高中物理模型建構能力的測評及其培養
——以2021年江蘇、河北、廣東、湖南高考試題為例

楊 科 張文悅 張 靜

（長江大學物理與光電工程學院物理教育研究所，湖北荊州 434023）

模型作為真實事物的表征，是學生認識世界的手段和工具；建模作為科學學習中重要的一種能力，成為科學教育研究領域的熱點并獲得多國科學課程標準的重視.［1，2］物理學在培養學生科學建模能力方面具有重要的作用.模型建構作為物理學科核心素養中科學思維的關鍵要素，［3］能夠充分培養學生的分析、綜合、抽象、概括等思維方法.

2021年，江蘇、河北、廣東、湖南等8省市進行第3批新高考改革，［4］新高考命題注重對模型建構等物理學科核心素養要素的考核，凸顯了其命題理念中核心素養的導向作用.本文以2021年江蘇、河北、廣東、湖南4 省份新高考物理中涉及模型的試題為研究對象，采用內容分析法，從質性和量化兩個方面對新高考試題中所考查模型類型和模型建構能力水平進行分析，以期從測評的視角為教師有針對性的培養學生模型建構能力提供參考.

1 模型分類及能力水平劃分

2017版物理課程標準中多次提到“模型”一詞，要求學生具有建構模型的意識和能力.科學教育領域中，許多學者從多角度對模型進行分類.［5，6］目前，大多數學者較認可物質模型與過程模型，在此基礎上參考其他學者的分類標準，將模型確定為物質模型、過程模型、狀態模型和模擬模型4大類，其內容見表1.

表1 模型分類

課程標準將模型建構能力劃分為5個水平層級，參考模型建構的相關研究成果，［7，8］對課程標準劃分的模型建構能力水平的內涵進行補充（見表2）.其中水平1屬于模型的再認與回憶；水平2要求在熟悉的物理情境中對模型的簡單應用；水平3要求能結合模型的條件與有關物理規律進行模型選擇；水平4 注重在實際問題中建構物質模型與過程模型，且需將物理模型與相關物理規律結合；水平5中的實際問題情境比水平4復雜，需建構多個過程模型.

表2 模型建構能力的5級水平

2 模型建構能力考查情況

為保證內容分析的可靠性和一致性，兩名具有教育背景的研究者獨立對新高考試題的模型類別和能力水平展開分析，兩位研究者的一致性系數為0.845，表明研究結果具有良好的內部一致性，通過協商，最終達到一致.統計結果顯示，4省份新高考物理試題中江蘇卷的試題總數為15，另外3省份試題總數均為18（每個選考模塊記2題），其中涉及模型的試題數分別為14、16、16、17，其占比分別為93%、89%、89%、94%.

2.1 4類物理模型的考查

根據模型分類標準，對4 省份新高考物理試題中的模型類型進行統計（見圖1）.結果表明，新高考物理試題對4 類模型展開不同程度的測評，其中物質模型在4 省份高考試題中的占比最多，其次為過程模型，而狀態模型與模擬模型的總占比僅為11%，其占比遠小于物質模型和過程模型.

圖1 4類模型考查情況

對所考查的物質模型進行分析表明（見圖2），質點模型在物質模型中的占比最高，達到29%，勻強磁場、點電荷兩種模型其次，均達到13%，而光波、機械波、光電子模型僅在4套高考試題中總共出現了1次.可見高考更多考查諸如質點、點電荷等與多數物理概念有所聯系的模型，也不乏對光波等模型的考核.

圖2 物質模型考查情況

過程模型中的勻變速直線運動、圓周運動（包括勻速圓周運動）的頻次較多，考查頻次占比均為26%，這兩種模型在力學、電磁學等考題中均有所涉及.

2.2 模型水平的考查

基于模型建構的5 個能力水平，對物理試題的水平進行統計，各模型建構水平的百分比見圖3.模型建構能力水平的測驗集中于水平2、水平3和水平4，其中水平3的數量最多，且廣東卷中水平3要遠高于其他水平；而水平5 的考查總頻次為5，水平1則完全未涉及.雖然學業質量水平4是高考的命題依據，但多省份的模型建構水平集中在水平3，即能夠結合模型的條件與有關物理規律進行模型選擇，其次為水平4和水平2（僅廣東卷的水平2高于水平4）.

圖3 4省份模型建構水平的考查情況

3 試題情境分析

情境作為高考評價模式的考查載體，［9］4省份通過設置多類型的情境化試題，從不同水平考查學生的模型建構能力.統計結果表明，新高考試題涉及的情境主要有4 個方面：生產生活方面的情境，如“復興號”動車組、曲桿道閘、玻璃保溫杯等；體育競技方面的情境，例如籃球投籃、滑雪等；中華優秀傳統文化方面的情境，例如曲轅犁和直轅犁、算盤、賽龍舟等；現代科技成果方面的情境，如“天問一號”探測器、“天和”核心艙、“北斗”衛星、薄膜材料制備技術等.

