高中學(xué)生物理模型建構(gòu)能力發(fā)展趨勢(shì)分析

陸玫琳 桑芝芳

(1 蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;2蘇州大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 蘇州 215006)

核心素養(yǎng),是指學(xué)生應(yīng)具備的、能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。2017年普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“實(shí)驗(yàn)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面構(gòu)成。科學(xué)思維作為物理核心素養(yǎng)中重要的一環(huán),主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[1]。這些都是物理學(xué)科在探索自然和建構(gòu)理論體系過程中運(yùn)用的典型思維方式,也是學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用物理知識(shí)和方法的過程中必備的思維能力[2]。因此,研究學(xué)生的物理科學(xué)思維能力發(fā)展趨勢(shì),對(duì)于落實(shí)與培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要意義。

為了更好地落實(shí)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng),國內(nèi)外學(xué)者均對(duì)科學(xué)思維能力的結(jié)構(gòu)和培養(yǎng)方面做出不少研究,并且提出了一些培養(yǎng)方法,但大多是基于理論和經(jīng)驗(yàn)的思辨研究,關(guān)于學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的縱向追蹤研究較少,因而無法深入揭示學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律和機(jī)制,既不利于各學(xué)段的核心素養(yǎng)目標(biāo)水平的設(shè)置,也不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培育和評(píng)估。因此,需要針對(duì)核心素養(yǎng)在不同年齡段的發(fā)展規(guī)律開展縱向研究,從而為檢驗(yàn)核心素養(yǎng)指標(biāo)體系的有效性、推動(dòng)基于核心素養(yǎng)的課程教學(xué)改革提供數(shù)據(jù)支撐[3]。

追蹤研究對(duì)個(gè)體在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行多次測量,合理地推論變量之間的因果關(guān)系,為揭示事物的發(fā)生、發(fā)展和變化提供有效的途徑,在心理學(xué)、教育學(xué)、社會(huì)學(xué)等學(xué)科中有廣泛的應(yīng)用。統(tǒng)計(jì)方法主要有以下幾種:(1)重復(fù)測量的方差分析和多元方差分析;(2)時(shí)間序列分析;(3)潛變量增長曲線模型;(4)多層線性模型[4]。重復(fù)測量是指對(duì)同一觀察對(duì)象的同一觀察指標(biāo)在不同時(shí)間或環(huán)境下進(jìn)行的多次測量,用于分析觀察指標(biāo)的變化趨勢(shì)及有關(guān)的影響因素[5]。運(yùn)用該統(tǒng)計(jì)方法對(duì)學(xué)生的物理科學(xué)思維發(fā)展進(jìn)行分析,并對(duì)其影響因素進(jìn)行探討,是十分合適的。

1 模型建構(gòu)能力表現(xiàn)框架的建構(gòu)

模型建構(gòu)是物理科學(xué)思維能力的一個(gè)重要維度,也是一種重要的科學(xué)思維方法,在培養(yǎng)學(xué)生的思維發(fā)展、解決問題能力方面起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn),與專家和一線教師的討論,筆者將模型建構(gòu)能力分解為了解模型、應(yīng)用模型、模型轉(zhuǎn)換三個(gè)一級(jí)指標(biāo)及相關(guān)二級(jí)指標(biāo),具體表現(xiàn)框架見表1,從而有利于進(jìn)行相關(guān)能力測試和分析。

了解模型包括了解簡單模型(A1-1)和了解復(fù)雜模型(A1-2)兩個(gè)二級(jí)指標(biāo)。了解簡單模型是指學(xué)生認(rèn)識(shí)并能說出一些簡單物理模型,如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、點(diǎn)光源等,并理解這些模型的內(nèi)涵,把握其本質(zhì)特征。了解復(fù)雜模型是指學(xué)生認(rèn)識(shí)并能說出較多常見物理模型,如輕繩、輕桿、輕彈簧、單擺、簡諧振動(dòng)、碰撞等。并且掌握物理模型的文字表述、數(shù)學(xué)表述和圖像表述,知道模型的適用范圍和應(yīng)用條件,且具有模型建構(gòu)的意識(shí),在遇到物理問題時(shí),能夠自覺嘗試構(gòu)建物理模型來解決問題。

