理,沒有形成從情境本身出發(fā)進(jìn)行推理.這與張軼炳等人(2011)的研究結(jié)果相似,即當(dāng)前的教育理念和方式強(qiáng)調(diào)學(xué)生得出結(jié)論的能力,卻忽略了學(xué)生收集證據(jù),歸納演繹的能力.[3]近年來,高考試題注重考查對(duì)學(xué)生起到基礎(chǔ)性和支撐性的知識(shí),[4]在日常教學(xué)中教師可以命制一些考查推理理由的題目檢測(cè)學(xué)生是否真正習(xí)得知識(shí).

3.4 選考科目與力學(xué)推理能力的關(guān)系

物理、化學(xué)和生物是傳統(tǒng)的理科科目.由于樣本來自“大學(xué)物理”課堂,每位學(xué)生至少選考一門理科科目．選考理科科目數(shù)量與得分率的關(guān)系如表5所示.

表5 選考理科科目數(shù)量與得分率的關(guān)系

注:樣本中沒有學(xué)生選考浙江高考的“通用技術(shù)”

選修理科科目數(shù)量越多的學(xué)生得分越高,力學(xué)推理能力越強(qiáng),而且彼此之間差異較大.由于大多數(shù)學(xué)生選擇兩門理科科目,下面進(jìn)一步分析選考兩門理科科目學(xué)生的得分情況(表6).

表6 不同選考組合與得分率的關(guān)系

選擇3種組合的人數(shù)相近,其中“物理+生物”得分最高,“生物+化學(xué)”最低.“物理+生物”與“生物+化學(xué)”的得分有顯著性差異(p=0.001),其它組合之間沒有顯著性差異.

“生物+化學(xué)”組合得分較低的原因可能是:這些學(xué)生未選考物理,物理的課時(shí)量和師生的重視程度均下降.他們的物理知識(shí)相對(duì)是零散的、碎片化的,導(dǎo)致力學(xué)推理能力較差.“物理+生物”得分最高,很多師生認(rèn)為這種組合風(fēng)險(xiǎn)小易獲高分,而且專業(yè)選擇范圍大.[2]因此,學(xué)校會(huì)鼓勵(lì)成績(jī)優(yōu)異的學(xué)生選擇“物理+生物”組合來保證升學(xué)率.由于課程難度等因素,“物理+化學(xué)”被戲稱為“魔鬼”組合.從理論上看,物理化學(xué)組合學(xué)生的力學(xué)推理能力應(yīng)該不低于物理生物組合,而實(shí)際上卻比物理生物組合低.下面是與上海某學(xué)校年級(jí)主任的部分訪談?dòng)涗? “在我們學(xué)校,選考“物理+化學(xué)”大致有三類學(xué)生: (1) 對(duì)物理化學(xué)兩個(gè)學(xué)科均有興趣的學(xué)生; (2) 不喜歡記憶但是數(shù)理基礎(chǔ)還不錯(cuò)的學(xué)生,因?yàn)樯镄枰洃浀闹R(shí)點(diǎn)相對(duì)較多; (3) 還有就是后進(jìn)生,老師和家長(zhǎng)對(duì)他們的關(guān)注度不夠,他們自己也不在意選考的科目.”

結(jié)合訪談?dòng)涗浐捅?的標(biāo)準(zhǔn)差可知:與其它組合相比,選考物理化學(xué)的學(xué)生成績(jī)兩極分化較為明顯.這些因素共同導(dǎo)致“物理+化學(xué)”組合學(xué)生的力學(xué)推理能力低于“物理+生物”組合.

4 培養(yǎng)策略

根據(jù)研究結(jié)果,培養(yǎng)策略和建議如下.

教師應(yīng)該通過多個(gè)維度聯(lián)動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)推理能力.分解子問題能力是解決復(fù)雜力學(xué)問題的關(guān)鍵.這種能力與其它維度能力顯著相關(guān).教師應(yīng)當(dāng)深入了解學(xué)生的短板維度,有針對(duì)性的教學(xué),而不是單純的題海戰(zhàn)術(shù).在本研究選取的被試中,動(dòng)量、能量守恒維度得分較低,很大程度限制了他們的力學(xué)推理能力.

教師要注重培養(yǎng)學(xué)生收集證據(jù)、歸納演繹的能力.本文結(jié)果反映出部分學(xué)生主要從課上習(xí)得的結(jié)論和過往的解題經(jīng)驗(yàn)出發(fā)進(jìn)行推理,而不是從情境本身提供的信息出發(fā)將其進(jìn)行正確的表征.教師在日常教學(xué)時(shí),盡可能避免直接將結(jié)論告訴學(xué)生.在物理概念和規(guī)律的教學(xué)中,教師可以采取多種教學(xué)方法,如啟發(fā)式教學(xué)和探究式教學(xué).讓學(xué)生親自經(jīng)歷物理概念和規(guī)律的建構(gòu)過程,使學(xué)生“知其然,更要知其所以然”.

科學(xué)引導(dǎo)學(xué)生選擇高考科目.新高考的政策導(dǎo)向是促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展,當(dāng)前功利化的色彩較為嚴(yán)重.學(xué)校不應(yīng)該片面追求升學(xué)率而忽視學(xué)生的興趣需要,可以開設(shè)一些講座和職業(yè)規(guī)劃課程使學(xué)生充分了解自身情況和社會(huì)需要,進(jìn)而合理選擇考試科目.充分發(fā)揮學(xué)生的自主性,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和社會(huì)責(zé)任感.