基于學業質量水平的物理建模能力研究

李 蘭

(貴陽市第一中學 貴州 貴陽 550081)

李春密

(北京師范大學物理學系 北京 100875)

楊鵬飛

(安徽省歙縣中學 安徽 黃山 245200)

1 問題的提出

在“立德樹人”思想的指導下，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準(2017年版)》(后稱新課標)，新課標指出模型建構是科學思維核心要素之一，是物理學科核心素養的重要組成部分.

建構模型是一種認識客觀世界的手段和思維方式，是指學生根據研究問題和情境，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特征，構成概念或者體系的過程[1].建構與使用模型有利于加深學生對物理概念規律的理解，對物理學習具有重要價值，加強建模能力的培養對發展學生的物理學科核心素養具有重要作用.

建模能力可以具體化為不同方面，李廳廳根據建模過程自身的特點，將學生的建模能力具體化為6個要素，分別為目標指向能力、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 物理建模能力指標構建

新課標的亮點之一就是給出了學業質量水平，對學生應該達到的水平進行了質量描述，其中，對模型建構的質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用常見的模型；

(3)能在熟悉的問題情境中根據需要選用所學的恰當的模型解決簡單的物理問題；

(4)能將實際問題中的對象和過程轉換成所學的物理模型；

(5)能將較復雜的實際問題中的對象和過程轉換成物理模型[3].

其中，學業質量水平4是用于高等院校招生中學業水平等級性考試的命題依據，也就是說，選考物理的學生在完成高中物理學習后，要能將實際問題中的對象和過程轉換成所學的物理模型.在這一過程中，學生首先要對實際問題的情境進行分析，找出研究對象及其經歷的過程、選擇合適的參考系等，在此基礎上，選擇合適的模型，將對象之間的關系運用數學表達式、圖像等外部表征呈現出來，再通過對模型進行分析綜合實現問題的解決，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不要求學生解決較復雜的實際問題，對高級的元認知能力要求不高，基于此，我們對李廳廳的建模能力要素進行調整，刪去了目標指向能力.

建模能力是內隱的，不能被直接測量，但行為可以被直接觀察到，因此可以通過學生在建模過程中外顯的行為評價其內隱的物理建模能力.按照情景分析能力等5個要素的涵義，考察學生在解決問題過程中出現的行為，就可以間接地考察學生的物理建模能力.例如，學生在解決問題時，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，能對選擇的模型進行修正，還能根據實際問題，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的行為，完成了力學部分建模能力指標構建，如表1所示.

表1 力學部分建模能力指標構建

3 研究對象及工具

本次研究以貴陽市某高中高二年級3個理科班學生為對象，共發放測試卷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的指標構建，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 測試結果與分析討論

分別計算出建模能力各要素的得分，轉化為百分制，得到學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 學生建模能力得分

滿分為100分，由圖1不難看出，學生的建模能力各要素中僅模型選擇能力平均分達到了60分，說明在情境不是特別復雜的情況下，大部分學生都能正確地選擇學過的模型解決問題.而其他能力要素平均分均比較低，說明學生在這些方面存在比較明顯的不足.接下來，對學生答案進行進一步分析，發現學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，難以聯想學過的模型解決問題.比如第2題中，有學生回答“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，當運動員跳起后到達最高點，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，學生給出這些回答的本質原因是沒有聯想到可以用豎直上拋運動來解決問題，結果就是胡編亂造一些模型.

(3)模型表征能力：表征形式單一，大多數學生只能用數學公式表征模型，認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、函數圖像等外部表征呈現模型；部分學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：當問題涉及到多個模型時，不能準確找出模型之間的聯系.例如，在第1題中，部分學生雖然能夠利用平拋運動模型求出星體重力加速度，但不能結合萬有引力定律找到星體重力加速度和其質量之間的關系；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系，例如第2題中，有的學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運動，錯誤地認為1 min內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最高點的時間，導致高度計算錯誤.

(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”；不能根據實際情況修正已建立的模型，導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對時間的求解.

從對學生的訪談中發現，學生建模過程中出現種種問題大致有3個原因.

首先，從物理問題本身來看，學生平時接觸的物理問題都過于結構化，題目中的次要因素大多已被略去，學生很容易就知道應該使用何種模型解決問題，而實際問題往往更加開放.僅僅接觸過于結構化的物理問題，學生在建構模型解決實際問題的能力方面難以發展.

其次，從教學角度來看，有些時候，教師在教學過程中，沒有滲透利用模型解決問題的一般思想，導致學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，從學生自身角度來看，一方面，高二學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，因此學生難以掌握建模的方法；另一方面，有時候學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，對物理過程認識不足.這些都會使學生在建模過程中遇到困難.

5 教學建議與總結

新課標明確指出，學生要有建模的意識與能力，但研究發現，當下高二理科學生物理建模能力整體不強.因此，在教學過程中，教師需要加強對學生的建模意識、建模能力的培養.為了更好地指導教學，結合研究結果提出以下幾點建議.

(1)適當增加情境開放的問題.長期接觸結構良好、比較封閉的問題，會導致學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，結構良好的問題大多脫離生活，不利于激發學生的學習興趣.如果教師適當講解情境開放的問題，相信學生基于實際情況建立物理模型的能力會有所提升.

(2)強調經典模型成立的條件.這樣，在給出新的問題情境時，學生才能判斷新的問題情境下能否選用原來的模型.同時，教學過程中有意識地修正經典模型解決問題，培養學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、數學公式等多種外部表征來呈現，一味地采用數學公式表征物理模型，學生可能無法體會到物理與數學的區別，認為學物理就是套公式解題，不利于體現物理學科的育人價值

此次修訂的新課標亮點之一在于增加了學業質量水平，對學生完成高中物理課程學習后應形成的學習結果提出了要求，這就可以為學業評價提供清晰、具體的依據.在本研究中我們充分結合學業質量水平對模型建構的質量描述，構建出一套有效地評價學生建模能力的指標，發現了學生在建模過程中存在的諸多問題，為學業質量水平的落地提供了一種切實有效的方法.