應(yīng)用模型包括應(yīng)用常見模型(A2-1)和選擇應(yīng)用模型(A2-2)兩個(gè)二級(jí)指標(biāo)。應(yīng)用常見模型是指學(xué)生能在熟悉的問題情境下,提取其本質(zhì)特征,直接應(yīng)用所學(xué)的常見物理模型,解決物理問題。選擇應(yīng)用模型是指學(xué)生能在綜合性問題情境中根據(jù)實(shí)際需要,分析所遇到的問題情境,進(jìn)行本質(zhì)抽象,在適用范圍內(nèi),選擇出合適的物理模型,并且能夠正確運(yùn)用模型來解釋和表征問題,最后解決物理問題。

模型轉(zhuǎn)換包括簡單模型轉(zhuǎn)換(A3-1)、復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換(A3-2)和新模型建立(A3-3),一共三個(gè)二級(jí)指標(biāo)。簡單模型轉(zhuǎn)換是指學(xué)生通過分析,能將較為簡單的實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成學(xué)生熟悉的物理模型,然后解決物理問題。復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換是指學(xué)生通過多步驟的分析和推理,能夠提取出較復(fù)雜的實(shí)際問題中對(duì)象和過程的本質(zhì)特征,轉(zhuǎn)換成物理模型,并有效解決問題。新模型建立是指在新的物理問題情境中,運(yùn)用已知的模型無法解決問題的情況下,學(xué)生能夠?qū)σ延心Ｐ瓦M(jìn)行延伸和拓展,或在已經(jīng)建立模型基礎(chǔ)上建立起新模型,從而有效解釋新情境,解決實(shí)際問題。

基于模型建構(gòu)能力表現(xiàn)框架,應(yīng)用問題(試題)對(duì)模型建構(gòu)能力水平進(jìn)行分析、測試與評(píng)價(jià)。現(xiàn)以選擇應(yīng)用模型(A2-2)、簡單模型轉(zhuǎn)換(A3-1)、復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換(A3-2)進(jìn)行示例說明:

選擇應(yīng)用模型(A2-2)示例:如圖1甲所示,一長度l未知的輕桿,一端穿在過O點(diǎn)的水平轉(zhuǎn)軸上,另一端固定一質(zhì)量m未知的小球,整個(gè)裝置繞O點(diǎn)在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。小球通過最高點(diǎn)時(shí),輕桿對(duì)小球的彈力F與其速度平方v2的關(guān)系如圖1乙所示,已知重力加速度為g。下列說法正確的是( )

A.輕桿長度l=g/a

B.小球質(zhì)量m=-b/g

C.當(dāng)v2＜a時(shí),輕桿中的彈力表現(xiàn)為向下的拉力

D.僅換用長度較短的輕桿做實(shí)驗(yàn),圖線b點(diǎn)的位置不變

說明:本題考查的是圓周運(yùn)動(dòng)問題。小球與輕桿相連,還需學(xué)生考慮到輕桿模型的特點(diǎn)。分析小球通過最高點(diǎn)時(shí)的向心力和速度情況,結(jié)合受力分析,得到本題答案選BD。該題難度值為0.78,難度適中。該題考查學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的掌握,即對(duì)過程模型的掌握。學(xué)生需要在這類綜合性問題情境中根據(jù)實(shí)際需要,分析所遇到的問題情境,選擇出合適的物理模型,并且能夠正確運(yùn)用模型來分析和解釋問題,最后解決物理問題。因此該題屬于應(yīng)用模型這一任務(wù)的較高水平,即選擇應(yīng)用模型。

簡單模型轉(zhuǎn)換(A3-1)示例:如圖2所示,某人站在一平臺(tái)上,用長L=0.6m 的輕細(xì)線拴一個(gè)質(zhì)量為m=0.6kg的小球,讓它在豎直平面內(nèi)以O(shè)點(diǎn)為圓心做圓周運(yùn)動(dòng),當(dāng)小球轉(zhuǎn)到最高點(diǎn)A時(shí)人突然撒手,經(jīng)0.8s小球落地,落地點(diǎn)B與A點(diǎn)的水平距離BC=4.8m,不計(jì)空氣阻力,g=10m/s2。求:

圖2 (A3-1)示例題圖

(1)A點(diǎn)距地面高度;

(2) 小球做圓周運(yùn)動(dòng)到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)的線速度及角速度大小;

