基于問題表征的物理學科核心素養研究*

張貴洲

(徐州市銅山區茅村中學 江蘇 徐州 221135)

高中物理課程作為普通高中課程的重要組成部分，目的是進一步提升學生的物理學科核心素養．物理學科的核心素養是學生在學習物理的過程中，通過發現問題、提出問題、分析問題、解決問題所形成的物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任．

教師通過物理教學，引導學生形成物理觀念，并利用物理觀念進行解釋現象和解決問題．物理觀念的教學流程通常為：首先教師提出一個問題，引導學生對問題進行分析討論，接著通過探究得到問題的結論，即通過對物理問題的解決幫助學生形成物理觀念．科學推理和科學論證既是科學思維的重要組成部分，也是探究發現式教學的重要組成部分．因此教師通常采用探究發現式的教學流程，引導學生通過對問題的解決提升學生的科學思維素養．科學思維素養還包括模型建構，新課標中要求高中階段學生能夠將實際問題或較復雜問題中的對象和過程轉換成物理模型．在日常學習中學生借助所學物理概念、物理規律解決物理問題時，需要從題干提取相應信息建立對應的時空關系，進而將物理問題納入特定的物理模型以此將問題解決[1]．

鑒于以上分析，物理學科核心素養的形成建立在物理學科的學習過程之中；物理學科的學習過程主要是對物理問題的解決過程，而問題表征是貫穿于整個問題解決過程中的一個動態過程，從問題的呈現至問題的解決都有各種表征形式和表征狀態的存在．在問題解決過程中，問題解決者從問題的外部特征開始，逐步而深入理解問題的深層結構，從而達到對問題的解決，進而提升學生的學科核心素養．

廖伯琴博士在基于McDermott&Larking表征分類假設的基礎之上，提出問題解決者在解決物理問題的過程中需要依次經歷文字表征、樸素表征、物理表征和數學表征[2]．根據對問題表征的層次分析，筆者選擇所在學校低年級和高年級的學生對其進行施測，采用認知作業分析法借助SPSS22.0對其在解決物理問題過程中的表征差異性進行研究，以此提出提升學生物理學科核心素養的建議．

研究中選取以下物理問題對學生進行施測：

物理問題：游樂場近期推出一系列體驗項目，其中一項如圖1所示，60 kg參賽選手以初速度v0=7 m/s的水平速度借助懸掛在高處長L=6 m的繩子飛越到對面的高臺上．當繩擺到與豎直方向夾角θ=37°時，選手放開繩子后恰好運動到最高點A，長xAB=3.75 m傳送帶始終以v1=3 m/s的速度勻速逆時針運動．選手與傳送帶的動摩擦因數為0.2，不考慮空氣阻力和繩子的質量．(其中選手可視為質點，取重力加速度g=10 m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)求：試通過計算說明該選手是否能順利沖過終點B．

圖1 選手運動過程示意圖

解析：

第一階段，由水平位置開始的圓周運動，由機械能守恒定律得

(1)

H=L-h=L-Lcosθ=1.2 m

(2)

由式(1)、(2)聯立可得

v=5 m/s

第二階段，由松手處至A點的逆向類平拋運動，選手在放開繩子時，水平速度為vx，豎直速度為vy則

vx=vcosθ=4 m/s

(3)

vy=vsinθ=3 m/s

(4)

由于恰好到達最高點A，則此時vy=0，vx保持不變．

第三階段，由于選手運動方向與傳送帶運行方向相反，所以在傳送帶上做勻減速直線運動.

選手的加速度大小

(5)

以地面為參考系，選手在最高點A有向右的初速度vx，向右運動的最大位移為末速度為零時的位移

(6)

聯立式(3)、(5)、(6)可得

x=4 m>3.75 m

所以可以順利通過終點．

問題表征的層次界點及評分標準如表1所示.

表1 表征層次界定及評分標準

信效度檢驗：本研究采用SPSS 22.0進行問卷的信效度檢驗．從表2中可以看出，Cronbach′s Alpha值為0.870，量表的總體一致性較高，信度較好．此外，本量表借鑒了以往文獻關于該問題的量表研究，在內容效度和結構效度上更符合高中生學習的實際情況；一般認為，量表的難度系數在0.3～0.7之間較為適宜，本量表的難度系數為0.61，因此，本量表的整體信效度較好．

表2 觀察值處理摘要&可靠性統計資料

研究結論：通過對不同年級學生的認知作業進行整理與分析，從中可以發現,高年級學生和低年級學生的認知作業大多數依次經歷了文字表征、樸素表征、物理表征和數學表征4個層次．現從問題表征的表征層次進行分析如下.

(1)對于物理問題文字表征情況，我們通過SPSS進行差異性分析后得出表3和表4.

