跨學科背景下高中生物理模型建構能力測評研究

摘 要：“模型建構”是物理學科核心素養中“科學思維”的關鍵要素之一。發展模型思維，提升學生運用物理模型解決跨學科問題的綜合能力，為人才培養提供了有效手段。以跨學科背景中物理建模能力為核心，歸納已有研究的評價要素，建構了測評框架。命制了跨學科情境的物理建模測試題，以１２５名廣州市高中學生為研究對象，實施紙筆測驗。基于Ｒａｓｃｈ模型對數據進行統計分析，揭示了高中生跨學科背景中物理建模能力的現狀與特點，以改進一線教學。

關鍵詞：物理建模能力；跨學科；測評；Ｒａｓｃｈ模型；高中生

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0088-5

新課程改革要求學生不局限于理解科學，還應具備跨學科的知識與能力。“跨學科實踐”已被納入《義務教育物理課程標準（２０２２年版）》之中［１］。在課標的指引下，一系列與跨學科相關的主題學習活動、課程設計和評價實踐等正蓬勃發展。“模型建構”是《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》核心素養中“科學思維”的關鍵要素之一［２］，它關乎學生能否將真實問題中的對象和過程進行抽象表征，是一種重要的思維能力，與學生解決跨學科問題的水平密切相關。當前，國內外研究者們基于跨學科視角開展測評，但多數聚焦于單個主題［３–５］，針對物理建模能力的研究，也較少要求學生將模型運用到跨學科情境之中［６–８］。

針對上述研究的不足，本文擬研究高中學生跨學科背景中物理建模能力水平。從組成上來看，該能力由“跨學科”和“物理建模”兩個要素復合，它是指學生從跨學科背景中提取信息，分析研究對象的主要特征，建構適當的物理模型并通過模型解決相應問題的能力。本研究嘗試在已有物理建模理論和跨學科情境試題的基礎上，編制出適用于高中學生群體的跨學科背景中物理建模能力測試卷，分析該能力與學生學業成就之間的關聯，探尋影響學生解決跨學科情境問題能力的重要因素，提供科學有效的測評工具。

１ 研究方法

１．１ 建構測評框架

自以Ｈｅｓｔｅｎｅｓ和Ｈａｌｌｏｕｎ為代表的學者提出科學建模教學的概念開始［９-１０］，已有許多研究者從要素取向、認知取向、行為取向等不同角度提出物理建模理論，開發相應測評量表。Ｈａｌｌｏｕｎ創立了科學建模過程模式理論［10］，將基于問題解決的建模細分為五個環節：模型選擇、模型建構、模型驗證、模型分析和模型拓展，該模式在物理建模的相關研究中得到廣泛借鑒與引用。本研究以Ｈａｌｌｏｕｎ科學建模過程模式理論作為基礎，提取四個物理建模子能力，并結合跨學科的要素，制訂跨學科背景中物理建模能力測評框架（表 １）。學生運用物理模型解決跨學科問題，需經歷情境認知—建構模型—表征模型—應用模型的思維過程。

第一，跨學科背景試題中的信息需要被提取與整合，這一過程指向情境認知能力（Ｍｏｄｅｌ Ｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，以下簡稱ＭＣＧ）。被試要識別研究對象，推斷哪些屬性應該被忽略，哪些應該被包括在模型中，其完成度將會影響后續建構模型的準確性。此外，“Model Cognition”的直譯為“模型認知”，結合該子能力的內涵以及具體語境，筆者在此將其譯為“情境認知”。第二，在整合信息的基礎上，通過抽象、理想化、簡化和近似等研究方法，將復雜實際問題中的對象和過程轉換成物理模型，對應模型建構能力（Ｍｏｄｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，以下簡稱ＭＣＯ）。第三，將物理模型用文字、圖像等形式進行表征，兼顧定性與定量特點，對應模型表征能力（Ｍｏｄｅｌ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ，以下簡稱ＭＲ）。第四，將模型應用到跨學科情境中，進行評價、改進與創造設計等，解決真實問題，對應模型應用能力（Ｃｒｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｄｅｌｓ，以下簡稱ＣＭ）。

１．２ 開發測評工具

基于上述測評框架，選擇了歷史、生物、地理和工程技術作為跨學科背景開發測評工具。以火藥、風力發電等真實情境作為素材，所有試題均以原始物理問題的形式呈現，表2簡單描述了試題情境與要求。與傳統習題相比，原始物理問題中的數據或條件是隱藏的，與真實情境更為契合［１３］。測試卷共設四道建構反應題，各題依據學生的作答情況對四個建模子能力維度分別進行賦分。

