高中学生物理模型建构能力发展趋势分析

陆玫琳 桑芝芳

(1 苏州大学物理科学与技术学院;2苏州大学附属中学,江苏 苏州 215006)

核心素养,是指学生应具备的、能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。2017年普通高中物理课程标准明确提出物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度与责任”四个方面构成。科学思维作为物理核心素养中重要的一环,主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[1]。这些都是物理学科在探索自然和建构理论体系过程中运用的典型思维方式,也是学生学习和运用物理知识和方法的过程中必备的思维能力[2]。因此,研究学生的物理科学思维能力发展趋势,对于落实与培养学生的物理学科核心素养具有重要意义。

为了更好地落实对学生科学思维能力的培养,国内外学者均对科学思维能力的结构和培养方面做出不少研究,并且提出了一些培养方法,但大多是基于理论和经验的思辨研究,关于学生核心素养发展的纵向追踪研究较少,因而无法深入揭示学生核心素养发展的内在规律和机制,既不利于各学段的核心素养目标水平的设置,也不利于学生核心素养的培育和评估。因此,需要针对核心素养在不同年龄段的发展规律开展纵向研究,从而为检验核心素养指标体系的有效性、推动基于核心素养的课程教学改革提供数据支撑[3]。

追踪研究对个体在不同时间点进行多次测量,合理地推论变量之间的因果关系,为揭示事物的发生、发展和变化提供有效的途径,在心理学、教育学、社会学等学科中有广泛的应用。统计方法主要有以下几种:(1)重复测量的方差分析和多元方差分析;(2)时间序列分析;(3)潜变量增长曲线模型;(4)多层线性模型[4]。重复测量是指对同一观察对象的同一观察指标在不同时间或环境下进行的多次测量,用于分析观察指标的变化趋势及有关的影响因素[5]。运用该统计方法对学生的物理科学思维发展进行分析,并对其影响因素进行探讨,是十分合适的。

1 模型建构能力表现框架的建构

模型建构是物理科学思维能力的一个重要维度,也是一种重要的科学思维方法,在培养学生的思维发展、解决问题能力方面起着至关重要的作用。根据课程标准,结合相关文献,与专家和一线教师的讨论,笔者将模型建构能力分解为了解模型、应用模型、模型转换三个一级指标及相关二级指标,具体表现框架见表1,从而有利于进行相关能力测试和分析。

了解模型包括了解简单模型(A1-1)和了解复杂模型(A1-2)两个二级指标。了解简单模型是指学生认识并能说出一些简单物理模型,如质点、点电荷、点光源等,并理解这些模型的内涵,把握其本质特征。了解复杂模型是指学生认识并能说出较多常见物理模型,如轻绳、轻杆、轻弹簧、单摆、简谐振动、碰撞等。并且掌握物理模型的文字表述、数学表述和图像表述,知道模型的适用范围和应用条件,且具有模型建构的意识,在遇到物理问题时,能够自觉尝试构建物理模型来解决问题。

应用模型包括应用常见模型(A2-1)和选择应用模型(A2-2)两个二级指标。应用常见模型是指学生能在熟悉的问题情境下,提取其本质特征,直接应用所学的常见物理模型,解决物理问题。选择应用模型是指学生能在综合性问题情境中根据实际需要,分析所遇到的问题情境,进行本质抽象,在适用范围内,选择出合适的物理模型,并且能够正确运用模型来解释和表征问题,最后解决物理问题。

模型转换包括简单模型转换(A3-1)、复杂模型转换(A3-2)和新模型建立(A3-3),一共三个二级指标。简单模型转换是指学生通过分析,能将较为简单的实际问题中的对象和过程转换成学生熟悉的物理模型,然后解决物理问题。复杂模型转换是指学生通过多步骤的分析和推理,能够提取出较复杂的实际问题中对象和过程的本质特征,转换成物理模型,并有效解决问题。新模型建立是指在新的物理问题情境中,运用已知的模型无法解决问题的情况下,学生能够对已有模型进行延伸和拓展,或在已经建立模型基础上建立起新模型,从而有效解释新情境,解决实际问题。