表3 物理問題的文字表征Crosstab

表4 物理問題的文字表征Chi-Square Tests

卡方檢驗方法：由樣本量的大小來決定參考表中數值，如總樣本數N>40且交叉表中每一個cells中頻數均大于5，檢驗的結果是精確的，可參考第一行指標pearson-chi-square，若sig值小于0.05，說明差異顯著；如樣本總量N<40或cells中有一頻數小于5，則取校正后的卡方值，即第二行數據或者第三行fisher精確概率法獲得值．

由以上兩表可知，低年級學生與高年級學生錯誤發生的頻次皆較少，Pearson Chi-Square中Asymp.值為0.712>0.05，說明在文字表征層次上，低年級學生和高年級學生表征差異不明顯，表征水平接近．

原因分析：物理問題的文字表征是對題目內容進行一些表面的理解，考慮到高中階段學生所具有的文化素養極易達到，因此，學生對問題中文字描述的理解已經達到了較高的水準．部分學生出現文字表征錯誤主要是由于其學習態度較差，自我效能感較差．

素養提升：物理學科核心素養要求學生具備科學態度與責任，要通過物理教學使學生養成嚴謹認真、持之以恒的學習、工作態度．因此在重視學生知識獲取的同時，也要培養學生學習物理的興趣，學生接受物理、熱愛物理，自然不會出現空白卷的情況．同時，學生利用物理知識解決物理問題的過程也能讓學生體會到物理知識是有用的，進而產生學習物理的興趣和情感．

(2)對于物理問題樸素表征情況，我們通過SPSS進行差異性分析后得出表5和表6.

表5 復雜物理問題的樸素表征Crosstab

表6 物理問題的樸素表征Chi-Square Tests

由以上兩表可知，根據低年級學生與高年級學生錯誤發生的頻次和Pearson Chi-Square中Asymp.值為0.044<0.05，說明在樸素表征層次上，低年級學生與高年級學生存在顯著性差異．

原因分析：要解答物理問題就需要正確地對選手不同運動階段進行表征，題目中存在的冗余信息以及信息中潛在的歧義性會使被試在解答問題中產生錯誤的解題思路，導致錯誤解題．例如，低年級學生發生以下錯誤，選手運動過程表征錯誤，選手在傳送帶上最大運動位移判斷錯誤，運動過程圖像描述發生錯誤．

素養提升：學生不能建立正確的時空關系，即樸素表征錯誤，直接影響學生將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型，進而物理問題得不到解決．學生模型建構素養的提升是建立在正確的樸素表征之上的．分析學生樸素表征中的錯誤，教學中應引導學生結合個體生活經驗理解基礎知識，提升學生樸素表征程度進而提升學生的模型建構素養．

(3)對于物理問題物理表征情況，我們通過SPSS進行差異性分析后得出表7和表8.

表7 物理問題的物理表征Crosstab

表8 物理問題的物理表征Chi-Square Tests

由以上兩表可知，低年級學生錯誤發生的頻次明顯高于高年級學生錯誤發生的頻次，Pearson Chi-Square中Asymp.值為0.047<0.05，說明在物理表征層次上，低年級學生和高年級學生存在顯著性差異．

原因分析：高年級學生擁有更大更多的包含有關領域陳述性知識的問題圖式，且圖式中的知識被良好組織，知識單元間高度連接．相較而言，低年級學生擁有的陳述性知識圖式是不完善的，包含較少相關領域，圖式中知識組織、知識間鏈接松散．導致低年級學生錯誤主要表現在錯誤提取物理公式，物理公式中所使用符合與題目不相符，計算過程中沒有注意單位的使用．

素養提升：學生的問題圖式主要包括理想化的物理模型、物理概念及規律，能否正確進行物理表征取決于學生對物理概念或原理的理解．因此，幫助學生建構結構優化的高中物理知識系統和在教學中學習更多的物理概念及規律能夠提升學生的物理觀念和科學思維素養．

(4)對于物理問題數學表征情況，我們通過SPSS進行差異性分析后得出表9和表10.

表9 物理問題的數學表征Crosstab

表10 物理問題的數學表征Chi-Square Tests

由以上兩表可知，低年級學生與高年級學生錯誤發生的頻次皆較多，Pearson Chi-Square中Asymp.值為0.336>0.05，說明在數學表征層次上，低年級學生與高年級學生在解決物理問題的過程中差異性不明顯．

原因分析：高中物理問題對學生的數學運算能力的要求低于同期數學學科核心素養的要求，因此大部分學生能進行完全表征．

素養提升：學生數學學科核心素養影響物理問題解決的數學表征，學生數學表征錯誤表現為，錯誤提取數學三角函數式，計算數據出現錯誤．糾正學生日常學習中的錯誤，提升學生數學素養，達到對物理問題的完全表征．