楊 科 張文悅 張 靜

（長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院物理教育研究所，湖北荊州 434023）

模型作為真實(shí)事物的表征，是學(xué)生認(rèn)識(shí)世界的手段和工具；建模作為科學(xué)學(xué)習(xí)中重要的一種能力，成為科學(xué)教育研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)并獲得多國(guó)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的重視.［1，2］物理學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)建模能力方面具有重要的作用.模型建構(gòu)作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的關(guān)鍵要素，［3］能夠充分培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合、抽象、概括等思維方法.

2021年，江蘇、河北、廣東、湖南等8省市進(jìn)行第3批新高考改革，［4］新高考命題注重對(duì)模型建構(gòu)等物理學(xué)科核心素養(yǎng)要素的考核，凸顯了其命題理念中核心素養(yǎng)的導(dǎo)向作用.本文以2021年江蘇、河北、廣東、湖南4 省份新高考物理中涉及模型的試題為研究對(duì)象，采用內(nèi)容分析法，從質(zhì)性和量化兩個(gè)方面對(duì)新高考試題中所考查模型類型和模型建構(gòu)能力水平進(jìn)行分析，以期從測(cè)評(píng)的視角為教師有針對(duì)性的培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力提供參考.

1 模型分類及能力水平劃分

2017版物理課程標(biāo)準(zhǔn)中多次提到“模型”一詞，要求學(xué)生具有建構(gòu)模型的意識(shí)和能力.科學(xué)教育領(lǐng)域中，許多學(xué)者從多角度對(duì)模型進(jìn)行分類.［5，6］目前，大多數(shù)學(xué)者較認(rèn)可物質(zhì)模型與過程模型，在此基礎(chǔ)上參考其他學(xué)者的分類標(biāo)準(zhǔn)，將模型確定為物質(zhì)模型、過程模型、狀態(tài)模型和模擬模型4大類，其內(nèi)容見表1.

表1 模型分類

課程標(biāo)準(zhǔn)將模型建構(gòu)能力劃分為5個(gè)水平層級(jí)，參考模型建構(gòu)的相關(guān)研究成果，［7，8］對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)劃分的模型建構(gòu)能力水平的內(nèi)涵進(jìn)行補(bǔ)充（見表2）.其中水平1屬于模型的再認(rèn)與回憶；水平2要求在熟悉的物理情境中對(duì)模型的簡(jiǎn)單應(yīng)用；水平3要求能結(jié)合模型的條件與有關(guān)物理規(guī)律進(jìn)行模型選擇；水平4 注重在實(shí)際問題中建構(gòu)物質(zhì)模型與過程模型，且需將物理模型與相關(guān)物理規(guī)律結(jié)合；水平5中的實(shí)際問題情境比水平4復(fù)雜，需建構(gòu)多個(gè)過程模型.

表2 模型建構(gòu)能力的5級(jí)水平

2 模型建構(gòu)能力考查情況

為保證內(nèi)容分析的可靠性和一致性，兩名具有教育背景的研究者獨(dú)立對(duì)新高考試題的模型類別和能力水平展開分析，兩位研究者的一致性系數(shù)為0.845，表明研究結(jié)果具有良好的內(nèi)部一致性，通過協(xié)商，最終達(dá)到一致.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，4省份新高考物理試題中江蘇卷的試題總數(shù)為15，另外3省份試題總數(shù)均為18（每個(gè)選考模塊記2題），其中涉及模型的試題數(shù)分別為14、16、16、17，其占比分別為93%、89%、89%、94%.

2.1 4類物理模型的考查

根據(jù)模型分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)4 省份新高考物理試題中的模型類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見圖1）.結(jié)果表明，新高考物理試題對(duì)4 類模型展開不同程度的測(cè)評(píng)，其中物質(zhì)模型在4 省份高考試題中的占比最多，其次為過程模型，而狀態(tài)模型與模擬模型的總占比僅為11%，其占比遠(yuǎn)小于物質(zhì)模型和過程模型.

圖1 4類模型考查情況

對(duì)所考查的物質(zhì)模型進(jìn)行分析表明（見圖2），質(zhì)點(diǎn)模型在物質(zhì)模型中的占比最高，達(dá)到29%，勻強(qiáng)磁場(chǎng)、點(diǎn)電荷兩種模型其次，均達(dá)到13%，而光波、機(jī)械波、光電子模型僅在4套高考試題中總共出現(xiàn)了1次.可見高考更多考查諸如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷等與多數(shù)物理概念有所聯(lián)系的模型，也不乏對(duì)光波等模型的考核.