基于模型建构能力表现框架,应用问题(试题)对模型建构能力水平进行分析、测试与评价。现以选择应用模型(A2-2)、简单模型转换(A3-1)、复杂模型转换(A3-2)进行示例说明:

选择应用模型(A2-2)示例:如图1甲所示,一长度l未知的轻杆,一端穿在过O点的水平转轴上,另一端固定一质量m未知的小球,整个装置绕O点在竖直面内转动。小球通过最高点时,轻杆对小球的弹力F与其速度平方v2的关系如图1乙所示,已知重力加速度为g。下列说法正确的是( )

A.轻杆长度l=g/a

B.小球质量m=-b/g

C.当v2＜a时,轻杆中的弹力表现为向下的拉力

D.仅换用长度较短的轻杆做实验,图线b点的位置不变

说明:本题考查的是圆周运动问题。小球与轻杆相连,还需学生考虑到轻杆模型的特点。分析小球通过最高点时的向心力和速度情况,结合受力分析,得到本题答案选BD。该题难度值为0.78,难度适中。该题考查学生对圆周运动的掌握,即对过程模型的掌握。学生需要在这类综合性问题情境中根据实际需要,分析所遇到的问题情境,选择出合适的物理模型,并且能够正确运用模型来分析和解释问题,最后解决物理问题。因此该题属于应用模型这一任务的较高水平,即选择应用模型。

简单模型转换(A3-1)示例:如图2所示,某人站在一平台上,用长L=0.6m 的轻细线拴一个质量为m=0.6kg的小球,让它在竖直平面内以O点为圆心做圆周运动,当小球转到最高点A时人突然撒手,经0.8s小球落地,落地点B与A点的水平距离BC=4.8m,不计空气阻力,g=10m/s2。求:

图2 (A3-1)示例题图

(1)A点距地面高度;

(2) 小球做圆周运动到达最高点时的线速度及角速度大小;

(3) 小球做圆周运动到达A点时,绳对球的拉力大小。

说明:本题考查平抛运动,但并未直接指出平抛运动的初始条件,需要学生根据题目情境分析该过程,再将其转换成平抛运动的过程模型,理解题意并解决问题。该题难度值为0.99,难度较低。该题考查学生对平抛运动和圆周运动的掌握,即对匀变速直线运动、圆周运动这类过程模型的掌握与应用。学生需要通过分析,将较为简单的实际问题中的对象和过程转换成熟悉的平抛运动过程模型,根据问题情境形成对当前情境的恰当理解,并应用模型研究实际问题,从而解决物理问题。因此该题属于模型转换这一任务的较低水平,即简单模型转换。

复杂模型转换(A3-2)示例:风洞实验是指在风洞中安置飞行器或其他物体模型,研究气体流动与其相互作用,以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种实验方法。某风洞空间能产生速度恒为v0的水平风,在其空中某一位置,以大小为v0的对地速度水平逆风射出一质量为m的物体,由于受到恒定的水平风力作用,经时间t物体下落一段距离后其速度的水平分量大小仍为v0,方向与抛出时速度相反。设竖直方向阻力不计,则在这段时间内下列说法中正确的是

A.水平风力对物体做负功

B.重力的功率先减小后增大

说明:本题考查了自由落体运动,也同时整合了动能定理等多个知识点。学生需要分析物体在水平方向和竖直方向上的运动,水平方向的物体动能变化量为0,依据动能定理可知,风力做功为0,A 选项错误;物体在竖直方向做自由落体运动,速度不断增大,而重力的功率等于重力和竖直分速度的乘积,即有P=mgvy,所以重力的功率一直增大,B选项错误;物体下落的高度为h=,重力势能减小量为ΔEp=mgh=。由于物体的动能增加,所以物体机械能减少量小于,故C 选项错误,物体的动能增加量为。因此本题正确选项为D。该题难度系数为0.67,难度适中。该题考查学生复杂情境中的信息获取能力,对自由落体运动模型本质认识,对过程模型的理解和建构。自由落体运动属于物理过程模型,学生解答本题需要掌握并灵活应用自由落体运动的特点,根据题目的实际情况,将水平方向和竖直方向的情况进行分析,得到竖直方向的运动实质。即通过多步骤的分析和推理,提取出较复杂的实际问题中对象和过程的本质特征,转换成自由落体运动的物理模型,并结合动能定理,应用相关数学知识求解,最终有效解决问题。因此该题属于应用模型这一任务的较高水平,即复杂模型转换。