(3) 小球做圓周運(yùn)動(dòng)到達(dá)A點(diǎn)時(shí),繩對(duì)球的拉力大小。

說明:本題考查平拋運(yùn)動(dòng),但并未直接指出平拋運(yùn)動(dòng)的初始條件,需要學(xué)生根據(jù)題目情境分析該過程,再將其轉(zhuǎn)換成平拋運(yùn)動(dòng)的過程模型,理解題意并解決問題。該題難度值為0.99,難度較低。該題考查學(xué)生對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的掌握,即對(duì)勻變速直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)這類過程模型的掌握與應(yīng)用。學(xué)生需要通過分析,將較為簡單的實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成熟悉的平拋運(yùn)動(dòng)過程模型,根據(jù)問題情境形成對(duì)當(dāng)前情境的恰當(dāng)理解,并應(yīng)用模型研究實(shí)際問題,從而解決物理問題。因此該題屬于模型轉(zhuǎn)換這一任務(wù)的較低水平,即簡單模型轉(zhuǎn)換。

復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換(A3-2)示例:風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是指在風(fēng)洞中安置飛行器或其他物體模型,研究氣體流動(dòng)與其相互作用,以了解實(shí)際飛行器或其他物體的空氣動(dòng)力學(xué)特性的一種實(shí)驗(yàn)方法。某風(fēng)洞空間能產(chǎn)生速度恒為v0的水平風(fēng),在其空中某一位置,以大小為v0的對(duì)地速度水平逆風(fēng)射出一質(zhì)量為m的物體,由于受到恒定的水平風(fēng)力作用,經(jīng)時(shí)間t物體下落一段距離后其速度的水平分量大小仍為v0,方向與拋出時(shí)速度相反。設(shè)豎直方向阻力不計(jì),則在這段時(shí)間內(nèi)下列說法中正確的是

A.水平風(fēng)力對(duì)物體做負(fù)功

B.重力的功率先減小后增大

說明:本題考查了自由落體運(yùn)動(dòng),也同時(shí)整合了動(dòng)能定理等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生需要分析物體在水平方向和豎直方向上的運(yùn)動(dòng),水平方向的物體動(dòng)能變化量為0,依據(jù)動(dòng)能定理可知,風(fēng)力做功為0,A 選項(xiàng)錯(cuò)誤;物體在豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng),速度不斷增大,而重力的功率等于重力和豎直分速度的乘積,即有P=mgvy,所以重力的功率一直增大,B選項(xiàng)錯(cuò)誤;物體下落的高度為h=,重力勢(shì)能減小量為ΔEp=mgh=。由于物體的動(dòng)能增加,所以物體機(jī)械能減少量小于,故C 選項(xiàng)錯(cuò)誤,物體的動(dòng)能增加量為。因此本題正確選項(xiàng)為D。該題難度系數(shù)為0.67,難度適中。該題考查學(xué)生復(fù)雜情境中的信息獲取能力,對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)模型本質(zhì)認(rèn)識(shí),對(duì)過程模型的理解和建構(gòu)。自由落體運(yùn)動(dòng)屬于物理過程模型,學(xué)生解答本題需要掌握并靈活應(yīng)用自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),根據(jù)題目的實(shí)際情況,將水平方向和豎直方向的情況進(jìn)行分析,得到豎直方向的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)。即通過多步驟的分析和推理,提取出較復(fù)雜的實(shí)際問題中對(duì)象和過程的本質(zhì)特征,轉(zhuǎn)換成自由落體運(yùn)動(dòng)的物理模型,并結(jié)合動(dòng)能定理,應(yīng)用相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)求解,最終有效解決問題。因此該題屬于應(yīng)用模型這一任務(wù)的較高水平,即復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換。

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 研究對(duì)象

選取蘇州市某高中一個(gè)年級(jí)約兩百名學(xué)生為研究對(duì)象,選取從高一至高三的六次測試,測試時(shí)間為每學(xué)期期末,時(shí)間間距等間隔,分別為高一上學(xué)期期末,高一下學(xué)期期末,高二上學(xué)期期末,高二下學(xué)期期末,高三上學(xué)期期末,高三下學(xué)期期末(調(diào)研考試),即進(jìn)行追蹤分析的六個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

2.2 研究工具

筆者首先制定了高中生的物理模型建構(gòu)能力表現(xiàn)框架,并基于物理模型建構(gòu)能力結(jié)構(gòu),分析試卷試題,對(duì)有效試題和學(xué)生答題情況進(jìn)行分析處理,提取出能夠體現(xiàn)出高中生物理模型建構(gòu)能力發(fā)展的題目,對(duì)其進(jìn)行難度評(píng)級(jí),根據(jù)學(xué)生答題情況,得到其模型建構(gòu)能力的得分,從而根據(jù)高一至高三,一共六個(gè)時(shí)間點(diǎn)的測試進(jìn)行追蹤分析,得到學(xué)生模型建構(gòu)能力的發(fā)展情況。

