高一学生物理建模能力调查

摘 要：模型建构是物理学科核心素养的重要内容，培养中学生物理模型建构的思维方式是重要的教学目标之一。文章基于国内外建模教育研究结果与核心素养的内涵，以一道力学原始物理问题为例，调查高一学生运用、建构物理模型解决综合性物理问题的能力。

关键词：核心素养;高中生;模型建构;原始物理问题

一、引言

自美国学者David Hestenes（1987）提出建模教学理论后，模型及模型的建构在教育界引起了广泛的重视。《普通高中物理课程标准（2017年版）》提到科学思维是“基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程”，要求学生通过物理课程的学习，应当“具有建构模型的意识和能力”[1]。

模型是为了解释并预测现象而突出主要特征并进行抽象、简化的结果，是人们用来理解、解释物理现象的重要途径之一。建模是从复杂现象中抽取能描绘现象的要素，并利用要素的关联来建构模型的动态过程[2]。

基于中学物理课程的新要求，文章利用一道原始物理问题，对高中学生的自主建模能力进行探究。

二、研究设计

1.研究方法

采用纸笔测验和半结构化访谈的形式对学生的建模能力进行调查。卷面解答是其表征出来的模型，一定程度上体现了模型建构的能力。访谈的主要目的是了解学生的解答思路，用来判断卷面答案是否囊括了被访学生的所有想法。

运用物理知识解决实际问题能力的高低，往往取决于将情境与知识相联系的水平。而中学生接触到的多数物理习题，情节已被人为加工，其真实性已遭到破坏。因此本文以一道力学相关的原始物理问题，考察高一学生的物理建模能力，如图1所示。

2.被试选择

在上海市某实验示范性高中选取一个高一班级，该班共有学生43名。该校高一学生并未根据选考科目情况分班，被试学生已经学习并掌握了“力的合成与分解”，具备了基本的力学分析素养。

3.表现水平划分

测试卷要求学生写下所有想法，使阅卷者尽可能地透过卷面解答看到学生的建模能力水平。结合卷面解答情况，将学生的表现水平划分为5档，如表1所示。

本次阅卷者共2人，评分信度系数为0.94。

三、研究结果分析

被试学生建模能力水平分层如表2所示。

0分档的学生未给出任何解答，故无法对其进行合理评估。 下文仅对1～4分档对应的4个不同的建模能力水平进行分析。

1分档的典型解答如图2所示。该学生将树干当作定滑轮使用，司机在水平方向上拉绳。方案中出现了4个要素，但并未进行有效利用。当被问到“为什么将绳子绕过树司机就可拉动卡车？”时，学生回答“当时也没多想，感觉可以省力。”并在访谈过程中自发地意识到此方案不可行。此类学生只能做到读取问题中的要素，没有建构起对真实情境的理解。

2分档的典型解答如图3所示，学生仍使用了定滑轮模型。给出此类解答的学生意识到，若不对常用的定滑轮模型进行修改就无法达到省力的目的。但司机的重力较之拉动卡车所需的力应当小许多，学生对实际问题缺乏更深层次的剖析。此类学生虽具备一定的修正模型的意识，但因模型的错误选择导致后续过程做了无用功。

3分档的解答如图4所示，学生使用了动滑轮模型。较之2分档的定滑轮使用方案，这类作答更佳。接受访谈的学生提到这种方案可以“省一半的力”，忽略了实际问题需要考虑的摩擦力和司机本身的力量。学生建模的过程遗漏了许多不应忽略的地方，找到了看似适用的模型，在给出了解答后没有回归原始问题，没有对模型进行验证。

4分档的解答是本次测试唯一运用了“力的合成与分解”的方案，也是本次测试的最佳方案。如图5所示，学生将尼龙绳的两端分别系于树、卡车且保持绳被拉直的状态，司机再拉绳的中部。根据平行四边形定则，司机对绳的拉力比绳对车的拉力小得多。较之1～3分档，这一类方案操作起来更加便捷，也解决了一个重要的问题——司机能给予的最大拉力与拉出卡车所需的力在数值上的悬殊。

四、结语

学生接触的物理习题已被人为加工，经常出现理想化条件，如质点、光滑面等。大量的习题训练使得学生能够熟练地使用物理模型解答一些“死問题”，产生了思维定势，栽倒在了综合性的原始物理问题跟前。本次测试中，仅10%的学生提出了可操作性强的方案，这一现状令人担忧。

物理模型的建构是一个复杂的认知过程，2017版课程标准指出教师应当在教学中让学生体会建构物理模型的方法[3]。如何让学生透彻地理解物理模型，体会如何从实际情境中获取要素，自主地建构合适的物理模型来解决实际的、综合性的物理问题，是中学物理教育工作者应当关注的问题[4]。

参考文献：

[1][3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：4-63.

[2]张静，郭玉英，姚建欣.论模型与建模在高中物理课程中的重要价值——基于国际物理（科学）课程文件的比较研究[J].物理教师，2014（6）：4-5.

[4]翟小铭，何春生.中学生物理科学建模素养的三个面向——从物理学家建模和学生建模学习的角度阐释[J].物理教师，2017（12）：2-6.

作者简介：周吉（1992—），女，浙江宁波人，硕士，研究方向：中学物理教学。