2 研究设计

2.1 研究对象

选取苏州市某高中一个年级约两百名学生为研究对象,选取从高一至高三的六次测试,测试时间为每学期期末,时间间距等间隔,分别为高一上学期期末,高一下学期期末,高二上学期期末,高二下学期期末,高三上学期期末,高三下学期期末(调研考试),即进行追踪分析的六个时间点。

2.2 研究工具

笔者首先制定了高中生的物理模型建构能力表现框架,并基于物理模型建构能力结构,分析试卷试题,对有效试题和学生答题情况进行分析处理,提取出能够体现出高中生物理模型建构能力发展的题目,对其进行难度评级,根据学生答题情况,得到其模型建构能力的得分,从而根据高一至高三,一共六个时间点的测试进行追踪分析,得到学生模型建构能力的发展情况。

六次测试的内部一致性系数Cronbach's α系数分别为0.592、0.670、0.678、0.650、0.661、0.682,信度良好,说明本测验是较为稳定可信的。测试试卷为高一上、下学期期末考试,高二上、下学期期末考试,高三上学期期末零模调研和高三下学期期末二模调研的试卷,在一定程度上保证了该测验具有较好的内容效度。

2.3 数据处理

笔者采用SPSS 24.0对测验数据进行相关追踪分析。将群体样本进行分组,分别对全体样本、男女生性别分组和成绩分组的不同子群体进行研究,采用追踪研究中的重复测量方差分析方法对全体和各子群体进行追踪分析。

当对于全体样本进行重复测量方差分析时,如果P＜0.05,说明六次测量之间存在显著差异,如果检验P＞0.05,说明六次测量之间实际上不存在显著差异。当对于多个子群体进行分析时,如果P＜0.05,说明时间因素以及时间因素和分组的交互作用有统计学意义,即测量指标随时间变化而变化,并且时间因素的作用随着分组的不同而不同[6]。

3 研究结果分析

以时间为自变量,学生各能力维度的得分为因变量,对学生在六个时间点的情况进行追踪分析。因为在个别维度的试题因难度不符合要求或者试题量较少,为保证追踪分析的时间间隔连续,在某些维度仅提取个别学期的数据进行分析。对全体学生样本、性别分组和成绩分组进行追踪研究的结果如下。

3.1 模型建构能力发展的整体表现分析

对于模型建构的各二级指标下的测量数据进行重复测量方差分析,对于球形检验结果中显著性水平P＜0.05的采用多变量检验的结果,对于球形检验结果中显著性水平P＞0.05的采用主体内效应检验的结果。差异检验结果如表2所示。

通过重复测量方差分析发现,时间存在显著的主效应(F(5,31)=18.482,P＜0.001,η2=0.749)。对时间的主效应结果进一步成对比较(LSD),发现在模型建构指标的得分上,高三下学期显著高于高一上学期(P＜0.001)、高一下学期(P＜0.001)、高二上学期(P＜0.001)、高二下学期(P＜0.001)和高三上学期(P＜0.001),即时间会影响学生在该指标上的表现,具体表现为全体学生在高三下学期时的表现比之前的五个学期阶段都好。

