2003版与2017版物理课程标准中物理模型及建模的比较研究

任佩璐 张兵荣

(1. 华东师范大学教师教育学院,上海 200333; 2. 华东师范大学第二附属中学,上海 201203)

自20世纪80年代科学建模教学理论诞生以来,科学模型及建模作为人们理解世界的重要途径,受到了广泛关注.翟小铭学者[1]通过对2005年至2015年间国际物理教育研究热点分析发现,“建模与模型”在热点主题词中高居榜首,成为近年来最受物理教育界关注的热点之一.科学建模教学理论提出者海斯特斯(Hestenes)指出“物理研究(学习)的过程即是对自然世界建模的过程”,[2]明确将物理与建模关联起来,体现模型教学对育人的重要价值.在21世纪核心素养导向下,注重在真实情境中培养学生解决问题的真实能力,建模能力作为从情境问题中提炼出物理问题的关键一环,成为核心素养中科学思维的重要组成部分.物理模型与建模在物理学科教学中的价值不言而喻.

《课程标准》作为各个国家指导教育教学开展的核心课程文件之一,也从多维度不同程度上体现出重视建模能力的趋势,是国家对国民物理建模能力发展重视程度的映射,为实际物理教学中建模素养的培养提出明确的要求、发展的导向和实施的路径.

新修订的《普通高中物理课程标准(2017版)》(以下简称“17版课标”)从多个方面体现了建模教育．[3]在“课程性质与理念”的论述中,相比于2003版《普通高中物理课程标准(实验)》(以下简称“03版课标”)[4]没有明确提出模型和建模能力,17版课标明确提出“物理学基于观察和实验、建构物理模型、……形成系统的研究方法和理论体系”.将建模作为物理学习的关键步骤和重要能力的同时,也揭示了物理研究本身具有模型本质和模型化过程属性,将物理模型及建模从单纯的方法拔高到了物理本质层面.在“课程目标”的论述中,相较于03版课标对模型及建模的描述集中体现在“过程与方法”层面,将物理模型定位为一种研究方法,对建模能力的要求为“认识”,17版课标明确将模型建构作为“科学思维”的要素之一,提出“科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程……”同时对物理模型的要求也转变为“建构”以及更高层次的目标,凸显了我国对物理建模能力的定位更加准确,要求更加深刻.

“课程内容标准”以模块和条目的形式对高中物理课程内容的要求做了细致地阐述．本文将重点通过文本分析法从“内容维度”和“能力层次”两方面纵向对比17版课标与03版课标“课程内容标准”中模型及建模相关内容,据此分析建模教学在我国物理教育中的发展趋势及前进方向．

1 理论分析框架

本研究从“内容维度”以及“能力层次”两个层面建构了建模能力二维分析框架,分析两版课程标准的模型与建模相关内容的广度与深度.

1.1 建模能力的内容维度

建模贯穿物理问题解决的全过程,其涉及的建模能力也包含了多个内容维度．我国台湾高雄大学学者Jeng-Fung Hung提出的层级条目模型是典型的基于过程性视角的建模能力模型.[5]其将建模能力分为模型的选择、构建、验证、分析和应用5个维度,并进一步细分出相关的要素.其具体的建模能力结构模型如图1所示.本文以该层级条目模型作为建模能力的内容分析维度.

图1 建模能力分类

1.2 建模能力层次

在各个维度上,在对建模能力层次的划分上,本文参考辽宁师范大学袁媛、朱宁波学者[6]基于SOLO分类评价理论对高中生建模能力的分层,根据所涉及物理模型的信息数量及关系形成进阶式的4水平,分别对应于SOLO分类评价理论的“单点结构”、“多点结构”、“关联结构”和“拓展抽象结构”，如表1所示.

