高中生科學思維培養的現狀調查與分析①

黃皓燕 劉孝琪

(江蘇省南京市金陵中學,江蘇 南京 210005)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標準(2017年版)》(以下簡稱課程標準)指出:物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。課程標準將科學思維能力劃分為5級水平,給出了學業質量水平描述。根據課程標準編寫的新教材從2019年起逐步在全國推廣使用。本研究根據課程標準對科學思維的水平劃分、教學建議及評價建議設計問卷,調查高中學生科學思維水平的現狀,以了解課程標準實施后,學生科學思維水平的發展情況,并提出教學建議。

2 調查對象

調查對象為南京市金陵中學、南京市寧海中學、南京大學附屬中學的高一、高二選修物理科目的學生,這三所學校均為“四星高中”,調查時間均是學年末。共收回1525份有效問卷,其中高一年級學生的有效問卷800份,高二年級學生的有效問卷725份。

3 學生調查問卷的設計

3.1 學生調查問卷的結構

本問卷共有25道題,其中1～3題為多選題,4～25題為單選題,分別從科學思維的4個要素及其子維度進行內容設計,其中模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新分別有3、6、2、2個子維度。

3.2 問卷信度分析

問卷中22道單選題均采用5等級計分法:A(非常不同意,1分)、B(不同意,2分)、C(不確定,3分)、D(同意,4分)、E(非常同意,5分)。

我們對問卷采用Cronbach的Alpha表測量數據的內在一致性信度,整個問卷內在一致性信度α=0.931。α≥0.9時,信度相關性非常好,可見整卷內在一致性信度良好。

4 調查結果分析

4.1 “模型建構”要素子維度調查情況

4.1.1 “物理模型”認知情況

第1題：(多選)你覺得以下哪些是物理模型?

A. 質點 B. 光滑斜面 C. 點電荷 D. 平拋運動 E. 勻強磁場 F. 勻速直線運動狀態 G. 彈性碰撞 H. 電場線 I. 光的干涉與衍射 J. 原子核式結構模型 K. 單擺 L. 以上沒有物理模型。

調查目的：了解學生對常見物理模型的認識,考慮到高一、高二學生學習內容不同,所以,高一年級設置了A～H選項,高二年級增加了I～L選項。

圖1為題1調查情況的柱狀圖。高一學生選擇“質點”“點電荷”“電場線”“勻強磁場”的比例分別為:80.63%、77.88%、78.63%、51.63%,說明學生對物理模型的整體掌握較好,選擇勻強磁場是物理模型的明顯少一些,只有51.63%,此時高一學生只學了必修三第十三章《電磁感應與電磁波初步》的第1節“磁場 磁感線”,還沒有較好地認識勻強磁場模型。學生選擇“平拋運動”“勻速直線運動”“彈性碰撞”的比例分別為:37.88%、27.63%、39%,表明高一、高二學生對于物理過程模型的認知較差,可能和教學中教師不特別強調有關。對條件模型的認識主要設置了“光滑斜面”選項,64.38%的同學選擇了“光滑斜面”為物理模型。

圖1

對于高二年級增加的部分,選擇“光的干涉與衍射”“原子核式結構模型”“單擺”的比例分別為:21.52%、78.48%、61.38%,整體也是明顯好于對其他模型的認識。選擇“光的干涉與衍射”的比例為21.52%,比例最低,可能有些教師也不會強調“光的干涉與衍射”是過程模型。對“質點”“點電荷”“電場線”的認知,高一學生比高二學生要稍好些,可能是高二學生對高一年級學習的內容有些遺忘,對“光滑斜面”的認知,高二學生好一些,可能是因為光滑斜面在高二年級的學習內容(磁場、電磁感應)中有所涉及。另外,高二年級增加了“L.以上沒有物理模型”選項,有3.59%的學生對物理模型沒有印象。

4.1.2 “模型建構”要素子維度得分情況

表1呈現了“模型建構”要素各子維度的平均分以及標準差。兩個年級的學生“建模意識”子維度的均分都在4分以上,中數和眾數均為4;“建模能力”子維度的均分分別為3.91和3.88,比較接近4分,中數和眾數也均為4,說明學生比較認可自己的模型建構意識,建模能力則稍弱些。“模型教學”子維度兩個年級的均分分別為4.17、4.18,是得分最高的,說明教師重視模型教學,并得到同學們的認可。高一、高二學生“模型建構”素養的總均分為4.00和4.01,中數和眾數均為4,可以看出學生的“模型建構”能力較強。高二學生的建模意識稍強于高一學生,但建模能力卻稍弱于高一學生,整體水平相當。