3.1 相同情境試題分析

太空探索新技術作為高考試題的問題情境，“天問一號”是我國首次火星探測任務的探測器，為我國行星探測的第一步，“天和”核心艙成功發射標志著我國空間站在軌組裝建造全面展開.河北、廣東、湖南3省份均以我國太空探索新技術為問題情境（見表3），通過設置不同層次的問題來考查學生的模型建構能力.基于此問題情境，學生需建構兩個物理模型：質點模型和勻速圓周運動模型，再結合萬有引力定律、牛頓第二定律、向心力等內容來解決問題.

表3 相同情境類試題

但3道試題所考查的具體知識及模型建構水平有所差別：廣東卷涉及的知識為中心天體質量求解，雖然該問題情境對學生而言較陌生，但題目中已建構勻速圓周運動模型，學生需將勻速圓周運動模型與萬有引力定律、牛頓第二定律等物理規律相結合，便可得出結論：已知的物理量為①核心艙的繞地線速度和繞地半徑；②繞地角速度和繞地半徑；③繞地周期和繞地半徑均可求得地球的質量，故其屬于模型建構的水平3；湖南卷則對圓周運動的相關物理量進行比較，該試題為一個實際問題，學生需根據核心艙繞地球運動時其大小和形狀可忽略建構質點模型（物質模型），根據運動軌跡為圓軌道建立勻速圓周運動模型（過程模型），把實際問題轉換為物理問題，并將勻速圓周運動模型與萬有引力定律、牛頓第二定律等物理規律結合運用便可求得結果，其屬于水平4；河北卷就火星與地球的軌道半徑進行比較，該試題也為實際問題，學生同樣需要根據試題內容建立質點和勻速圓周運動模型，且將勻速圓周運動模型與萬有引力定律、牛頓第二定律等相結合，其屬于水平4.基于同一類問題情境，三套試卷所考查的具體知識與模型建構水平有所差別，但其模型建構的過程相似.

3.2 不同情境試題分析

共點力的平衡是高中物理“運動與相互作用關系”的起始內容，對運動與相互作用觀的形成具有重要的作用，該內容的運用需要結合平衡態模型.江蘇卷的第13 題與湖南卷第15題均需建立平衡態模型，其問題情境有所區別（見表4）.

表4 不同情境類試題

面對上述兩道試題的情境，學生需先依據物體靜止或勻速的運動狀態建立平衡態模型，再結合共點力的平衡條件來確定物體所受到的力，進而轉換為熱力學問題.兩個試題均需將平衡態模型與共點力的平衡條件相結合，江蘇卷第13 題需根據題目中的“緩慢”字眼建立平衡態模型，結合受力平衡的條件得出氣體壓強，其次通過熱力學第一定律求得內能的增加量，故屬于水平3；湖南卷第15 題需依據杠桿的平衡建立平衡態模型，同時根據系統的體積不變建構等容變化模型，并需結合受力平衡的條件得出系統的壓強，利用查理定律求得溫度，故屬于水平4.可見，對同一模型建構和相同知識理解的考查，新高考試題巧妙設置多種問題情境來測試學生的模型建構能力.

4 總結與建議

新高考物理十分重視對物理模型與模型建構能力的考查；重點對物質模型與過程模型進行測評；側重模型建構水平3的考查，也注重通過多種模型的組合來檢驗學生的模型建構能力；問題情境設置呈多樣化的特點.

（1）重視建模教學，提升學生高階思維.

科學研究是模型的建構過程，科學學習則是學習模型建構的過程.［10］教師可利用建模教學模式引導學生經歷選擇、建立、驗證與重構等模型建構的過程，體會在建構物理模型過程中運用的抽象、概括等思維方法，發展學生的模型建構能力并培養學生分析、綜合等高階思維.

（2）融入真實情境，增強學生建模能力.

學業質量水平與問題情境的復雜程度、開放性程度等有關，學業質量水平對問題情境的描述體現了由簡單到復雜、由物理問題到實際問題的復雜度進階.近年來，生產生活、當代體育競技、優秀傳統文化及現代科技前沿等真實問題成為高考的熱點情境，如2021年新高考中設置了玻璃保溫杯、太空探索新技術、曲轅犁和直轅犁等多樣化的真實情境類試題，學生利用抽象、概括等物理思維方法來建構相應的物理模型，將真實情境轉換為非情境化的物理問題是解決問題的關鍵.教師可適當融入真實問題情境于課程教學、課后作業與階段性評價中，充分利用真實問題情境發展學生的模型建構能力.

（3）多維整合，發展學生核心素養.

物理觀念的形成過程是發展學生模型建構的重要途徑，模型與建模在物理觀念的形成中起著基礎性的作用，［11］物理學科核心素養各要素是相輔相成、協同發展的.新高考試題中注重將核心素養的多個要素進行整合測試，如江蘇卷第13題將運動與相互作用觀與模型建構相結合，太空探索新技術將我國對科學的探索精神滲透在物理觀念和科學思維的考查之中.