高中生物理模型建構能力的現狀調查及培養策略

侯新杰 李思雨

摘 要：為了解學生物理模型建構能力的現狀，在研究科學建模能力理論的基礎上，建立物理建模能力維度，編制“高中生物理模型建構能力問卷”，采用問卷法和訪談法，分析學生物理建模能力現狀.結合科學建模教學理論和學生物理建模能力現狀，提出培養高中生物理模型建構能力的教學策略.

關鍵詞：高中生;物理模型建構能力;現狀調查;培養策略

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）11-0002-04

目前，物理模型建構能力已作為培養學生科學思維的要素之一納入《普通高中物理課程標準（2017年版）》，我國一些學者對高中生物理建模能力現狀開展了調查研究.但是，已有調查研究的維度劃分局限于單一的元建模知識或者建模過程，缺乏內隱知識和外顯行為相結合的高中生物理建模能力現狀調查研究[1-2].本文基于科學建模能力理論，建立物理建模能力維度，編制“高中生物理模型建構能力問卷”，對我國高中生物理建模能力的現狀進行調查，發現高中生在物理建模能力方面的薄弱環節，并針對現狀提出培養學生物理建模能力的教學策略，為高中物理建模教學提供指導和參考.

1 物理模型建構能力維度的建立

物理模型建構能力維度的建立分為兩步：一是通過分析有關科學建模過程理論確定物理建模過程;二是通過分析有關科學建模的能力結構理論，結合所確立的物理建模過程，建立物理模型建構能力維度.

Justi和Gilbert提出的科學建模過程有六個環節：選擇合適的研究對象、建立模型框架、確定唯一模型、檢驗模型、說明模型適用范圍及條件[3].Hestenes指出科學建模過程包括三個環節：模型的建立、模型的分析、模型的驗證[4].REF_Ref20905＼r＼h根據Justi、Gilbert和Hestenes等學者有關科學建模過程理論，結合物理學科特點，物理建模過程可分為：第一步從所面對的物理情境中選擇恰當的研究對象;第二步根據研究對象的狀態或過程，回顧已有知識是否有已知的物理模型與其相符，若有相符物理模型即可建立該模型框架，若無相符物理模型，則需將較復雜的實際問題中的對象和過程轉化成物理模型;第三步回顧所建立的物理模型的特征和適用條件，對比所面對的物理情境中的研究對象是否滿足該物理模型;第四步根據物理問題情境已知條件分析物理模型;第五步運用建立的物理模型解決所面對的問題.上述物理建模過程如圖1所示.

臺灣學者Hung提出的建模能力層級條目模型理論是最典型的物理建模能力模型，包含選擇能力、構建能力、驗證能力、分析能力和應用能力[4].REF_Ref20905＼r＼h Schwarz在其他學者提出的“建模實踐能力”基礎上，首次提出將“元知識”納入建模能力結構中，從內隱和外顯兩方面全面地建構建模能力的框架，在國際建模能力結構理論中最具影響力[5].REF_Ref19056＼r＼h根據Hung和Schwarz兩位學者有關科學建模的能力結構理論，結合物理學科和物理建模過程的特點，物理建模能力可以劃分為物理元建模知識和物理建模實踐能力兩部分.其中，物理元建模知識是指學生對物理模型和物理建模本質相關知識的認識，包括物理模型的含義、本質、效用和建模的目的.物理建模實踐能力包括正確選取研究對象的能力、物理模型的建立能力、驗證能力、分析能力和物理模型的應用能力，如圖2所示.

2 問卷編制及訪談設計

2.1 問卷編制

問卷依據本研究建立的物理模型建構能力維度，選取人教版必修1和必修2的力學內容進行編制.對物理元建模知識部分，考慮到高中生目前的認知發展階段和本研究所要達到的調查目的，筆者采取客觀題的形式進行命題，問卷第1題至第4題為單選題，分別對應物理模型的含義、本質、效用和物理建模的目的的考查.對物理建模實踐能力部分，為了展現學生物理建模的思維過程，采取主觀題的形式命題.每道題目可抽象為一個物理模型，物理建模實踐能力的各維度以五個子問題形式呈現，五個子問題分別考查學生正確選取研究對象的能力、物理模型建立的能力、驗證的能力、分析的能力及應用的能力，這樣能夠更清晰直觀地展現學生在每個維度的能力水平.結合測試題的編制原則，每道選擇題5分，每道主觀題20分，其中每個子問題4分，試卷滿分為100分，制定試題的雙向細目表（見表1）.本問卷共發放228份，回收有效問卷196份，回收率約為86.0%.對196份有效問卷進行數據統計分析，其信度系數為0.814，效度系數為0.782，該問卷信度、效度良好.

2.2 訪談設計

為彌補調查問卷的不足，達到調查目的，豐富調查內容，提高調查的適用度和可信度，本研究在對問卷數據及內容分析后，設計訪談提綱.訪談提綱主要包括學生物理元建模知識、物理模型的學習習慣和物理建模實踐過程中所存在的困難等，見表2.