六次測試的內(nèi)部一致性系數(shù)Cronbach's α系數(shù)分別為0.592、0.670、0.678、0.650、0.661、0.682,信度良好,說明本測驗(yàn)是較為穩(wěn)定可信的。測試試卷為高一上、下學(xué)期期末考試,高二上、下學(xué)期期末考試,高三上學(xué)期期末零模調(diào)研和高三下學(xué)期期末二模調(diào)研的試卷,在一定程度上保證了該測驗(yàn)具有較好的內(nèi)容效度。

2.3 數(shù)據(jù)處理

筆者采用SPSS 24.0對(duì)測驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)追蹤分析。將群體樣本進(jìn)行分組,分別對(duì)全體樣本、男女生性別分組和成績分組的不同子群體進(jìn)行研究,采用追蹤研究中的重復(fù)測量方差分析方法對(duì)全體和各子群體進(jìn)行追蹤分析。

當(dāng)對(duì)于全體樣本進(jìn)行重復(fù)測量方差分析時(shí),如果P＜0.05,說明六次測量之間存在顯著差異,如果檢驗(yàn)P＞0.05,說明六次測量之間實(shí)際上不存在顯著差異。當(dāng)對(duì)于多個(gè)子群體進(jìn)行分析時(shí),如果P＜0.05,說明時(shí)間因素以及時(shí)間因素和分組的交互作用有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,即測量指標(biāo)隨時(shí)間變化而變化,并且時(shí)間因素的作用隨著分組的不同而不同[6]。

3 研究結(jié)果分析

以時(shí)間為自變量,學(xué)生各能力維度的得分為因變量,對(duì)學(xué)生在六個(gè)時(shí)間點(diǎn)的情況進(jìn)行追蹤分析。因?yàn)樵趥€(gè)別維度的試題因難度不符合要求或者試題量較少,為保證追蹤分析的時(shí)間間隔連續(xù),在某些維度僅提取個(gè)別學(xué)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)全體學(xué)生樣本、性別分組和成績分組進(jìn)行追蹤研究的結(jié)果如下。

3.1 模型建構(gòu)能力發(fā)展的整體表現(xiàn)分析

對(duì)于模型建構(gòu)的各二級(jí)指標(biāo)下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測量方差分析,對(duì)于球形檢驗(yàn)結(jié)果中顯著性水平P＜0.05的采用多變量檢驗(yàn)的結(jié)果,對(duì)于球形檢驗(yàn)結(jié)果中顯著性水平P＞0.05的采用主體內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)的結(jié)果。差異檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過重復(fù)測量方差分析發(fā)現(xiàn),時(shí)間存在顯著的主效應(yīng)(F(5,31)=18.482,P＜0.001,η2=0.749)。對(duì)時(shí)間的主效應(yīng)結(jié)果進(jìn)一步成對(duì)比較(LSD),發(fā)現(xiàn)在模型建構(gòu)指標(biāo)的得分上,高三下學(xué)期顯著高于高一上學(xué)期(P＜0.001)、高一下學(xué)期(P＜0.001)、高二上學(xué)期(P＜0.001)、高二下學(xué)期(P＜0.001)和高三上學(xué)期(P＜0.001),即時(shí)間會(huì)影響學(xué)生在該指標(biāo)上的表現(xiàn),具體表現(xiàn)為全體學(xué)生在高三下學(xué)期時(shí)的表現(xiàn)比之前的五個(gè)學(xué)期階段都好。