表2 全体学生在不同年级时的模型建构各指标差异分析

全体学生的模型建构能力各维度发展趋势如图3所示。根据图3可以直观地看出,学生的了解简单模型能力发展整体呈现上升的趋势,且在高三的两个学期发展速度较快,但在高一到高二年级间发展相对缓慢。学生的了解复杂模型能力发展在高中三年中整体呈现上升的趋势,且在高一上学期到高二上学期这一年里的发展速度最快。学生的应用常见模型能力在高中三年中整体呈现上升的趋势,在高一和高二阶段发展缓慢,在高三阶段发展迅速,且在高三最后一个学期速度增长最快。学生的选择应用模型能力发展在高一至高二上学期快速上升,在高一下学期的发展速度最快,在高二至高三上学期间在一个范围内波动,并没有明显增长的趋势。学生的简单模型转换能力在高中基本上有明显发展,且在高一至高二快速上升,其中高一下学期发展速度最快,在高二至高三阶段发展相对缓慢。学生的复杂模型转换能力在高一至高二上学期有轻微下降,在高二至高三上学期快速上升,从整体来看在高中阶段很有明显的发展提高。

图3 全体学生发展趋势(模型建构能力各维度)

对模型建构各维度进行横向对比可发现,学生在了解简单模型和应用常见模型这两个维度,相对于其他维度而言,能力水平和能力发展情况表现得更好。这两个维度分别是了解模型和应用模型的初级能力水平,因此学生的能力表现更好,经过高中三年的学习也能得到更快速的发展。与此对应的,在复杂模型转换能力上,学生的能力水平相对较弱,在高中阶段的能力发展也相对缓慢。

将模型建构各维度的数据进行整合,对模型建构能力进行综合整体分析(如图4所示),根据图4可以直观地看出,模型建构能力发展在高中三年整体呈现上升的趋势,且在高三下学期的时间段内发展速度最快,在高一和高二阶段发展相对缓慢。

图4 全体学生发展趋势(模型建构能力)

3.2 性别分组下模型建构能力发展的表现和差异分析

对于模型建构的各二级指标下的测量数据进行重复测量方差分析,对于球形检验结果中显著性水平P＜0.05的采用多变量检验的结果,对于球形检验结果中显著性水平P＞0.05的采用主体内效应检验的结果。差异检验结果如表3所示。

表3 不同性别的学生在不同年级时的模型建构指标差异分析

将模型建构能力各维度的数据进行整合,对模型建构能力进行整体分析(见图5～图11)。通过重复测量方差分析发现,性别不存在显著的主效应(F(1,34)=0.960,P=0.334,η2=0.027)。时间和性别不存在显著的交互作用(F(5,30)=1.576,P=0.197,η2=0.208)。

图5 男女生发展趋势(了解简单模型能力)

根据图5可以看出,男女生在了解简单模型能力上呈现出不同的发展趋势。男生的了解简单模型能力在高一到高二的一年时间里并没正向发展,而是在高二至高三阶段里的发展呈增长趋势,且在高三最后一学期内发展迅速。虽然男生的起始均值显著高于女生,但女生在整个高中阶段的了解简单模型能力始终处于发展增长状态,且在高一上学期和高三上学期的发展速度最快,其余时间发展相对平稳。

根据图6可以看出,男女生的了解复杂模型能力在高中三年内始终处于发展上升阶段。虽然男生的起始均值略高于女生,但女生在整个高中阶段的能力发展速度明显高于男生,且最后在高三时高于男生。

图6 男女生发展趋势(了解复杂模型能力)

图7 男女生发展趋势(应用常见模型能力)

根据图7可以看出,男女生的应用常见模型能力在高中三年的发展情况存在显著差异。男生的发展情况是先下降再上升,下降再上升。但是女生的发展情况是先上升再下降,后上升。但是两个群体在高中三年的整体能力是呈现正向发展的,虽然男生的起始平均值高于女生,但女生在三年内的进步明显高于男生。

根据图8可以看出,男女生的选择应用模型能力呈现出明显的性别差异。男生的发展和女生正好相反,男生先增长再下降,后增长再下降,女生则是先下降再增长,后下降再增长。但从整体来说女生在这五个学期内的进步明显高于男生,且虽然男生的起始值高于女生,但经过高中五个学期的学习后,女生的能力水平高于男生。

图8 男女生发展趋势(选择应用模型能力)