圖2 物質(zhì)模型考查情況

過程模型中的勻變速直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)（包括勻速圓周運(yùn)動(dòng)）的頻次較多，考查頻次占比均為26%，這兩種模型在力學(xué)、電磁學(xué)等考題中均有所涉及.

2.2 模型水平的考查

基于模型建構(gòu)的5 個(gè)能力水平，對(duì)物理試題的水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各模型建構(gòu)水平的百分比見圖3.模型建構(gòu)能力水平的測(cè)驗(yàn)集中于水平2、水平3和水平4，其中水平3的數(shù)量最多，且廣東卷中水平3要遠(yuǎn)高于其他水平；而水平5 的考查總頻次為5，水平1則完全未涉及.雖然學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4是高考的命題依據(jù)，但多省份的模型建構(gòu)水平集中在水平3，即能夠結(jié)合模型的條件與有關(guān)物理規(guī)律進(jìn)行模型選擇，其次為水平4和水平2（僅廣東卷的水平2高于水平4）.

圖3 4省份模型建構(gòu)水平的考查情況

3 試題情境分析

情境作為高考評(píng)價(jià)模式的考查載體，［9］4省份通過設(shè)置多類型的情境化試題，從不同水平考查學(xué)生的模型建構(gòu)能力.統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，新高考試題涉及的情境主要有4 個(gè)方面：生產(chǎn)生活方面的情境，如“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組、曲桿道閘、玻璃保溫杯等；體育競(jìng)技方面的情境，例如籃球投籃、滑雪等；中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化方面的情境，例如曲轅犁和直轅犁、算盤、賽龍舟等；現(xiàn)代科技成果方面的情境，如“天問一號(hào)”探測(cè)器、“天和”核心艙、“北斗”衛(wèi)星、薄膜材料制備技術(shù)等.

3.1 相同情境試題分析

太空探索新技術(shù)作為高考試題的問題情境，“天問一號(hào)”是我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的探測(cè)器，為我國(guó)行星探測(cè)的第一步，“天和”核心艙成功發(fā)射標(biāo)志著我國(guó)空間站在軌組裝建造全面展開.河北、廣東、湖南3省份均以我國(guó)太空探索新技術(shù)為問題情境（見表3），通過設(shè)置不同層次的問題來考查學(xué)生的模型建構(gòu)能力.基于此問題情境，學(xué)生需建構(gòu)兩個(gè)物理模型：質(zhì)點(diǎn)模型和勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型，再結(jié)合萬有引力定律、牛頓第二定律、向心力等內(nèi)容來解決問題.

表3 相同情境類試題

但3道試題所考查的具體知識(shí)及模型建構(gòu)水平有所差別：廣東卷涉及的知識(shí)為中心天體質(zhì)量求解，雖然該問題情境對(duì)學(xué)生而言較陌生，但題目中已建構(gòu)勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型，學(xué)生需將勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型與萬有引力定律、牛頓第二定律等物理規(guī)律相結(jié)合，便可得出結(jié)論：已知的物理量為①核心艙的繞地線速度和繞地半徑；②繞地角速度和繞地半徑；③繞地周期和繞地半徑均可求得地球的質(zhì)量，故其屬于模型建構(gòu)的水平3；湖南卷則對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的相關(guān)物理量進(jìn)行比較，該試題為一個(gè)實(shí)際問題，學(xué)生需根據(jù)核心艙繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)其大小和形狀可忽略建構(gòu)質(zhì)點(diǎn)模型（物質(zhì)模型），根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡為圓軌道建立勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型（過程模型），把實(shí)際問題轉(zhuǎn)換為物理問題，并將勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型與萬有引力定律、牛頓第二定律等物理規(guī)律結(jié)合運(yùn)用便可求得結(jié)果，其屬于水平4；河北卷就火星與地球的軌道半徑進(jìn)行比較，該試題也為實(shí)際問題，學(xué)生同樣需要根據(jù)試題內(nèi)容建立質(zhì)點(diǎn)和勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型，且將勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型與萬有引力定律、牛頓第二定律等相結(jié)合，其屬于水平4.基于同一類問題情境，三套試卷所考查的具體知識(shí)與模型建構(gòu)水平有所差別，但其模型建構(gòu)的過程相似.