表2 全體學(xué)生在不同年級(jí)時(shí)的模型建構(gòu)各指標(biāo)差異分析

全體學(xué)生的模型建構(gòu)能力各維度發(fā)展趨勢(shì)如圖3所示。根據(jù)圖3可以直觀地看出,學(xué)生的了解簡單模型能力發(fā)展整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),且在高三的兩個(gè)學(xué)期發(fā)展速度較快,但在高一到高二年級(jí)間發(fā)展相對(duì)緩慢。學(xué)生的了解復(fù)雜模型能力發(fā)展在高中三年中整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),且在高一上學(xué)期到高二上學(xué)期這一年里的發(fā)展速度最快。學(xué)生的應(yīng)用常見模型能力在高中三年中整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),在高一和高二階段發(fā)展緩慢,在高三階段發(fā)展迅速,且在高三最后一個(gè)學(xué)期速度增長最快。學(xué)生的選擇應(yīng)用模型能力發(fā)展在高一至高二上學(xué)期快速上升,在高一下學(xué)期的發(fā)展速度最快,在高二至高三上學(xué)期間在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng),并沒有明顯增長的趨勢(shì)。學(xué)生的簡單模型轉(zhuǎn)換能力在高中基本上有明顯發(fā)展,且在高一至高二快速上升,其中高一下學(xué)期發(fā)展速度最快,在高二至高三階段發(fā)展相對(duì)緩慢。學(xué)生的復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換能力在高一至高二上學(xué)期有輕微下降,在高二至高三上學(xué)期快速上升,從整體來看在高中階段很有明顯的發(fā)展提高。

圖3 全體學(xué)生發(fā)展趨勢(shì)(模型建構(gòu)能力各維度)

對(duì)模型建構(gòu)各維度進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤砂l(fā)現(xiàn),學(xué)生在了解簡單模型和應(yīng)用常見模型這兩個(gè)維度,相對(duì)于其他維度而言,能力水平和能力發(fā)展情況表現(xiàn)得更好。這兩個(gè)維度分別是了解模型和應(yīng)用模型的初級(jí)能力水平,因此學(xué)生的能力表現(xiàn)更好,經(jīng)過高中三年的學(xué)習(xí)也能得到更快速的發(fā)展。與此對(duì)應(yīng)的,在復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換能力上,學(xué)生的能力水平相對(duì)較弱,在高中階段的能力發(fā)展也相對(duì)緩慢。

將模型建構(gòu)各維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,對(duì)模型建構(gòu)能力進(jìn)行綜合整體分析(如圖4所示),根據(jù)圖4可以直觀地看出,模型建構(gòu)能力發(fā)展在高中三年整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),且在高三下學(xué)期的時(shí)間段內(nèi)發(fā)展速度最快,在高一和高二階段發(fā)展相對(duì)緩慢。

圖4 全體學(xué)生發(fā)展趨勢(shì)(模型建構(gòu)能力)

3.2 性別分組下模型建構(gòu)能力發(fā)展的表現(xiàn)和差異分析

對(duì)于模型建構(gòu)的各二級(jí)指標(biāo)下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測量方差分析,對(duì)于球形檢驗(yàn)結(jié)果中顯著性水平P＜0.05的采用多變量檢驗(yàn)的結(jié)果,對(duì)于球形檢驗(yàn)結(jié)果中顯著性水平P＞0.05的采用主體內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)的結(jié)果。差異檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同性別的學(xué)生在不同年級(jí)時(shí)的模型建構(gòu)指標(biāo)差異分析

將模型建構(gòu)能力各維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,對(duì)模型建構(gòu)能力進(jìn)行整體分析(見圖5～圖11)。通過重復(fù)測量方差分析發(fā)現(xiàn),性別不存在顯著的主效應(yīng)(F(1,34)=0.960,P=0.334,η2=0.027)。時(shí)間和性別不存在顯著的交互作用(F(5,30)=1.576,P=0.197,η2=0.208)。

圖5 男女生發(fā)展趨勢(shì)(了解簡單模型能力)

根據(jù)圖5可以看出,男女生在了解簡單模型能力上呈現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢(shì)。男生的了解簡單模型能力在高一到高二的一年時(shí)間里并沒正向發(fā)展,而是在高二至高三階段里的發(fā)展呈增長趨勢(shì),且在高三最后一學(xué)期內(nèi)發(fā)展迅速。雖然男生的起始均值顯著高于女生,但女生在整個(gè)高中階段的了解簡單模型能力始終處于發(fā)展增長狀態(tài),且在高一上學(xué)期和高三上學(xué)期的發(fā)展速度最快,其余時(shí)間發(fā)展相對(duì)平穩(wěn)。

根據(jù)圖6可以看出,男女生的了解復(fù)雜模型能力在高中三年內(nèi)始終處于發(fā)展上升階段。雖然男生的起始均值略高于女生,但女生在整個(gè)高中階段的能力發(fā)展速度明顯高于男生,且最后在高三時(shí)高于男生。

