高中生科學(xué)思維培養(yǎng)的現(xiàn)狀調(diào)查與分析①

黃皓燕 劉孝琪

(江蘇省南京市金陵中學(xué),江蘇 南京 210005)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡稱課程標(biāo)準(zhǔn))指出:物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面?！翱茖W(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。課程標(biāo)準(zhǔn)將科學(xué)思維能力劃分為5級水平,給出了學(xué)業(yè)質(zhì)量水平描述。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)編寫的新教材從2019年起逐步在全國推廣使用。本研究根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)思維的水平劃分、教學(xué)建議及評價建議設(shè)計問卷,調(diào)查高中學(xué)生科學(xué)思維水平的現(xiàn)狀,以了解課程標(biāo)準(zhǔn)實施后,學(xué)生科學(xué)思維水平的發(fā)展情況,并提出教學(xué)建議。

2 調(diào)查對象

調(diào)查對象為南京市金陵中學(xué)、南京市寧海中學(xué)、南京大學(xué)附屬中學(xué)的高一、高二選修物理科目的學(xué)生,這三所學(xué)校均為“四星高中”,調(diào)查時間均是學(xué)年末。共收回1525份有效問卷,其中高一年級學(xué)生的有效問卷800份,高二年級學(xué)生的有效問卷725份。

3 學(xué)生調(diào)查問卷的設(shè)計

3.1 學(xué)生調(diào)查問卷的結(jié)構(gòu)

本問卷共有25道題,其中1～3題為多選題,4～25題為單選題,分別從科學(xué)思維的4個要素及其子維度進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計,其中模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新分別有3、6、2、2個子維度。

3.2 問卷信度分析

問卷中22道單選題均采用5等級計分法:A(非常不同意,1分)、B(不同意,2分)、C(不確定,3分)、D(同意,4分)、E(非常同意,5分)。

我們對問卷采用Cronbach的Alpha表測量數(shù)據(jù)的內(nèi)在一致性信度,整個問卷內(nèi)在一致性信度α=0.931。α≥0.9時,信度相關(guān)性非常好,可見整卷內(nèi)在一致性信度良好。

4 調(diào)查結(jié)果分析

4.1 “模型建構(gòu)”要素子維度調(diào)查情況

4.1.1 “物理模型”認(rèn)知情況

第1題：(多選)你覺得以下哪些是物理模型?

A. 質(zhì)點 B. 光滑斜面 C. 點電荷 D. 平拋運動 E. 勻強磁場 F. 勻速直線運動狀態(tài) G. 彈性碰撞 H. 電場線 I. 光的干涉與衍射 J. 原子核式結(jié)構(gòu)模型 K. 單擺 L. 以上沒有物理模型。

調(diào)查目的：了解學(xué)生對常見物理模型的認(rèn)識,考慮到高一、高二學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容不同,所以,高一年級設(shè)置了A～H選項,高二年級增加了I～L選項。

圖1為題1調(diào)查情況的柱狀圖。高一學(xué)生選擇“質(zhì)點”“點電荷”“電場線”“勻強磁場”的比例分別為:80.63%、77.88%、78.63%、51.63%,說明學(xué)生對物理模型的整體掌握較好,選擇勻強磁場是物理模型的明顯少一些,只有51.63%,此時高一學(xué)生只學(xué)了必修三第十三章《電磁感應(yīng)與電磁波初步》的第1節(jié)“磁場 磁感線”,還沒有較好地認(rèn)識勻強磁場模型。學(xué)生選擇“平拋運動”“勻速直線運動”“彈性碰撞”的比例分別為:37.88%、27.63%、39%,表明高一、高二學(xué)生對于物理過程模型的認(rèn)知較差,可能和教學(xué)中教師不特別強調(diào)有關(guān)。對條件模型的認(rèn)識主要設(shè)置了“光滑斜面”選項,64.38%的同學(xué)選擇了“光滑斜面”為物理模型。