3 物理模型建構能力現狀調查及分析

問卷結果的統計與分析分為物理元建模知識和物理建模實踐能力兩個部分.物理元建模知識通過統計每道測試題各選項所占人數的百分比進行分析;物理建模實踐能力通過統計各維度的平均分并結合學生答題的過程來分析.

3.1 物理元建模知識分析

物理元建模知識的各維度答題情況由表3可以了解.

3.1.1 關于物理模型的含義

31.6%的學生認為物理模型是物理學中常用的解題方法;16.8%的學生認為物理模型是現實生活中存在的實際物體;2.1%的學生認為物理模型脫離生活實際，無意義.可見，約50%的學生對物理模型的含義有錯誤的認識.

3.1.2 關于物理模型的本質

31.6%的學生認為“輕繩”不是物理模型;23.5%的學生認為“勻加速直線運動”不是物理模型，8.2%的學生認為“無限長光滑斜面”不是物理模型.可見，學生在物理學習的過程中，只重視對物理概念及規律的學習，卻忽略了對物理模型本質的理解.

3.1.3 關于物理模型的效用

24.5%的學生認為物理模型的效用是成型的解題模式;15.8%的學生認為物理模型的效用是容易套用公式;5.6%的學生認為物理模型的效用是方便快捷.可見，由于學生對物理模型含義的錯誤認識導致對物理模型的效用也有著曲解.

3.1.4 關于物理建模的目的

47.4%的學生認為物理建模的目的是獲得解題方式;21.4%的學生認為建立物理模型是為了簡化數學計算;4.2%的學生認為建立物理模型是為了將物理形象地展示給初學者.可見，學生對于物理建模的目的缺乏正確的認識.

3.2 物理建模實踐能力分析

物理建模實踐能力各維度的平均分如圖3所示，結合問卷中學生的作答思路可以了解到：

（1）學生整體上得分率很低，尤其是物理模型的應用能力、分析能力和驗證能力均處于較低水平.

（2）在選取研究對象時，從總體上看，大部分學生能夠正確選擇研究對象.在對得分較低學生的問卷進行分析時，發現有一部分學生選擇的研究對象是“子彈的運動”“照片曝光時間”“運動員動能與勢能的變化”和“女運動員的受力情況和運動”.這部分學生不知道選取研究對象的意義，直接把待解決的問題當作研究對象.

（3）在物理模型建立時，部分學生不能在實際物理情境中抓住主要因素，忽略次要因素;還有部分學生對物理情境分析有誤.

（4）在對物理模型驗證時，學生對所建立的物理模型的特點以及適用條件并沒有清晰的認知，建立物理模型之后并沒有去驗證它的習慣，甚至一些學生在驗證自己所建立的物理模型時，判斷自己建立的物理模型是錯誤的，但在解決問題時卻依然使用該模型，此表現說明學生在分析物理問題時不能簡化情境，深刻理解物理模型的本質，只是形成了固定的解題套路.

（5）在對物理模型分析時，部分學生不能理解題目中給出的物理情境的意義，不能把物理情境中的物理量正確對應到所建立的模型中而導致分析出錯.

（6）在應用物理模型解決問題時，學生的數理結合能力較弱.知道運用物理公式來解決問題，卻不能根據物理情境和數學工具建立它們之間的聯系.

3.3 訪談分析

對選取的20位學生訪談得到如下結論：

（1）對物理模型的含義的認識模糊或空白，甚至對物理模型有著錯誤的觀念，不能很好地舉例說明.

（2）對物理建模的意義，學生普遍認為建立物理模型是為了更方便地套用公式做題或應對考試.

（3）學生沒有形成良好的物理模型學習習慣，大多數學生沒有對所學習的物理模型進行總結與分類.

（4）學生在物理建模過程中存在的困難：一是物理模型建立過程中，學生不能將實際問題中的對象和過程轉化成物理模型;二是物理模型分析過程中，學生不能對問題情境中的已知量和未知量及所建立的物理模型進行正確的分析;三是在物理模型應用的過程中，學生不能正確選用相關物理規律，數學與物理的結合能力較弱.

4 培養策略

針對學生物理模型的建構能力現狀及物理建模過程中存在的困難，筆者提出培養學生物理模型建構能力的教學策略.

4.1 顯化物理建模知識，提升學生的物理元建模知識水平

學生之所以對物理模型的含義認識模糊或錯誤，這是因為在建立物理模型時教師沒有明確其含義及建模目的，只是把它當作一個概念來完成教學任務，因此在教學中應注意對物理建模知識的顯化.

通過對物理建模知識的顯化，讓學生知道建立物理模型的目的、含義和本質，從而提升學生的物理元建模知識水平，促進學生對科學本質的理解.

4.2 加強實驗教學與建模過程的結合，提高學生的物理模型建構能力

學生在面對生活中復雜的問題情境時，不能抓住主要因素而忽略次要因素，不知道如何建立物理模型來解決問題.因此，教師在教學中要注重實驗教學與建模過程的結合，直觀展現物理建模的過程，提高學生物理模型建立的能力.