以第一題為例，題干中部分信息如下：“該‘禮花彈’設計精妙，由發射筒、引線、禮花彈、發射藥、延期引線等構成。禮花彈從地面沿豎直方向射出，由于延期引線的存在，禮花彈上升到最高點時才炸開。請用物理知識分析禮花彈的運動過程……”。對于此題的作答，被試應識別研究對象，判斷禮花彈做豎直上拋運動（情境認知）；發射藥引爆后，禮花彈以一定的初速度做豎直上拋，同時延期引線開始燃燒，當上升到最高點時延期引線正好燃盡，禮花彈在最高點炸開。據此，可建立延期引線的長度與飛升時長的關系（模型建構）；題目未預設物理量，學生應主動完成賦值表征，并結合物理圖像等方式描述禮花彈的運動（模型表征）；改進禮花彈的結構，自主設計方案（模型應用）。

為了進一步對考查進行量化，四道建構反應題擬定了評分標準，被試各題情境認知、模型建構、模型表征和模型應用的得分被劃為０～３四級水平。題中涉及到的物理知識與被試的知識水平相適應，難度適中。

１．３ 研究對象、施測方法與統計工具

測評卷涉及的物理知識以力學和運動學為主，對應的學段為高中一年級。在正式施測前，進行了小樣本初測。統計發現，T2與T3試題的平均難度最為接近，因此在大規模測驗中采用劃分A、B卷的形式，將T2、T3試題各自作為A、B卷的不同題目。正式測驗時，選擇了廣州市荔灣區某中學高一年級四個平行班的學生作為研究樣本，于自修課時間段（４５分鐘）開展了紙筆測驗。回收測試卷共１５４份，經統計，有效測試卷為１２５份，有效率８１．２％。其中，男生樣本６２份，女生樣本６３份，性別分布較均衡。本研究基于Ｒａｓｃｈ模型進行數據處理，使用Ｗｉｎｓｔｅｐ軟件及ＳＰＳＳ２５．０完成數據分析。

２ 測試工具質量檢驗

２．１ 與Ｒａｓｃｈ模型擬合度

Ｗｉｎｓｔｅｐ軟件報告了信度、擬合度等總體情況。結果顯示，本次測驗項目信度為０．９５，被試信度為０．７５，測試結果較為穩定、可靠。測驗項目內部擬合度、測驗被試內部擬合度Ｉｎｆｉｔ ＭＮＳＱ均為１．００，各項目內部擬合度均在 ０．８～１．４ 之間，數據結果與Ｒａｓｃｈ模型擬合度高［１４］，適合采用Ｒａｓｃｈ模型進行分析。

２．２ 項目難度與誤差、懷特圖

測驗被試難度值Ｐｅｒｓｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅ＝－０．７，接近０，但小于０，整體的試題難度與被試能力較匹配，但難度略高于被試能力，符合預期。各項目難度Ｉｔｅｍ Ｍｅａｓｕｒｅ范圍在－１．０１～１．１０之間，跨度近似為２．０，分布在合理的區間。項目標準誤差（Ｍｏｄｅｌ Ｓ．Ｅ．）在 ０．１０～０．１６ 之間，測量精確性較好。各項目點測量相關系數都大于 ０．３。懷特圖顯示了被試水平和項目難度在同一客觀等距量尺上的ｌｏｇｉｔ值，如圖 １所示。

其中，能力值處在中間水平ｌｏｇｉｔ ＝ ０的被試最多，被試能力整體呈現正態分布；同時，分布連貫、不同難度的項目都有被試與之對應，總體上看，被試的能力值與項目難度匹配。以上檢驗結果表明，測評工具質量較好，符合Ｒａｓｃｈ模型的要求。

３ 研究結果分析

３．１ 跨學科背景中物理建模能力與學業成就的關聯

通過數據可以探究學生跨學科背景中物理建模能力與其學業成就之間的關聯。經統計，測評ｌｏｇｉｔ分與學生診斷性測驗物理成績的相關性的顯著性概率ｐ＝０．０３８＜０．０５，且皮爾遜相關系數ｒ ＝ ０．１８６＞０，二者有統計意義上的正相關性。從邏輯上分析，跨學科背景中物理建模能力與學生本身的物理基礎存在一定的關聯，其中，抓住主要因素進行建模、采用物理量、公式、圖像進行表征的能力在日常學習中得到了一定的培養。上述結果分析表明，立足于物理學科，學好基本知識和思維方法，是學生成功“跨”出學科的前提。