圖6 男女生發(fā)展趨勢(shì)(了解復(fù)雜模型能力)

圖7 男女生發(fā)展趨勢(shì)(應(yīng)用常見模型能力)

根據(jù)圖7可以看出,男女生的應(yīng)用常見模型能力在高中三年的發(fā)展情況存在顯著差異。男生的發(fā)展情況是先下降再上升,下降再上升。但是女生的發(fā)展情況是先上升再下降,后上升。但是兩個(gè)群體在高中三年的整體能力是呈現(xiàn)正向發(fā)展的,雖然男生的起始平均值高于女生,但女生在三年內(nèi)的進(jìn)步明顯高于男生。

根據(jù)圖8可以看出,男女生的選擇應(yīng)用模型能力呈現(xiàn)出明顯的性別差異。男生的發(fā)展和女生正好相反,男生先增長再下降,后增長再下降,女生則是先下降再增長,后下降再增長。但從整體來說女生在這五個(gè)學(xué)期內(nèi)的進(jìn)步明顯高于男生,且雖然男生的起始值高于女生,但經(jīng)過高中五個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)后,女生的能力水平高于男生。

圖8 男女生發(fā)展趨勢(shì)(選擇應(yīng)用模型能力)

男女生的應(yīng)用常見模型能力和選擇應(yīng)用模型能力方面在高二和高三時(shí)期有一定下降,考慮到高二階段學(xué)習(xí)的物理模型同高一相比有所不同,高三的模型綜合性也有一定程度的提升,男女生的掌握和應(yīng)用能力也存在區(qū)別。同時(shí)考慮到學(xué)生在高二下學(xué)期進(jìn)行學(xué)業(yè)水平考試,物理方面的訓(xùn)練可能有所減少,因此在能力發(fā)展上體現(xiàn)出在高二和高三時(shí)期呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)。相關(guān)具體原因也有待進(jìn)一步調(diào)查分析。

根據(jù)圖9可以看出,男女生的簡單模型轉(zhuǎn)換能力的發(fā)展較為不同。男生先增長再下降,后增長,女生則是先平穩(wěn)再增長,后下降。從整體來說,雖然男生的起始平均值比女生高出很多,但女生在這五個(gè)學(xué)期內(nèi)的進(jìn)步明顯優(yōu)于男生,經(jīng)過高中五個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)后,女生的能力水平和男生趨于一致。

圖9 男女生發(fā)展趨勢(shì)(簡單模型轉(zhuǎn)換能力)

圖10 男女生發(fā)展趨勢(shì)(復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換能力)

根據(jù)圖10可以看出,男女生的復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換能力存在明顯差異。男生的能力水平先降后升,但始終沒有達(dá)到較高水平。女生的起始平均值雖然低于男生,但在高中三個(gè)階段一直處于上升增長的狀態(tài),因此最后在該能力維度上高于男生。

對(duì)男女生的模型建構(gòu)能力發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn),男女生的模型建構(gòu)能力在高中三年間的發(fā)展都處于較為明顯地波動(dòng)增長狀態(tài),且不同維度的能力發(fā)展趨勢(shì)不同。但將數(shù)據(jù)整合對(duì)整個(gè)模型建構(gòu)維度進(jìn)行分析時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)這種波動(dòng)情況又有所不同。如圖11所示,從模型建構(gòu)能力整體的發(fā)展情況來看,男生的波動(dòng)明顯多于女生,即女生在各維度的波動(dòng)情況整合之后反而平緩起來。

圖11 男女生發(fā)展趨勢(shì)(模型建構(gòu)能力)

將模型建構(gòu)能力各維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,對(duì)模型建構(gòu)能力進(jìn)行綜合整體分析。男女生在模型建構(gòu)能力上呈現(xiàn)出較為不同的發(fā)展趨勢(shì)(如圖11)。男生的模型建構(gòu)能力在高一到高三上學(xué)期的時(shí)間里一直處于上下波動(dòng)的狀態(tài),說明男生的該能力發(fā)展并不穩(wěn)定,直到高三下學(xué)期有快速發(fā)展增長。雖然男生的起始均值高于女生,但女生在整個(gè)高中階段的了解簡單模型能力始終處于發(fā)展增長狀態(tài),在高一和高二的兩年間發(fā)展相對(duì)平穩(wěn),在高三這一年間的發(fā)展速度非常快,最后與男生趨于一致。

