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)具有重要價值，加強建模能力的培養(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，將學(xué)生的建模能力具體化為6個要素，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)行分析綜合實現(xiàn)問題的解決，在整個過程中，還要從模型成立的條件與實際問題是否符合等方面不斷檢驗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)雜的實際問題，對高級的元認(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其內(nèi)隱的物理建模能力.按照情景分析能力等5個要素的涵義，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，如果能夠檢驗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3個理科班學(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，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“可以將運動員看成打樁機模型”“可以將運動員運動看作彈力運動，當(dāng)運動員跳起后到達(dá)最高點，就像彈簧形變最大，接著又被拉回地面”“運動員運動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動來解決問題，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)生錯誤使用外部表征，如利用v-t圖像表征曲線運動的情況.

(4)模型分析與綜合能力：當(dāng)問題涉及到多個模型時，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動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動模型，然而沒有考慮運動員實際上在做往復(fù)運動，錯誤地認(rèn)為1 min內(nèi)運動員處于上升的時間就是上拋運動模型中從拋出點到達(dá)最高點的時間，導(dǎo)致高度計算錯誤.

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

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個原因.

首先，從物理問題本身來看，學(xué)生平時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算答案，對物理過程認(rèn)識不足.這些都會使學(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.因此，在教學(xué)過程中，教師需要加強對學(xué)生的建模意識、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，會導(dǎo)致學(xué)生不知道如何運用物理知識解決情境開放的實際問題.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)生基于實際情況建立物理模型的能力會有所提升.

(2)強調(diào)經(jīng)典模型成立的條件.這樣，在給出新的問題情境時，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，教學(xué)過程中有意識地修正經(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)科的育人價值

此次修訂的新課標(biāo)亮點之一在于增加了學(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有效的方法.