以“自由落體運動”模型的建立為例：首先，分別演示充有空氣和抽出空氣兩種情況下牛頓管中羽毛和金屬片的下落情況，通過實驗現象讓學生產生問題意識，確定研究對象，為建立物理模型做準備.接著，引導學生分析實驗現象，得到在不考慮空氣阻力的影響下，所有物體下落的快慢相同，建立物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動模型——自由落體運動.最后，對建立的物理模型進行分析，明確模型建立的本質和模型的適用條件.

通過實驗教學與建模過程的結合，引導學生在對實驗現象的分析中建立物理模型，知道建模的本質和模型的適用條件，有助于學生物理模型建立能力的提高.

4.3 重視原始物理問題解決，提高學生的物理模型建構能力

原始物理問題是指來源于自然界和社會現象中，未被加工的實際問題.與原始物理問題相對應的抽象物理問題，是被研究者加工處理過的理想化物理問題.解決原始物理問題需要在實際情境中恰當選取研究對象，建立合適的物理模型，將原始物理問題轉化為抽象的物理問題，再運用物理規律和數學工具來完成.因此，原始物理問題的解決可以很好地提高學生的物理建模能力[6].REF_Ref23161＼r＼h

例如，壓力鍋的工作原理是利用橡皮圈密封鍋蓋增加鍋內壓力，達到鍋內水溫升高的目的.鍋蓋中間有一個小孔，在小孔上套一個金屬壓力錘.當鍋內氣壓升高到一定大小時，鍋內蒸汽就會頂起壓力錘排放蒸汽，使鍋內氣壓穩定在一定范圍[7].

解決這道題的關鍵是在物理建模過程中恰當選取研究對象.當鍋內氣壓升高到一定大小時，鍋內蒸汽頂起壓力錘排放蒸汽，使鍋內氣壓穩定在一定范圍內，在這個過程中，壓力錘的上下振動和轉動我們可以忽略不計，建立如圖4所示的壓力錘處于平衡狀態的條件模型.

選取平衡狀態的壓力錘為研究對象，此時壓力錘受到的鍋內向上蒸汽的壓力等于它自身的重力與向下的大氣壓力之和，即：pS=p0S+mg，由此，我們可以得到壓力鍋內氣壓大小為：p=p0+mg/s.

通過原始物理問題的解決，引導學生學會恰當選取研究對象，簡化分析物理現象，進而提高學生的物理建模能力.

例題2 圖5是某運動員在我國蹦床比賽中的一個情景.運動員的腳在接觸蹦床過程中，蹦床對運動員的彈力F隨時間t的變化規律通過傳感器用計算機繪制出來，如圖6所示.求運動員離開蹦床上升的最大高度.

首先，選取研究對象.依據問題情境，選取運動員為研究對象，運動員的大小和形狀對所研究的問題影響很小，可把運動員看作質點;其次，簡化問題情境，忽略次要因素，構建運動模型，運動員僅在豎直方向上運動;然后，抓住主要因素，構建物理模型.運動員以一定初速度離開蹦床后只受重力，可以把運動員離開蹦床上升到最大高度的過程看作勻減速直線運動;最后，分析資料，對涉及的物理量賦值.一是運動員離開蹦床上升到最大高度的時間：從圖5中可以看到從6.3s開始，圖像呈周期性變化，我們可以選擇任意一個周期來分析運動員上升的最大高度，若選擇8.4s至11s這一周期，我們可以看到在9.4s至11s內，運動員對蹦床的壓力為0，即運動員在9.4s離開蹦床11s時回到蹦床，用時1.6s，由運動員上升和下落過程用時相等，可以得到運動員離開蹦床上升到最大高度用時0.8s;二是運動員做勻減速直線運動的加速度，查閱資料，取重力加速約為9.8m/s2.這樣，一個完整的勻減速直線運動的物理模型建立了起來，轉化成了抽象的物理問題，再根據相關物理公式，帶入相應物理量即可解得運動員離開蹦床上升的最大高度約為3.136m.

通過解決原始物理問題，引導學生學會在實際現象中簡化物理情境，抓住主要因素，忽略次要因素，建立合適的物理模型，有助于提高學生的物理模型建構能力.

參考文獻：

[1]呂娜.喀什市高中維漢雙語生物理建模能力現狀調查[D].喀什：喀什大學，2017.

[2]耿娜.高一學生物理模型應用現狀調查研究[D].蘭州：西北師范大學，2018.

[3]Justi，R.S.，Gilbert，J.K.Modelling，teachers' views on the nature of modelling，and implications for the education of modellers[J].International Journal of Science Education，2002，24（04）：369-387.

[4]翟小銘，郭玉英.科學建模能力評述：內涵、模型及測評[J].教育學報，2015，11（06）：75-82+106.

[5]Schwarz，C.，White，B.Metamodeling knowledge： developing studentsunde- rstanding of scientific modeling[J].Cognition and Instruction，2005，23 （02）：165-205.

[6]柳舒紅，郭紀萌.運用原始物理問題培養高中生物理建模能力[J].福建基礎教育研究，2011（11）：70-71.

[7]侯新杰，李冬青.初中生解決原始物理問題的思維障礙及改善策略[J].教學月刊·中學版（教學參考），2019（11）：48-52.

（收稿日期：2021-03-02）