3.2 不同情境試題分析

共點(diǎn)力的平衡是高中物理“運(yùn)動(dòng)與相互作用關(guān)系”的起始內(nèi)容，對(duì)運(yùn)動(dòng)與相互作用觀的形成具有重要的作用，該內(nèi)容的運(yùn)用需要結(jié)合平衡態(tài)模型.江蘇卷的第13 題與湖南卷第15題均需建立平衡態(tài)模型，其問題情境有所區(qū)別（見表4）.

表4 不同情境類試題

面對(duì)上述兩道試題的情境，學(xué)生需先依據(jù)物體靜止或勻速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建立平衡態(tài)模型，再結(jié)合共點(diǎn)力的平衡條件來確定物體所受到的力，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為熱力學(xué)問題.兩個(gè)試題均需將平衡態(tài)模型與共點(diǎn)力的平衡條件相結(jié)合，江蘇卷第13 題需根據(jù)題目中的“緩慢”字眼建立平衡態(tài)模型，結(jié)合受力平衡的條件得出氣體壓強(qiáng)，其次通過熱力學(xué)第一定律求得內(nèi)能的增加量，故屬于水平3；湖南卷第15 題需依據(jù)杠桿的平衡建立平衡態(tài)模型，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的體積不變建構(gòu)等容變化模型，并需結(jié)合受力平衡的條件得出系統(tǒng)的壓強(qiáng)，利用查理定律求得溫度，故屬于水平4.可見，對(duì)同一模型建構(gòu)和相同知識(shí)理解的考查，新高考試題巧妙設(shè)置多種問題情境來測(cè)試學(xué)生的模型建構(gòu)能力.

4 總結(jié)與建議

新高考物理十分重視對(duì)物理模型與模型建構(gòu)能力的考查；重點(diǎn)對(duì)物質(zhì)模型與過程模型進(jìn)行測(cè)評(píng)；側(cè)重模型建構(gòu)水平3的考查，也注重通過多種模型的組合來檢驗(yàn)學(xué)生的模型建構(gòu)能力；問題情境設(shè)置呈多樣化的特點(diǎn).

（1）重視建模教學(xué)，提升學(xué)生高階思維.

科學(xué)研究是模型的建構(gòu)過程，科學(xué)學(xué)習(xí)則是學(xué)習(xí)模型建構(gòu)的過程.［10］教師可利用建模教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷選擇、建立、驗(yàn)證與重構(gòu)等模型建構(gòu)的過程，體會(huì)在建構(gòu)物理模型過程中運(yùn)用的抽象、概括等思維方法，發(fā)展學(xué)生的模型建構(gòu)能力并培養(yǎng)學(xué)生分析、綜合等高階思維.

（2）融入真實(shí)情境，增強(qiáng)學(xué)生建模能力.

學(xué)業(yè)質(zhì)量水平與問題情境的復(fù)雜程度、開放性程度等有關(guān)，學(xué)業(yè)質(zhì)量水平對(duì)問題情境的描述體現(xiàn)了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由物理問題到實(shí)際問題的復(fù)雜度進(jìn)階.近年來，生產(chǎn)生活、當(dāng)代體育競(jìng)技、優(yōu)秀傳統(tǒng)文化及現(xiàn)代科技前沿等真實(shí)問題成為高考的熱點(diǎn)情境，如2021年新高考中設(shè)置了玻璃保溫杯、太空探索新技術(shù)、曲轅犁和直轅犁等多樣化的真實(shí)情境類試題，學(xué)生利用抽象、概括等物理思維方法來建構(gòu)相應(yīng)的物理模型，將真實(shí)情境轉(zhuǎn)換為非情境化的物理問題是解決問題的關(guān)鍵.教師可適當(dāng)融入真實(shí)問題情境于課程教學(xué)、課后作業(yè)與階段性評(píng)價(jià)中，充分利用真實(shí)問題情境發(fā)展學(xué)生的模型建構(gòu)能力.

（3）多維整合，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng).

物理觀念的形成過程是發(fā)展學(xué)生模型建構(gòu)的重要途徑，模型與建模在物理觀念的形成中起著基礎(chǔ)性的作用，［11］物理學(xué)科核心素養(yǎng)各要素是相輔相成、協(xié)同發(fā)展的.新高考試題中注重將核心素養(yǎng)的多個(gè)要素進(jìn)行整合測(cè)試，如江蘇卷第13題將運(yùn)動(dòng)與相互作用觀與模型建構(gòu)相結(jié)合，太空探索新技術(shù)將我國(guó)對(duì)科學(xué)的探索精神滲透在物理觀念和科學(xué)思維的考查之中.