科學思維素養方面“模型建構”5級水平的表現性任務設計

唐黎明

(寶山區教育學院，上海 201900)

教育部制定的《普通高中物理課程標準(2017年版)》(簡稱《標準》)簡要介紹了高中物理課程核心素養的4個方面,它們分別是物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任．隨著課改的推進,近幾年有關核心素養的研究在我國基礎教育界正如火如荼地進行．

1 問題的提出

《標準》認為科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素．《標準》中《附錄Ⅰ 物理學科核心素養的水平劃分》關于科學思維的5級水平要求如表1所示．

表1 科學思維素養的5級水平[1]

將表1中水平1至水平5要求的內容分別與模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新對應起來,就會分別得到模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新的5級水平要求．其中“模型建構”的5級水平要求如表2所示．

表2 模型建構的5級水平

但《標準》并未給出表2中“模型建構”5級水平的表現性任務的樣例.這里指的表現性任務是指分別符合表2中5級水平要求的任務．沒有這樣的樣例無論關于“模型建構”的教學還是對于其測評,都會有一定的困難,教師們會琢磨不定、難以把握要求.這不利于《標準》在一線課堂的實施,也不利于核心素養的目標落實．為了在一定程度上緩解這樣的窘境,筆者將嘗試依據表2中關于“模型建構”5級水平的要求分別設計相應的表現性任務的樣例,并分別闡述它們的特征．

2 模型建構的水平1

表2中水平1的要求是這樣的:能說出一些簡單的物理模型．

在《學習、教學和評估的分類學》一書中,將認知過程中的理解維度分為解釋、舉例、分類、概要、推論、比較和說明7個亞類,其中關于舉例的描述有“舉例出現在學生提供一般概念或原理的例子的時候．…例子或事例是學生未曾在教學中見到的．”[2]那么 “水平1”是否可以認為是理解維度中的舉例呢?“水平1”從語義上來說就是能例舉幾個物理模型,但不表明不可以舉教學中已出現過的例子,所以水平1不能被認為是“舉例”,也就不能被認為是認知過程中的理解維度,在5個等級中水平1又是最低的,所以認為水平1是一個知道級水平,是合理的,知道級水平包括再認和回憶．

“再認”涉及從長時記憶中提取相關知識以便將它與呈現的信息進行比較．[2]

例1.下列選項中屬于物理模型的是

(A) 帶電體. (B) 電子.

(C) 點電荷. (D) 元電荷.

由于學生已經學過“點電荷是一個物理模型”,在他們的長時記憶中應該有這樣的記憶,只要將這個記憶與樣例呈現的信息進行比較,就能得出答案(C),所以本例的認知要求是再認．

“回憶”涉及在給予提示的條件下,從長時記憶中提取適當知識．[2]

例2.請舉出物理模型的2個例子．

本例要求學生從長時記憶中提取已學過的物理模型的例子,與例1相比沒現成的答案可供辨認,需要將答案回憶出來,所以例2的認知要求是回憶．

3 模型建構的水平2

表2中水平2的要求是這樣的:能在熟悉的問題情境中應用常見的物理模型．

“水平2”中“熟悉的問題情境”和“常見的物理模型”應該是學生在平時的教學或生活中習以為常的,至少是不陌生的、容易想到的．應用常見的物理模型,實際上是應用作出常見的物理模型是否適用的判斷的規則,也就是“應用行為”是受這個規則支配的．

比如“應用質點”,實際上是應用作出質點是否適用的判斷的規則,判斷質點是否適用的規則是:如果研究的問題與物體的大小和形狀無關,或物體的大小和形狀對于研究的問題來說可以忽略,那么物體可以被看作質點．規則的條件部分就是《標準》中講的“質點的條件”,[1]不妨把這個規則叫做“質點的條件”,當面對問題需要判斷研究對象是否可以被看作質點時,學生應該受到規則“質點的條件”的支配,所以為了表達類似 “應用質點”的教學要求時,還不如講類似“應用質點的條件”來得明確．

從R.M.加涅的學習結果分類來看像這種受規則支配的智慧技能稱為規則,因此,“水平2”應該對應于R.M.加涅所說的學習結果中的規則,規則是通過其運用于一個或多個具體例證而得以展示的．[3]

例3.研究下列與運動物體有關的問題時可將物體視為質點的

(A) 研究航天飛機繞地球作圓周運動的半徑.

(B) 研究轉動車輪邊緣的速度.

(C) 研究運動員跳高時的過桿動作.

(D) 研究列車全部通過鐵路橋所需的時間.