男女生的应用常见模型能力和选择应用模型能力方面在高二和高三时期有一定下降,考虑到高二阶段学习的物理模型同高一相比有所不同,高三的模型综合性也有一定程度的提升,男女生的掌握和应用能力也存在区别。同时考虑到学生在高二下学期进行学业水平考试,物理方面的训练可能有所减少,因此在能力发展上体现出在高二和高三时期呈现不同程度的下降趋势。相关具体原因也有待进一步调查分析。

根据图9可以看出,男女生的简单模型转换能力的发展较为不同。男生先增长再下降,后增长,女生则是先平稳再增长,后下降。从整体来说,虽然男生的起始平均值比女生高出很多,但女生在这五个学期内的进步明显优于男生,经过高中五个学期的学习后,女生的能力水平和男生趋于一致。

图9 男女生发展趋势(简单模型转换能力)

图10 男女生发展趋势(复杂模型转换能力)

根据图10可以看出,男女生的复杂模型转换能力存在明显差异。男生的能力水平先降后升,但始终没有达到较高水平。女生的起始平均值虽然低于男生,但在高中三个阶段一直处于上升增长的状态,因此最后在该能力维度上高于男生。

对男女生的模型建构能力发展趋势进行横向对比可以发现,男女生的模型建构能力在高中三年间的发展都处于较为明显地波动增长状态,且不同维度的能力发展趋势不同。但将数据整合对整个模型建构维度进行分析时,会发现这种波动情况又有所不同。如图11所示,从模型建构能力整体的发展情况来看,男生的波动明显多于女生,即女生在各维度的波动情况整合之后反而平缓起来。

图11 男女生发展趋势(模型建构能力)

将模型建构能力各维度的数据进行整合,对模型建构能力进行综合整体分析。男女生在模型建构能力上呈现出较为不同的发展趋势(如图11)。男生的模型建构能力在高一到高三上学期的时间里一直处于上下波动的状态,说明男生的该能力发展并不稳定,直到高三下学期有快速发展增长。虽然男生的起始均值高于女生,但女生在整个高中阶段的了解简单模型能力始终处于发展增长状态,在高一和高二的两年间发展相对平稳,在高三这一年间的发展速度非常快,最后与男生趋于一致。

3.3 成绩分组下模型建构能力发展的表现和差异分析

选取六次物理考试成绩总分排名在全体前30%的学生为A 组,排名在全体后30%的学生为B组,进行追踪分析。

对于模型建构的各二级指标下的测量数据进行重复测量方差分析,对于球形检验结果中显著性水平P＜0.05的采用多变量检验的结果,对于球形检验结果中显著性水平P＞0.05的采用主体内效应检验的结果。差异检验结果如表4所示。

模型建构能力各维度的A、B 组能力发展趋势如图12(a)、(b)所示。根据图线可以看出,A 组学生的了解简单模型能力发展在高中的各个年级始终处于一个较高水平。而B组学生的了解简单模型能力在高二上学期没有正向增长,在高一下学期和高二下学期至高三下学期处于发展增长状态,且在高三下学期发展速度最快。

A 组学生的了解复杂模型能力在高中的高中三年始终处于较高水平,在高一至高二缓慢增长,在高二至高三小幅度回落,总体来说没有显著变化。而B组学生的了解复杂模型能力在高一至高二有较为明显的下落,但是在高二至高三发展速度很快,相比高一有很大进步。

表4 不同性别的学生在不同年级时的模型建构指标差异分析

图12 能力发展趋势图

A 组学生的应用常见模型能力总体处于发展增长状态,且在高一下学期阶段发展速度最快。而B组学生的应用常见模型能力在高一至高二的四个学期内有较为明显的下落,但是在高三的两个学期内发展速度非常快,即高三的学习对B 组学生的应用常见模型能力有很大促进作用。

A 组学生的选择应用模型能力在高中的高中三年始终处于较高水平,且在高一至高二及高三上学期平稳增长,在高二下学期有小幅度回落,总体来说该能力处于发展状态。而B组学生的了解复杂模型能力从整体来看在高中五个学期并没有发展增长,考虑到高中后期题目难度增加,该群体学生的能力发展不足以适应难度较大的题目,因此从图线情况来看发展状况并不乐观。