3.3 成績分組下模型建構(gòu)能力發(fā)展的表現(xiàn)和差異分析

選取六次物理考試成績總分排名在全體前30%的學(xué)生為A 組,排名在全體后30%的學(xué)生為B組,進(jìn)行追蹤分析。

對(duì)于模型建構(gòu)的各二級(jí)指標(biāo)下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測量方差分析,對(duì)于球形檢驗(yàn)結(jié)果中顯著性水平P＜0.05的采用多變量檢驗(yàn)的結(jié)果,對(duì)于球形檢驗(yàn)結(jié)果中顯著性水平P＞0.05的采用主體內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)的結(jié)果。差異檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

模型建構(gòu)能力各維度的A、B 組能力發(fā)展趨勢(shì)如圖12(a)、(b)所示。根據(jù)圖線可以看出,A 組學(xué)生的了解簡單模型能力發(fā)展在高中的各個(gè)年級(jí)始終處于一個(gè)較高水平。而B組學(xué)生的了解簡單模型能力在高二上學(xué)期沒有正向增長,在高一下學(xué)期和高二下學(xué)期至高三下學(xué)期處于發(fā)展增長狀態(tài),且在高三下學(xué)期發(fā)展速度最快。

A 組學(xué)生的了解復(fù)雜模型能力在高中的高中三年始終處于較高水平,在高一至高二緩慢增長,在高二至高三小幅度回落,總體來說沒有顯著變化。而B組學(xué)生的了解復(fù)雜模型能力在高一至高二有較為明顯的下落,但是在高二至高三發(fā)展速度很快,相比高一有很大進(jìn)步。

表4 不同性別的學(xué)生在不同年級(jí)時(shí)的模型建構(gòu)指標(biāo)差異分析

圖12 能力發(fā)展趨勢(shì)圖

A 組學(xué)生的應(yīng)用常見模型能力總體處于發(fā)展增長狀態(tài),且在高一下學(xué)期階段發(fā)展速度最快。而B組學(xué)生的應(yīng)用常見模型能力在高一至高二的四個(gè)學(xué)期內(nèi)有較為明顯的下落,但是在高三的兩個(gè)學(xué)期內(nèi)發(fā)展速度非常快,即高三的學(xué)習(xí)對(duì)B 組學(xué)生的應(yīng)用常見模型能力有很大促進(jìn)作用。

A 組學(xué)生的選擇應(yīng)用模型能力在高中的高中三年始終處于較高水平,且在高一至高二及高三上學(xué)期平穩(wěn)增長,在高二下學(xué)期有小幅度回落,總體來說該能力處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)。而B組學(xué)生的了解復(fù)雜模型能力從整體來看在高中五個(gè)學(xué)期并沒有發(fā)展增長,考慮到高中后期題目難度增加,該群體學(xué)生的能力發(fā)展不足以適應(yīng)難度較大的題目,因此從圖線情況來看發(fā)展?fàn)顩r并不樂觀。

A 組學(xué)生的簡單模型轉(zhuǎn)換能力始終處于較高水平,在高中五個(gè)學(xué)期的增長并不明顯,處于小幅度波動(dòng)的狀態(tài)。而B組學(xué)生的簡單模型轉(zhuǎn)換能力從整體來看是一個(gè)較大幅度的波動(dòng),總體來說也并沒有很明顯的增長,始終處于一個(gè)較低的水平。

A 組學(xué)生的復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換能力在高中的高中三年始終處于較高水平,一致處于平緩增長的狀態(tài)。而B組學(xué)生的了解復(fù)雜模型能力并沒有發(fā)展增長,考慮到高中后期題目難度增加,該能力維度對(duì)學(xué)生要求較高,因此B 組學(xué)生的能力發(fā)展不足以適應(yīng)難度較大的題目,因此從圖線情況來看發(fā)展?fàn)顩r并不樂觀。

對(duì)模型建構(gòu)各維度進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤砂l(fā)現(xiàn),高中三年的學(xué)習(xí)對(duì)A 組學(xué)生的模型建構(gòu)各維度能力的發(fā)展促進(jìn)作用最明顯,雖然依舊有稍許波動(dòng),但這類學(xué)生在經(jīng)過高中的物理學(xué)習(xí)后,模型建構(gòu)能力的各個(gè)維度都能達(dá)到一個(gè)較高水平。相比之下,經(jīng)過學(xué)習(xí),B組學(xué)生在模型建構(gòu)能力的一些低層次維度能夠有較大提高,但在能力要求較高的維度上,學(xué)生的能力發(fā)展相對(duì)緩慢,甚至有所衰退。