本例要求運用“質點的條件”來作出選擇,各個選項中的問題情境是熟悉的,質點也是常見的物理模型,所以是一個符合水平2的例子．由于航天飛機的大小比其圓周運動的半徑要小得多,所以在(A)選項的問題情境中可將航天飛機視為質點,若選擇了(A),則表明出現了受“質點的條件”支配的行為．如果能正確完成類似樣例2的多個任務(例如運用“理想氣體的條件”、運用“簡諧運動的條件”等規則),則可以表明關于物理模型的學習達到了水平2．

4 模型建構的水平3

表2中水平3的要求是這樣的:能在熟悉的問題情境中根據需要選用恰當的模型解決簡單的物理問題．

比較“水平3”和“水平2”,相同的是“熟悉的問題情境”,不同的是“水平3”中多了“解決簡單的物理問題”,“水平3”中“根據需要選用恰當的模型”是以“解決簡單的物理問題”為目的的．所以水平3比水平2具有較高的等級要求表現在“解決簡單的物理問題”上,對于水平3,不但要像水平2那樣應用物理模型(實際上運用物理模型的條件),而且要能“解決簡單的物理問題”．因此,水平3是一種“運用物理模型的條件”技能和“解決簡單的物理問題”技能的綜合技能．一個表現水平3的例題如下.

例4.一輛汽車正在以15 m/s的速度行駛,司機發現前方紅燈亮起,立即剎車,剎車過程中汽車的加速度大小是6 m/s2．若司機剎車時汽車距離前方斑馬線約20 m,請問司機是否有可能闖紅燈?

例4中的剎車情境是一個“熟悉的問題情境”,解答中只用到了一個物理公式,那么當有計算時“用一個物理公式” 就作為“解決簡單的物理問題”的一種標志吧．

圖1

圖2

例5.如圖1所示,有一根足夠的豎直玻璃管,下端封閉,內有一段h=4 cm的水銀柱,水銀柱的下面封閉著長L1=60 cm的空氣柱,大氣壓強為76 cmHg．如圖2所示,若向管內緩緩注入20 cm長水銀,則空氣柱L2有多長?

解析：解決本樣例首先運用等溫變化的條件,由于樣例中有“緩緩注入”,應將玻璃管中氣體的狀態變化看作等溫變化這一物理模型,其次運用玻意耳定律．

先計算氣體第1狀態時的壓強,

p1=p0+ph=76+4=80(cmHg),

同理,有p2=100 cmHg.

由玻意耳定律,得p1SL1=p2SL2,

在計算中也用到了一個物理公式(玻意耳定律),盡管有壓強計算,但在這一問題中重要的是玻意耳定律的運用,在這里還是體現了“用一個物理公式”的原則．給出例5是想說明當“用一個物理公式”作為“解決簡單的物理問題”的一種標志時,不是沒有其他輔助性的計算或判斷參與問題解決.這些輔助性技能的運用為水平3在一定程度上的“彈性”變化成為可能.事實上我們做不到舉出的二個樣例精準地在同一水平上,可以做到的是能夠將一些樣例合理地控制在一個水平區間內．

5 模型建構的水平4

表2中水平4的要求是這樣的:能將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型．

從要求的內容上來看,水平4和水平3存在明顯的不同,“水平4”中明確提出“實際問題”,而不是“水平3”中的“熟悉的問題情境”,當然“實際問題”可能也是熟悉的,但也可以是不熟悉的、新穎的,如果是后者,那么難度就增加了．“水平4”中又明確提出將“對象和過程轉換成物理模型”,存在二種轉換;而對于水平2或水平3來說,應該只有一次“應用”或“選用”．“水平4”中的“轉換”是在思考解決“實際問題”(不同于“簡單的物理問題”)的目標下引導的,將“對象和過程”轉換為物理模型是解決這類問題的前提．還有“水平4”不像“水平3”那樣提出類似“解決簡單的物理問題” 的要求,即“水平4”沒有提出“解決實際問題”的要求．

例6.跳繩是一種健身運動,某運動員1 min跳180次,假定在每次跳躍中,腳與地面的接觸時間占跳躍一次所需時間的2/5,為了能夠算出該運動員跳起的最大高度，

(A) 將跳繩中的運動員視為質點.

(B) 將運動中的繩子視為質點.

(C) 將在空中的運動員看作只受重力的作用.

(D) 將跳繩看作簡諧運動.