表1 基于SOLO分类评价理论的物理模型思维能力层级

2 “内容标准”中的建模内容条目分析

17版课标继承了03版课标内容模块化的特点,共分为必修1～3,选择性必修1～3以及选修1～3共9个模块,其中必修1～3以及选择性必修1～3与03版课标中物理1、2,选修3-1(选修1-1)以及选修3-2至选修3-5内容是大致相当的,因此本文选取这两部分对比其中与建模相关的内容．

从建模的内容维度和水平层次分别对03版和17版课标教学内容中的模型与建模相关的条目进行梳理,并对内容进行双向分析，如表2所示.

表2 基于03版和17版课标中课程内容部分建模内容对比

续表

3 内容标准中的内容条目对比

3.1 内容描述对比

从内容标准的结构上看,17版课标在对每一模块提出内容要求后,又增加了“教学提示”和“学业要求”两个部分,将教学过程中如何进行建模教学的具体环节和采用的具体方法,以及学生通过学习在建模能力上要实现的目标显性化.例如在必修1的教学提示中提出“根据本模块所学物理模型的特点,联系生产生活实际,从多个角度创设情境.提出与物理学有关的问题,引导学生讨论,让学生体会建构物理模型的必要性和方法……”.在必修3的学业要求中指出“能用点电荷模型研究电荷间的相互作用……能用电场线、磁感线等模型分析电场和磁场中比较简单的问题”.由此可见,17版课标在教学层面上更加明确地传达了将模型教育融入到物理教学中的理念,更加关注模型本质,同时对学生建模能力也提出了更为明确的要求.

从建模内容的分布上看,相比于03版课标中只在物理1、选修3-1(选修1-1)、选修3-3部分明确提出了物理模型,且均为理想化的实物模型,对模型的界定较为狭隘;17版在必修1、3,选择性必修1、2、3中都含有相关的建模内容,分布的范围更广泛,且内容上也更加丰富,除了实物模型以外,增加了过程模型、条件模型等.[7]例如选择性必修1中增加了“简谐运动”、“碰撞”、“单摆”等模型.

从建模内容的陈述上看,17版课标更突出在情境中认识、建构、使用和分析模型.在“内容要求”板块,提出要考虑建模的情境性,例如“知道点电荷模型.与质点模型类比,体会在什么情境下可将带电体抽象为点电荷”.在 “教学提示”板块,也指出要通过创设情境进行建模教学,例如“根据本模块所学物理模型的特点,联系生产生活实际,从多个角度创设情境.提出与物理学有关的问题,引导学生讨论,让学生体会建构物理模型的必要性和方法……”.在“学业要求”上,要求学生能在实际生活中运用建模的方法解决问题,例如“能根据现实生活中的振动或摆动的特点,建构简谐运动、单摆等物理模型.能运用这些模型分析问题,通过推理得到结论,对相关现象作出解释”.由此可见,建模成为联系真实问题与物理问题的关键环节,揭示了物理本质,体现了模型不能脱离具体问题情境的原则.同时,17版课标中还注重学生对建模过程及方法的感知.例如在内容要求1.1.2中就提到“……经历质点模型的建构过程……”.

3.2 内容维度对比

本研究进一步统计两课标各模块不同内容维度出现的频次．统计时对重复体现同一内容同一维度的部分进行整合,例如17版课标必修1中在“内容要求”“教学提示”和“学业要求”3部分均提出“能在具体情境中建构出质点模型”,都属于模型建构的水平1,只进行一次统计.但对同一内容涉及不同维度的要求,则按维度进行多次统计(表3).