A 组学生的简单模型转换能力始终处于较高水平,在高中五个学期的增长并不明显,处于小幅度波动的状态。而B组学生的简单模型转换能力从整体来看是一个较大幅度的波动,总体来说也并没有很明显的增长,始终处于一个较低的水平。

A 组学生的复杂模型转换能力在高中的高中三年始终处于较高水平,一致处于平缓增长的状态。而B组学生的了解复杂模型能力并没有发展增长,考虑到高中后期题目难度增加,该能力维度对学生要求较高,因此B 组学生的能力发展不足以适应难度较大的题目,因此从图线情况来看发展状况并不乐观。

对模型建构各维度进行横向对比可发现,高中三年的学习对A 组学生的模型建构各维度能力的发展促进作用最明显,虽然依旧有稍许波动,但这类学生在经过高中的物理学习后,模型建构能力的各个维度都能达到一个较高水平。相比之下,经过学习,B组学生在模型建构能力的一些低层次维度能够有较大提高,但在能力要求较高的维度上,学生的能力发展相对缓慢,甚至有所衰退。

将模型建构各维度的数据进行整合,对其进行综合整体分析。根据图13可以看出,A 组学生的模型建构能力在高中的各个年级始终处于一个较高水平,不过一直处于上下波动状态,但从整体来看依然是在增长发展的。而B组学生的模型建构能力在高一至高二下学期没有明显的正向增长,而是在高三处于发展增长状态,且在高三下学期发展速度最快。

4 结语

图13 成绩分组发展趋势(模型建构能力)

本文通过对苏南某高中学生进行六次追踪,来探讨其物理模型建构能力的发展情况。从整体来看,高中生的模型建构能力在高中三年间整体呈线性递增的发展趋势,但在不同学期间的发展速度不一。从整体上来说,高三下学期的发展速度最快,说明高三下学期的学习对学生模型建构能力的培养有很大的促进作用。究其原因,可能有以下几个方面:(1)高中物理知识本身的特点对学生的学习造成一定困难[7],学生在高一刚开始学习高中物理需要一个适应期,因此在高中的第一年学生的能力发展并没有较大的进步;(2)学生的认知能力随着年龄增长而增长,因此在高二和高三阶段,学生能更好地掌握学习策略,从而更有效地进行学习;(3)高三年级学生的目标更加明确,内在动机增强,从而对物理学习和能力发展产生较大正向影响,因此学生在高三阶段的能力发展速度较快。

男女生的能力发展存在一定的性别差异。男生的模型建构能力的初始平均值都高于女生,但随着时间的推移,这种差距在慢慢缩小,最后趋于一致,甚至在某些维度上女生能反超男生。这说明男生在物理模型理解与应用方面的初始能力水平是相对高于女生的,但是经过高中的物理学习,女生能够不断进步并慢慢缩小这个差距。在物理学习方面,男生学习兴趣强、想象力丰富、思维敏捷且有深度,但学习习惯相对不良。女生学习习惯优良、自控能力强、思维缜密,但缺少灵活性和深度[8],且女生的空间想象能力相对于男生较弱。因此,女生在模型建构能力维度上的起始值较低,但能通过努力弥补自己的缺点。

从成绩分组来看,成绩排名靠前的学生始终处于较高的能力水平,且随着时间的推移也能一直维持这一水平。在模型建构能力的较低能力维度上,排名靠后的学生是能够通过学习有所提高的,但在较高层级的能力维度上,高中三年的学习对他们并没与显著的促进作用。成绩排名靠后的学生的学习兴趣和动力不足,自控力不强,导致他们在学习方面存在困难[9]。同时,高中物理对各种能力综合应用要求较高,这类学生缺乏有效的学习策略,学习的成效不好。因此,对于学习物理较为困难的学生,注重基础物理知识的学习和训练,培养他们的物理学习兴趣,这对他们模型建构能力发展具有较大促进作用。