本例涉及“計算跳繩時的最大高度”這一實際問題,根據水平4,例題的作答反應不要求計算這一高度,例題的4個選項分別敘述了為了解決這一實際問題將“對象和過程轉換成物理模型”的有關情況．將運動員視為質點并不難,所以(A)選項容易選對.稍難的是當有了“計算跳繩時的最大高度”正確方案(主要是將運動員在空中的運動看作豎直上拋運動)時,才有可能選對(C)．選項(C)之所以沒有設計成“將運動員在空中的運動看作豎直上拋運動”是為了避免直白地向學生暗示解決這一問題的思路,以本例題符合“水平4”．值得提醒的是設計選擇題時,要考慮選項間的“迷惑”性,[4]在本樣例中企圖用選項(B)來“迷惑”選項(A), 用選項(D)來“迷惑”選項(C),以減少“猜對”答案的可能性．

6 模型建構的水平5

圖3

表2中水平5的要求是這樣的:能將較復雜的實際問題中的對象和過程轉換成物理模型．

“水平5”和“水平4”明顯是類似的,“水平5”比“水平4”只多了“較復雜的”,用它來修飾“實際問題”,以突出水平5比水平4要求高．

例7.如圖3所示,是建筑工地上常用的一種“深坑打夯機”．工作時電動機帶動兩個緊壓夯桿的滾輪勻速轉動,可將夯桿從深h=4.8 m的坑中以2 m/s2的加速度由靜止豎直向上提起來．當兩個滾輪與夯桿分開時,夯桿被釋放,最后夯桿在自身重力作用下落回深坑,夯實坑底．之后兩個滾輪再次壓緊,夯桿再次被提上來,如此周而復始工作．已知兩個滾輪邊緣的線速度恒為5 m/s,假定在打夯過程中坑的深度變化不大,且夯桿底端升到坑口時,速度恰好為0(不計夯桿在坑底停留的時間)．為了計算打夯的周期應將夯桿看作什么物理模型?并分析夯桿在一個周期內做的是怎樣的運動?(g=10 m/s2)

本樣例涉及“計算打夯周期”這一實際問題,根據“水平5”,樣例的作答也不要求“計算打夯周期”,“計算打夯周期”是“對象和過程”轉換的意圖,樣例的作答反應是“對象和過程”的物理模型的建立．本樣例的解答如下.

由于夯桿上各點的運動情況都相同,要計算的是打夯的周期,所以只要觀察夯桿底端的運動就可以了,即以夯桿底端的運動來代替整個夯桿的運動,將夯桿看作質點．

解析：假設夯桿在勻加速上升過程中速度尚未達到滾輪邊緣的線速度5 m/s時,滾輪與夯桿分開,然后夯桿作豎直上拋運動(通常夯桿重力要比其受到的空氣阻力大得多,忽略空氣阻力),直至夯桿底端升到坑口時速度為0．

由于v<5 m/s,所以“假設”成立．

若從夯桿底端離開坑底算起,到夯桿底端首次回到坑底為一個周期,則夯桿先作勻加速直線運動,再作上升階段的豎直上拋運動,最后做自由落體運動．

通過上述解答,不難發現樣例5的復雜性一方面表現為運動過程的分階段性,另一方面表現為,對于可能的運動過程并不是可以直接判斷的,而是需要證明的．所以樣例5應該符合“水平5”的要求．

7 小結

通過上述分別償試例舉模型建構的5級水平的樣例,覺得有必要澄清5級水平的具體意涵,特在表2右側加了一欄“附加說明”,內容見表3．

表3 模型建構的5級水平

另外,在分別設計模型建構的5級水平的表現性任務時,還可以采用下面“3個策略”．

(1) 模型建構的5級水平不可能是間斷的,每級水平應該代表了一個水平區間．

(2) 關于體現模型建構各級水平的表現性任務,問題情境的復雜度[5]是逐漸增加的,所以物理模型也就“藏”得更深．

(3) 在設計體現模型建構3級以上水平的物理問題,表現性任務的完成不可能回避除了物理模型的條件性知識以外的其他物理知識或技能．這說明中等以上水平的模型建構能力是和其他物理知識的運用連結在一起的．

總之,“附加說明”和“3個策略”是本文通過嘗試模型建構的樣例設計而得出的結論.這些結論將為有興趣開發足夠的、訓練或評估科學思維素養方面模型建構的表現性任務,提供策略性指導.

除模型建構外,科學思維素養方面還有科學推理、科學論證、質疑創新3個要素,希望有志之士能依次開展有關5級水平的表現性任務的樣例研究,以便對科學思維5級水平有一個全面、合理而又明確的認識,本文若能起拋磚引玉的作用,筆者將深感欣慰．