表1

4.2 “科學推理”要素子維度調查分析

表2呈現了“科學推理”要素中各子維度的平均分以及標準差。可以看出高一、高二學生在其中三個子維度的平均分均高于4分,中數和眾數均為4。如在學生學習了勻變速直線運動后,很自然地會運用勻變速直線運動的特點來分析自由落體運動,能在新的情境中對綜合性物理問題進行分析和推理,獲得正確結論并作出解釋。高一、高二學生在“歸納推理”“物理研究方法”子維度的平均分均低于4分,說明學生在物理研究方法的認識和應用方面還需要加強。

表2

4.3 “科學論證”要素子維度調查分析

表3呈現了“科學認證”要素中各子維度的平均分以及標準差,所有子維度的中數和眾數均為4,高一、高二、學生的“論證意識”比“評估能力”得分均高一些。在兩個子維度上高一學生均稍強于高二學生。

表3

4.4 “質疑創新”要素子維度調查分析

4.4.1 “質疑創新”要素子維度得分情況

表4呈現了“質疑創新”要素中各子維度的平均分以及標準差,兩個子維度的中數和眾數均為4,平均分都沒有達到4分。對于高中生而言,“質疑創新”要素確實是較高的要求,可能與我們的教育中對學生質疑能力的重視不夠有關,與教材、老師的權威地位也有關。

表4

4.4.2 “創新意識”情境題調查分析

第3題：在探究摩擦力與壓力關系時,你是否對用手拉動彈簧測力計使物體勻速運動的方法產生過質疑,并想辦法去改進實驗?

A. 我想過并提出了更好的解決方案

B. 我想過并提出了自己的解決方案

C. 想過,但想不出解決方案

D. 想過這個問題

E. 書上的都是對的

圖2為本題調查結果的柱狀分析圖,選擇A和B選項的高一學生共有54.25%,高二學生共有43.59%,說明近一半的同學有質疑能力,并能提出自己解決問題的方案。高一學生中有6.00%、高二學生中有11.45%選擇了E選項,說明還是有少數同學在機械地學習物理。選擇A和B選項的高一學生比高二學生多10.66%,選擇E選項的高一學生比高二學生少5.45%,可能的原因是:(1) 這是高中物理必修第一冊的演示實驗,是高一上學期的學習內容,高二學生遺忘度相對高些;(2) 高二學生的學習難度加大,學生的自信心不足。

圖2

4.5 科學思維四個要素調查分析

“科學思維”四要素得分情況如圖3所示,可見:“模型建構”要素得分最高(高一4分、高二4.01分),“質疑創新”要素得分最低(高一3.85分、高二3.74分)。對于“科學推理”“科學論證”“質疑創新”要素,高二學生的得分均稍低于高一學生的得分。

圖3

5 調查結果與分析

5.1 調查結果

(1) 通過對3所學校學生的調查,結果表明:學生的科學思維能力較強,說明課程標準對科學思維的要求及2019年版教材有利于學生思維能力的培養。

(2) 對高一、高二學生科學思維現狀調查的結果進行對比,高一和高二學生的科學思維能力相當,高二學生的科學思維能力比高一學生略低。

5.2 高二學生科學思維能力略低的原因分析

(1) 高一年級的學習難度低于高二年級,同時高二學習內容主要是電學和近代物理,學習內容難度更大、更抽象,部分高二學生產生了畏難情緒。

(2) 接受調查的高二學生是使用2019年版教材的第一屆,教師也是第一次教,調查的高一學生是使用該教材的第二屆,教師在上一屆探索的基礎上,通過教研交流等加深了對新課標、新教材的理解,能更好地培養學生的科學思維能力。

6 教學建議

6.1 重視科學思維能力的培養

以學生對模型的認識為例,第1題中12種模型都是常見的,高中學習的第一個物理模型是“質點”,課本上對這一模型進行了詳細的介紹,是學生選擇最多的,但高一學生選擇的比例只有80.63%,高二學生還有3.59%的學生認為“以上沒有物理模型”。“質點”作為高中物理中第一個物理模型,老師一定是重點講解和說明的,所以給學生留下了深刻的印象,至于后面的部分模型,可能在新授課時沒有特別強調,靠學生自己領會模型畢竟是困難的。其他三個要素學生的認可度均低于“模型建構”要素,所以在教學中我們要充分重視科學思維能力的培養,同時也要發揮學生的主觀能動性,引導學生自主建構模型、提升科學思維能力。

6.2 物理教師要提升自身的教學能力

科學思維培養的主陣地是課堂,學生最認可的培養科學推理的有效方式是“物理問題解決過程中對思維的引導”,教師應充分認識到:教學不能僅僅圍繞應試或解題,更要關注對學生思維的引領,提升自己的教學研究能力,課堂才能成為啟迪學生思維的生態場域。