圖1

對于高二年級增加的部分,選擇“光的干涉與衍射”“原子核式結(jié)構(gòu)模型”“單擺”的比例分別為:21.52%、78.48%、61.38%,整體也是明顯好于對其他模型的認(rèn)識。選擇“光的干涉與衍射”的比例為21.52%,比例最低,可能有些教師也不會強調(diào)“光的干涉與衍射”是過程模型。對“質(zhì)點”“點電荷”“電場線”的認(rèn)知,高一學(xué)生比高二學(xué)生要稍好些,可能是高二學(xué)生對高一年級學(xué)習(xí)的內(nèi)容有些遺忘,對“光滑斜面”的認(rèn)知,高二學(xué)生好一些,可能是因為光滑斜面在高二年級的學(xué)習(xí)內(nèi)容(磁場、電磁感應(yīng))中有所涉及。另外,高二年級增加了“L.以上沒有物理模型”選項,有3.59%的學(xué)生對物理模型沒有印象。

4.1.2 “模型建構(gòu)”要素子維度得分情況

表1呈現(xiàn)了“模型建構(gòu)”要素各子維度的平均分以及標(biāo)準(zhǔn)差。兩個年級的學(xué)生“建模意識”子維度的均分都在4分以上,中數(shù)和眾數(shù)均為4;“建模能力”子維度的均分分別為3.91和3.88,比較接近4分,中數(shù)和眾數(shù)也均為4,說明學(xué)生比較認(rèn)可自己的模型建構(gòu)意識,建模能力則稍弱些?！澳Ｐ徒虒W(xué)”子維度兩個年級的均分分別為4.17、4.18,是得分最高的,說明教師重視模型教學(xué),并得到同學(xué)們的認(rèn)可。高一、高二學(xué)生“模型建構(gòu)”素養(yǎng)的總均分為4.00和4.01,中數(shù)和眾數(shù)均為4,可以看出學(xué)生的“模型建構(gòu)”能力較強。高二學(xué)生的建模意識稍強于高一學(xué)生,但建模能力卻稍弱于高一學(xué)生,整體水平相當(dāng)。

表1

4.2 “科學(xué)推理”要素子維度調(diào)查分析

表2呈現(xiàn)了“科學(xué)推理”要素中各子維度的平均分以及標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯龈咭?、高二學(xué)生在其中三個子維度的平均分均高于4分,中數(shù)和眾數(shù)均為4。如在學(xué)生學(xué)習(xí)了勻變速直線運動后,很自然地會運用勻變速直線運動的特點來分析自由落體運動,能在新的情境中對綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理,獲得正確結(jié)論并作出解釋。高一、高二學(xué)生在“歸納推理”“物理研究方法”子維度的平均分均低于4分,說明學(xué)生在物理研究方法的認(rèn)識和應(yīng)用方面還需要加強。

表2

4.3 “科學(xué)論證”要素子維度調(diào)查分析

表3呈現(xiàn)了“科學(xué)認(rèn)證”要素中各子維度的平均分以及標(biāo)準(zhǔn)差,所有子維度的中數(shù)和眾數(shù)均為4,高一、高二、學(xué)生的“論證意識”比“評估能力”得分均高一些。在兩個子維度上高一學(xué)生均稍強于高二學(xué)生。

表3

4.4 “質(zhì)疑創(chuàng)新”要素子維度調(diào)查分析

4.4.1 “質(zhì)疑創(chuàng)新”要素子維度得分情況

表4呈現(xiàn)了“質(zhì)疑創(chuàng)新”要素中各子維度的平均分以及標(biāo)準(zhǔn)差,兩個子維度的中數(shù)和眾數(shù)均為4,平均分都沒有達(dá)到4分。對于高中生而言,“質(zhì)疑創(chuàng)新”要素確實是較高的要求,可能與我們的教育中對學(xué)生質(zhì)疑能力的重視不夠有關(guān),與教材、老師的權(quán)威地位也有關(guān)。

表4

4.4.2 “創(chuàng)新意識”情境題調(diào)查分析

第3題：在探究摩擦力與壓力關(guān)系時,你是否對用手拉動彈簧測力計使物體勻速運動的方法產(chǎn)生過質(zhì)疑,并想辦法去改進(jìn)實驗?