值得注意的是，相關性在不同維度上的表現有所不同（表 ３）。其中，情境認知與模型建構兩個維度ｌｏｇｉｔ分與學業成就有顯著的相關性。而模型表征和模型應用能力與學生的學業成就沒有統計意義上的相關性。

結合學生作答個案發現，物理基礎扎實的學生往往在認知、建構和表征維度表現較優，但未必能很好地將模型運用于跨學科情境中，這需要學生具備一定的遷移、應用與創新能力。由此可見，當前的物理教學對培養學生認知情境、建構模型和表征模型的能力有較好的促進作用，但在發散思維、情境遷移和創新能力等方面有待加強。

３．２ 物理建模子能力之間的關聯

為進一步探究學生的思維過程，分析了各子能力間的相關性。結果顯示，情境認知與模型建構（ｒ ＝ ０．７３４）、模型建構與模型表征（ｒ ＝ ０．７２８），這兩對變量之間存在顯著的強相關性。

首先，情境認知完整與否將影響模型建構能力。情境認知需要學生從復雜真實的問題情境中提煉關鍵信息、厘清題意并審查物理條件。這是建模的重要環節，它是個體為建模而先生成的認知結構，情境認知的完成度會影響模型建構的準確性。其次，模型建構與模型表征之間也存在密切的聯系。對比發現，如果學生建構的模型比較完整，那么表征方式往往會更加多元。建模水平高的學生能通過選取合適的方法將對象和過程轉換成物理模型；而建模水平較低的學生，對模型的認識比較淺，仍處在具象思維到抽象思維的過渡階段。前者能夠采用文字表征、賦值表征、圖像表征等多種方式將抽象的模型進行表達；后者的表征形式則較為單一，表征轉換能力較弱。

從呈現方式來看，物理概念與規律總是以各種外部表征為載體。建構準確的物理模型可以促進學生使用多元表征，多元表征也可以反過來檢查模型間的一致性，用一種表征來幫助建構另外一種表征［１５］。

３．３ 學生建模子能力的整體表現

將測試卷的各項目按維度進行分類，對比學生在認知、建構、表征和應用的表現情況，如圖 ２所示（各維度的平均難度用菱形標記折線表示）。難度值可以反映學生的作答情況，其中，情境認知維度平均難度最小，學生的表現相對最好，模型建構維度平均難度最大，學生的表現相對最弱。

情境認知是建構模型的第一步。情境為學生提供了認知的起點和關聯的信息與條件，試題中的條件是內隱的，學生需要調用自身掌握的知識，提煉跨學科背景中蘊含的物理條件，為下一步的模型建構作準備。研究發現，除了小部分學生出現遺漏、曲解物理條件的情況外，大部分學生能夠基本達到情境認知維度的要求，整體表現較好。

模型建構是整個物理建模流程的核心。基于已有的知識結構和情境問題建構物理模型的抽象概括過程，是科學思維的重要體現［１６］。對于部分學生而言，模型建構是具有挑戰性的。一方面，學生可能對基本的物理模型知識儲備不足；另一方面，學生難以在跨學科情境下將模型重新組合，未能通過抽象、理想化和簡化近似等方法將跨學科中的物理過程與已知的物理模型聯系起來。學生在這一維度的表現差異較為明顯，整體表現相對最弱。為了提升學生的模型建構能力，需要完善學生對基本物理模型的認識，加深對真實情境中物理現象的思考，培養從情境到模型的思維能力。

３．４ 跨學科背景對物理建模能力的影響

測試卷中有四個不同的跨學科情境：歷史、生物、地理和工程技術。圖 ３展示了不同情境對項目難度的影響。在不同學科背景下，學生情境認知和模型應用的能力水平相對穩定。而模型建構和模型表征能力受到問題情境的影響較大，波動明顯。試題中不同的學科背景會影響學生的建模表現，而表征和建構兩個維度關系密切，因此它們受到跨學科背景的影響更加顯著。

以上結果也表明，學生的物理建模能力與跨學科背景有關。在建模的過程中，要將跨學科背景條件與物理知識建立聯系。如果對學科背景較為陌生，隨著情境的復雜程度加深，學生在將對象轉換成物理模型時可能會出現一定的思維阻礙。教師在教學中應注重引導學生思考，面對不同情境時，深入理解其本質，結合具體條件和知識分析問題。

４ 基于測試結果的教學建議

本研究厘清了跨學科背景中物理建模能力的內涵，建構測評框架，編制出包含情境認知、模型建構、模型表征和模型應用四個維度的有效測評工具，分析了學生跨學科背景中物理建模能力的現狀與特點。課堂是學生學習的重要時空場域，高效的教與學對發展學生建模能力有重要作用，因此本研究提出以下高中物理教學與培養建議：