统计结果表明，03版课标共涉及3条教学内容,主要集中在电磁学部分(选修3-1/选修1-1);而17版课标共涉及16条教学内容,在必修3中分布最多,选择性必修1次之,在除必修2外的各模块也均有分布.同时相较03版课标主要集中在“模型选择”维度,17版课标在“模型选择”、“模型建构”、“模型分析”以及“模型应用”中也均有分布,且随模块增加,所涉及的维度也从简单的“模型选择”向较为复杂的“模型分析”、“模型应用”过渡.体现出一定的进阶性.但两版课标中物理2(必修2)都未涉及模型相关的内容．

表3 基于两课标的内容维度的分布统计

3.3 水平层次对比

根据建模能力水平层次,对两版课标中内容所反映的建模能力层次进行统计．以不同模块为横坐标,内容维度为纵坐标,并通过不同灰度界定不同模块各个维度的要求水平,其中对每一模块的每一个维度而言,以其要求的最高水平为标准,结果如表4所示.在03版课标中涉及模型与建模的相关内容条目均停留在水平1,而17版课标中处于4个水平的内容条目的数量分别为5,4,3,1，呈递减趋势.相对而言,达到水平4要求的条目数较少,但从总体上来看,17版课标对物理建模能力的层次水平要求较03版课标有显著的提升.

对比17版课标各模块的水平层次,必修模块中建模能力的层次水平要求较低,主要停留在水平1,但进入到选择性必修模块,内容条目中对建模能力的层次水平要求开始向更高的水平发展,大多处于水平2、水平3 的位置.

对比17版课标各内容维度的水平层次,在“模型建构”、“模型分析”和“模型应用”维度,建模能力层次都随模块学习的进行有提升的趋势,显示出进阶性.但“模型选择”维度,始终停留在水平1,进阶性不明显.从课程内容中可看出,课标中所出现的模型大多只涉及“实体模型”,对“过程模型”和“条件模型”的关注较少,也许可以对该现象做出一些解释.

表4 基于两课标的建模能力层次的分布统计

4 总结与展望

通过对两版课标中模型与建模内容对比,我国建模教育获得较大的发展,但仍存在进步的空间.透视我国的教学实践,在落实模型教学及发展建模能力上,现实与理想依然存在差距.基于本文的研究对此提出一些建议.

4.1 注重建模能力的科学本质教育

科学建模是体现科学本质的重要环节,吉尔伯特曾说“科学研究是模型的建构过程,科学学习则是学习模型建构的过程”.[8]在科学研究和应用中,都需要在真实情境中抽象出物理模型,从而将真实问题转化为物理问题.在此基础之上形成或发展概念和定律.建模能力本身既是物理学科核心素养中科学思维的重要一环,同时也为其他素养的发展提供支撑.科学建模是科学本质中科学知识实证性的重要反映,[9]它是在观察的基础上,通过理论的分析,来认识事物本质的重要方法.因此建模教学要注重体现科学本质.

注重体现建模活动的过程性.科学包含了科学知识以及科学知识产生和发展的过程.注重科学建模的过程性在学生建模学习中的体现,有助于学生在此过程中领会建模思想的内涵从而掌握系统的建模方法,逐渐发展建模能力.

其次要体现建模过程的情境性.建模是基于真实情境的抽象过程.只有在情境中体验建模的过程,才能够真正领会建模思想的内涵,将建模这一过程同科学研究以及实际生活相联系.

4.2 注重建模能力发展的进阶性

学习进阶理论指出学生的学习过程是从简单到复杂、连续地推理认知发展的过程.[10]因此在设计教学目标和教学活动过程中要注重为学生铺设“台阶”.相比03版课标,17版课标在内容维度及水平层次上已经具备了一定的进阶性.但在模型验证以及必修2,模型与建模相关的内容依然是空缺的.模型教育的进阶性还不够完整,对于高阶水平的设置也还不够.

4.3 发展教师的建模教育理念,促进建模教学在课堂发生

现阶段理论与实践的脱节,归根结底是教学实施者未完全领会建模思想,对其理解不深导致的.教师的建模教育理念决定了建模教学在课堂中的呈现.教师要有意识地去了解模型及建模的理论,同时更要创造性地去探索建模教学融入课堂的方式,将建模理论本土化,实践化,使之推动课堂的发展和转变.