同步理論指引下的學生物理核心素養發展研究

張萱　劉愛芬

摘 要：教育教學經驗需要經過科學驗證，才能更好地為教育教學服務.運用同步理論，選擇參照班和實驗班研究學生進班前和進班后的學習態度、習慣和學業成績，并進行統計研究.

關鍵詞：物理核心素養;激勵;同步理論;時滯

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0009-03

作者簡介：張萱（1982-），男，江蘇揚州人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學;

劉愛芬（1984-），女，江蘇揚州人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學.

1 同步理論簡介

同步現象廣泛存在于自然界、社會生活和經濟領域.如在劇場看節目的觀眾，遇到精彩內容時會熱烈鼓掌，這些掌聲起初也非常混亂，短時間后就會同步.Huygens教授很早就開始了同步理論的研究.同步理論的快速發展，已經廣泛應用于社會的各個領域[1-2]，但很少在教育領域中發揮作用[3].

2 激勵機制對學生物理核心素養發展的影響

教師經常激勵學生有助于培養學生包括物理學在內的所有學科的核心素養.激勵策略包含正面激勵和反面激勵.正面激勵主要是指教師表揚和夸贊學生，特別是樹立榜樣，通過宣傳優秀學生好的做法促進其他學生的進步;反面激勵則表現為教師批評和責備學生，尤其是抓“典型”，把部分學生的錯誤進行放大并強調，讓其他學生有則改之、無則加勉.實踐表明，教師長期采用激勵的方式，不管是正面還是反面的做法，只要沒有讓學生產生負面情緒，對學生核心素養的發展都具有明顯的效果.

教師采用激勵的目的是希望班級所有學生都能改正自己的不良學習習慣;都能向好學生看齊;都能成為優秀學生;類似于破窗效應和羊群效應，從而實現班級學生“發展”的同步.這與同步理論的思想不謀而合，因此本文嘗試借用復雜網絡中的同步理論對這一教育教學經驗進行科學驗證，以便其更好地發揮作用.

3 基于同步理論的教師激勵作用的理論驗證

3.1 建立模型

首先建立理論模型，將班級每個學生看作網絡里的1個節點.班級有n個學生，則網絡中就存在n個點.節點集表示為V=1，2，…，n.節點x和y的邊用（x，y）表示.網絡中邊集可寫作：EV×V.學生之間的關系比較復雜，x學生的表現可能對y學生有影響，但對z學生沒有影響，在網絡中可以通過連接來表示他們之間的相互影響關系，定義axy=1，axz=0.具體連接關系可由矩陣A=（axy）∈Rn×n反映.這樣一個班級學生之間的關系就可以用網絡圖G=（V，E，A）來表示.研究表明，正常班級學生的網絡圖平均群聚系數是0.75[4]，所以同班同學的表現對學生的影響比較明顯，可以認為是強連通圖.而且同班同學之間的影響是相互的，那么該網絡圖G應該是一個無向圖.A矩陣也是對稱的.

3.2 模型推導

學生之間相互影響的程度表示為耦合函數c1（t）和c2（t），考慮到學生均為同齡人，所以可以假定其為常數，即c1（t）=c1和c2（t）=c2.而c1和c2數值的大小主要受教師激勵頻率的影響.教師采用激勵手段后，學生受到影響需要一定的時間，這個時間定義為時滯，用常數τ表示.如果教師正面激勵，在全班學生面前贊揚了某位學生好的做法，其他學生很快就知道應該如何去做，這個時滯非常短，不到1秒鐘.若教師采用了反面激勵，指出了某位學生做得不好的方面，其他學生也能夠迅速明白這種事情不能做，但正確的做法是什么，這就需要教師進一步講解或學生自己反思，才能清楚如何去做好這件事，因此時滯就較長.考慮到人腦的反應時間因人而異，平均而言，時滯會增加好幾倍，但也不會很長.如果教師幾乎不用激勵手段，也并不意味著學生就不會受到其他學生的影響，不過這個影響需要學生觀察—識別—接受—模仿，時滯會很長，也許就很難實現學生物理水平的同步.模型演化如下：

3.3 總結討論

根據上述推導過程，從理論上證實了如果教師采取有效的激勵手段能夠實現學生物理核心素養發展的同步，同時還有以下幾個特點：

（1）教師激勵學生的頻率越高，c1和c2的數值越大，則越容易滿足（6）式的條件.因此在其他條件一定時，教師頻繁地進行一些激勵，學生物理核心素養的發展也越容易同步.

（2）教師采用正面激勵的方式，時滯τ最小，也最容易滿足（5）式.若使用反面激勵的方法，時滯τ會增加，但人腦的反應很快，正常情況下，也能夠滿足（5）式.若教師不激勵學生，學生必須自己觀察—識別—接受—模仿，這個過程的時滯τ會很大，難以滿足（5）式，學生幾乎不能實現物理核心素養發展的同步.

（3）教師依據經驗總覺得激勵次數少或力度過小，起不到應有的效果.但根據上述推導過程分析，如果教師的激勵對學生有一定的觸動，哪怕頻率再低，只要時間足夠長，也能夠實現學生物理核心素養的共同發展.