A. 我想過并提出了更好的解決方案

B. 我想過并提出了自己的解決方案

C. 想過,但想不出解決方案

D. 想過這個問題

E. 書上的都是對的

圖2為本題調(diào)查結(jié)果的柱狀分析圖,選擇A和B選項的高一學(xué)生共有54.25%,高二學(xué)生共有43.59%,說明近一半的同學(xué)有質(zhì)疑能力,并能提出自己解決問題的方案。高一學(xué)生中有6.00%、高二學(xué)生中有11.45%選擇了E選項,說明還是有少數(shù)同學(xué)在機械地學(xué)習(xí)物理。選擇A和B選項的高一學(xué)生比高二學(xué)生多10.66%,選擇E選項的高一學(xué)生比高二學(xué)生少5.45%,可能的原因是:(1) 這是高中物理必修第一冊的演示實驗,是高一上學(xué)期的學(xué)習(xí)內(nèi)容,高二學(xué)生遺忘度相對高些;(2) 高二學(xué)生的學(xué)習(xí)難度加大,學(xué)生的自信心不足。

圖2

4.5 科學(xué)思維四個要素調(diào)查分析

“科學(xué)思維”四要素得分情況如圖3所示,可見:“模型建構(gòu)”要素得分最高(高一4分、高二4.01分),“質(zhì)疑創(chuàng)新”要素得分最低(高一3.85分、高二3.74分)。對于“科學(xué)推理”“科學(xué)論證”“質(zhì)疑創(chuàng)新”要素,高二學(xué)生的得分均稍低于高一學(xué)生的得分。

圖3

5 調(diào)查結(jié)果與分析

5.1 調(diào)查結(jié)果

(1) 通過對3所學(xué)校學(xué)生的調(diào)查,結(jié)果表明:學(xué)生的科學(xué)思維能力較強,說明課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)思維的要求及2019年版教材有利于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。

(2) 對高一、高二學(xué)生科學(xué)思維現(xiàn)狀調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行對比,高一和高二學(xué)生的科學(xué)思維能力相當(dāng),高二學(xué)生的科學(xué)思維能力比高一學(xué)生略低。

5.2 高二學(xué)生科學(xué)思維能力略低的原因分析

(1) 高一年級的學(xué)習(xí)難度低于高二年級,同時高二學(xué)習(xí)內(nèi)容主要是電學(xué)和近代物理,學(xué)習(xí)內(nèi)容難度更大、更抽象,部分高二學(xué)生產(chǎn)生了畏難情緒。

(2) 接受調(diào)查的高二學(xué)生是使用2019年版教材的第一屆,教師也是第一次教,調(diào)查的高一學(xué)生是使用該教材的第二屆,教師在上一屆探索的基礎(chǔ)上,通過教研交流等加深了對新課標(biāo)、新教材的理解,能更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

6 教學(xué)建議

6.1 重視科學(xué)思維能力的培養(yǎng)

以學(xué)生對模型的認(rèn)識為例,第1題中12種模型都是常見的,高中學(xué)習(xí)的第一個物理模型是“質(zhì)點”,課本上對這一模型進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,是學(xué)生選擇最多的,但高一學(xué)生選擇的比例只有80.63%,高二學(xué)生還有3.59%的學(xué)生認(rèn)為“以上沒有物理模型”?！百|(zhì)點”作為高中物理中第一個物理模型,老師一定是重點講解和說明的,所以給學(xué)生留下了深刻的印象,至于后面的部分模型,可能在新授課時沒有特別強調(diào),靠學(xué)生自己領(lǐng)會模型畢竟是困難的。其他三個要素學(xué)生的認(rèn)可度均低于“模型建構(gòu)”要素,所以在教學(xué)中我們要充分重視科學(xué)思維能力的培養(yǎng),同時也要發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性,引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)模型、提升科學(xué)思維能力。

6.2 物理教師要提升自身的教學(xué)能力

科學(xué)思維培養(yǎng)的主陣地是課堂,學(xué)生最認(rèn)可的培養(yǎng)科學(xué)推理的有效方式是“物理問題解決過程中對思維的引導(dǎo)”,教師應(yīng)充分認(rèn)識到:教學(xué)不能僅僅圍繞應(yīng)試或解題,更要關(guān)注對學(xué)生思維的引領(lǐng),提升自己的教學(xué)研究能力,課堂才能成為啟迪學(xué)生思維的生態(tài)場域。