將模型建構(gòu)各維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,對(duì)其進(jìn)行綜合整體分析。根據(jù)圖13可以看出,A 組學(xué)生的模型建構(gòu)能力在高中的各個(gè)年級(jí)始終處于一個(gè)較高水平,不過一直處于上下波動(dòng)狀態(tài),但從整體來看依然是在增長發(fā)展的。而B組學(xué)生的模型建構(gòu)能力在高一至高二下學(xué)期沒有明顯的正向增長,而是在高三處于發(fā)展增長狀態(tài),且在高三下學(xué)期發(fā)展速度最快。

4 結(jié)語

圖13 成績分組發(fā)展趨勢(shì)(模型建構(gòu)能力)

本文通過對(duì)蘇南某高中學(xué)生進(jìn)行六次追蹤,來探討其物理模型建構(gòu)能力的發(fā)展情況。從整體來看,高中生的模型建構(gòu)能力在高中三年間整體呈線性遞增的發(fā)展趨勢(shì),但在不同學(xué)期間的發(fā)展速度不一。從整體上來說,高三下學(xué)期的發(fā)展速度最快,說明高三下學(xué)期的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)有很大的促進(jìn)作用。究其原因,可能有以下幾個(gè)方面:(1)高中物理知識(shí)本身的特點(diǎn)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)造成一定困難[7],學(xué)生在高一剛開始學(xué)習(xí)高中物理需要一個(gè)適應(yīng)期,因此在高中的第一年學(xué)生的能力發(fā)展并沒有較大的進(jìn)步;(2)學(xué)生的認(rèn)知能力隨著年齡增長而增長,因此在高二和高三階段,學(xué)生能更好地掌握學(xué)習(xí)策略,從而更有效地進(jìn)行學(xué)習(xí);(3)高三年級(jí)學(xué)生的目標(biāo)更加明確,內(nèi)在動(dòng)機(jī)增強(qiáng),從而對(duì)物理學(xué)習(xí)和能力發(fā)展產(chǎn)生較大正向影響,因此學(xué)生在高三階段的能力發(fā)展速度較快。

男女生的能力發(fā)展存在一定的性別差異。男生的模型建構(gòu)能力的初始平均值都高于女生,但隨著時(shí)間的推移,這種差距在慢慢縮小,最后趨于一致,甚至在某些維度上女生能反超男生。這說明男生在物理模型理解與應(yīng)用方面的初始能力水平是相對(duì)高于女生的,但是經(jīng)過高中的物理學(xué)習(xí),女生能夠不斷進(jìn)步并慢慢縮小這個(gè)差距。在物理學(xué)習(xí)方面,男生學(xué)習(xí)興趣強(qiáng)、想象力豐富、思維敏捷且有深度,但學(xué)習(xí)習(xí)慣相對(duì)不良。女生學(xué)習(xí)習(xí)慣優(yōu)良、自控能力強(qiáng)、思維縝密,但缺少靈活性和深度[8],且女生的空間想象能力相對(duì)于男生較弱。因此,女生在模型建構(gòu)能力維度上的起始值較低,但能通過努力彌補(bǔ)自己的缺點(diǎn)。

從成績分組來看,成績排名靠前的學(xué)生始終處于較高的能力水平,且隨著時(shí)間的推移也能一直維持這一水平。在模型建構(gòu)能力的較低能力維度上,排名靠后的學(xué)生是能夠通過學(xué)習(xí)有所提高的,但在較高層級(jí)的能力維度上,高中三年的學(xué)習(xí)對(duì)他們并沒與顯著的促進(jìn)作用。成績排名靠后的學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力不足,自控力不強(qiáng),導(dǎo)致他們?cè)趯W(xué)習(xí)方面存在困難[9]。同時(shí),高中物理對(duì)各種能力綜合應(yīng)用要求較高,這類學(xué)生缺乏有效的學(xué)習(xí)策略,學(xué)習(xí)的成效不好。因此,對(duì)于學(xué)習(xí)物理較為困難的學(xué)生,注重基礎(chǔ)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,培養(yǎng)他們的物理學(xué)習(xí)興趣,這對(duì)他們模型建構(gòu)能力發(fā)展具有較大促進(jìn)作用。