4 同步理論指導下教師激勵作用對學生物理核心素養發展的實踐研究

4.1 調查對象

本次研究的對象是6個“物生地”班級的學生.這些學生是在高一期末考試結束以后，學校統一分班中組建的.6個班級的學生進班時學業成績、學習態度和習慣都相差不大，班級人數也相近，適合進行對比研究.

4.2 研究方法

6個“物生地”班級分別為高二（15）（16）（17）（18）（19）（20）班，由3位教師任教，他們進行每日一研，每節課的課前準備、課堂模式、教學內容、課后作業都基本一致，評價學生的標準也做到了統一.其中（15）班和（16）班都采用正面激勵方式，但是對（15）班正面激勵的頻率為每節課一次，而（16）班則是在每周第一節課進行一次正面激勵，即每周一次.對比（15）班和（16）班的物理學習效果可以研究激勵頻率對學生物理核心素養同步發展的影響.（17）班采用正面激勵方式，在（18）班則使用反面激勵方法，頻率都是每日一次.根據這兩個班級學生的表現可以驗證正面和反面激勵的差別.（19）班采用正面激勵方式，頻率每日一次，而在（20）班則沒有刻意地使用激勵措施.（19）班和（20）班的學生物理核心素養的發展可以反映激勵作用是否有影響.

教師衡量學生物理核心素養發展的水平可以根據學生的課堂表現、實驗操作、科技論文及高二兩個學期期末的學業成績.學生的課堂表現體現了學生的科學思維;學生實驗操作的水平反映了學生實驗探究的能力;學生所撰寫的科技論文則與學生的科學態度和科學責任息息相關.每個學期期末的考試試卷是全市統考，具有代表性的試卷，學生取得的學業成績能夠綜合反映學生四個方面的核心素養.教師將學生各個方面的表現按百分制單獨評分，再按照一定的比例折合計算，同時保持教師評分的標準是完全一致的，所以綜合成績可以反映學生物理核心素養發展的水平.分別記錄學生高一第二學期、高二兩個學期的表現.學生物理核心素養發展水平記錄表（樣表）見表1.

4.3 統計結果

4.3.1 學生分班前物理核心素養的水平

6個班級的高一第二學期物理核心素養的水平見表2，對比發現，分班前6個班級的物理核心素養水平比較接近，3個班級的綜合成績也不存在顯著性差異.表格中僅計算了綜合成績的方差和sig值，當sig<0.05時，表明數據間存在顯著性差異.

4.3.2 學生高二第一學期物理核心素養的水平

受不同激勵方式的影響，6個班級的高二第一學期物理核心素養的發展水平見表3.

6個班級學生物理核心素養發展水平出現了一定的變化.（15）班的均分比（16）班高出了4分多，且sig值小于0.05，表明存在差異性;（15）班成績方差較小，說明班級學生同步性較好.從這個學期的學生發展來看，激勵頻率高有助于班級學生物理核心素養發展的同步.（17）班與（18）班的成績存在顯著性差異，（17）班的方差也明顯較小，學生的發展水平同步性更好，也證實了學生經歷了一個學期，正面激勵的效果比反面激勵的效果好.（19）班與（20）班學生成績的sig值只有0.002，而且（20）班的方差太大，說明班級已經出現了兩極分化現象，如此巨大的差異性，表明教師激勵學生比不激勵學生更容易實現學生間物理核心素養的同步.

4.3.3 學生高二第二學期物理核心素養的水平

在不同激勵方式的影響下，學生高二第二學期物理核心素養的發展水平見表4.

經過一年的激勵教學實踐，6個班級學生的物理核心素養發展水平又呈現出不一樣的情形.（15）班的均分只比（16）班高出0.6分，且sig值變為0.76，兩個班級學生已經沒有差異性;（15）班與（16）班的成績的方差也相差不大，從成績上看，兩個班級學生物理核心素養發展水平都實現了很好的同步.說明激勵頻率低，只要教師堅持做下去，也有助于學生核心素養的發展.（17）班與（18）班的成績已經不存在顯著性差異，（17）班的方差與（18）班也非常接近，證明了教師采用反面激勵，也能促進學生物理核心素養的發展.（19）班與（20）班學生成績的sig值依然低于0.05，（19）班的方差也小得多，兩個班級的學生依然存在很大的差異，表明教師不激勵學生就很難實現物理核心素養的共同發展.

5 結束語

通過理論與實踐研究，無論是基于同步理論的推導證明，還是對照班與實驗班的對比研究，都證明了教師經常激勵學生能夠促進全班學生的物理核心素養的發展.

參考文獻：

[1]鄭志剛，翟云，王學彬，陳宏斌，徐燦.耦合相振子系統同步的序參量理論[J].物理學報，2020（08）：9-22.

[2]潘光，魏靜.一種分數階混沌系統同步的自適應滑模控制器設計[J].物理學報，2015（04）：45-51.

[3]肖立勇，尹躍.基于混合式教學模式下的大學物理實驗教學改革和應用[J].物理通報，2020（04）：84-88.

[4]張萱，劉愛芬.“基于復雜網絡理論的高中生人際關系”的調查報告——以江蘇省四星高中X中學為例[A]//2018江蘇省教育學會學術年會論文集[C].南京：江蘇省教育學會，2019：344-352.

（收稿日期：2021-01-21）