第一，重視物理模型，強化抽象思維培養，提升多元表征能力。運用物理模型解決問題本質上是思維活動的結果，模型常常從真實情境中演變而來，物理教學要以生活經驗等內容為基礎，關注由真實到抽象的建模過程，強化學生的抽象思維。同時，要優化教學中學習材料的呈現方式，對同一物理模型，可以給出公式、文字、圖像等多種表征形式，促進學生多元表征能力發展。

第二，豐富模型知識儲備，引導學生歸納總結、類比推理。物理教學中要注重基本模型的講授與解析，引導學生總結歸納，形成知識體系，提高對模型的運用能力；用類比推理的思想統領知識，適時運用類比法分析力與運動、電磁相互作用、能量轉化中的物理模型，在解題時應結合具體情境靈活運用。

第三，適當創設跨學科情境，促進學生深度學習。本研究對物理建模能力的測評放置在跨學科背景下進行，是對素養導向下的一種新評價思路的探索，也是促進學生深度學習、培養遷移應用能力的創新路徑。建議教師在課堂教學、形成性評價和實踐活動設計中適當創設跨學科情境，引導學生主動思考、深度探究，培育和增強知識整合與學習遷移能力。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．義務教育物理課程標準（２０２２年版）［Ｓ］． 北京：北京師范大學出版社，２０２２．

［２］中華人民共和國教育部． 普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）［Ｓ］． 北京：人民教育出版社，２０２０．

［３］ＳＨＥＮ Ｊ，ＬＩＵ Ｏ Ｌ，ＳＵＮＧ Ｓ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｓｔｕｄｅｎｔｓ： Ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｎ ｏｓｍｏｓｉｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，２０１４，３６（１１）：１７７３－１７９３．

［４］ＹＯＵ Ｈ Ｓ，ＭＡＲＳＨＡＬＬ Ｊ Ａ，ＤＥＬＧＡＤＯ Ｃ． Ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｇｌｏｂａｌ ｃａｒｂｏｎ ｃｙｃｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ

Ｔｅａｃｈｉｎｇ，２０１８，５５（３）：３７７－３９８．

［５］蘭彧，王祖浩．科學教育中跨學科理解能力測評的國際經驗與啟示［Ｊ］．中國考試，２０２１（８）：６９－７８．

［６］ＨＥＳＴＥＮＥＳ Ｄ．Ｔｏｗａｒｄ ａ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃｓ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９８７，５５（５）： ４４０－４５４．

［７］ＬＯＰＥＳ Ｊ，ＣＯＳＴＡ Ｎ．Ｔｈｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ Ｃｏｍｐｅｔｅｎｃｅｓ：Ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｃｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， ２００７，２９（７）：８１１－８５１．

［８］ＺＨＡＩ Ｘ．Ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｈｉｇｈ‐ｓｃｈｏｏｌ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｎ Ｎｅｗｔｏｎｉａｎ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅａｃｈｉｎｇ，２０２２，５９（８）：１３１３－１３５３．

［９］ＨＡＬＬＯＵＮ Ｉ Ａ， ＨＥＳＴＥＮＥＳ Ｄ． Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ［Ｊ］． Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９８７，５５（５）：４５５－４６２．

［１０］ＨＡＬＬＯＵＮ Ｉ．Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ｍｅａｎｉｎｇｆｕｌ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅａｃｈｉｎｇ，１９９６，３３（９）：１０１９－１０４１．

［１１］邢紅軍，龔文慧．論關鍵能力的相互作用及其對教育教學的啟示［Ｊ］．教育科學研究，２０２２（１０）：５－１２，21．

［１２］李松嶺． 物理教育中培養學生創造性思維能力的教育理念和策略［Ｊ］．物理教師，２００４，25（７）：５０－５２．

［１３］邢紅軍，臧富華，石堯，等．原始物理問題測驗工具的編制研究［Ｊ］．首都師范大學學報（自然科學版），２０２１，４２（６）：７１－７８．

［１４］ＢＯＮＤ Ｔ Ｇ， ＦＯＸ Ｃ Ｍ． Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ Ｒａｓｃｈ Ｍｏｄｅｌ： Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｈｕｍａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２００３，４０（２）：１８５－１８７．

［１５］張軍朋．物理學習心理學［Ｍ］．北京：北京大學出版社，２０２２：３８－３９．

［１６］廖伯琴．普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）解讀［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０２０：５０－５１．

（欄目編輯 李富強）