高中生物理模型建构能力的现状调查及培养策略

侯新杰 李思雨

摘 要：为了解学生物理模型建构能力的现状，在研究科学建模能力理论的基础上，建立物理建模能力维度，编制“高中生物理模型建构能力问卷”，采用问卷法和访谈法，分析学生物理建模能力现状.结合科学建模教学理论和学生物理建模能力现状，提出培养高中生物理模型建构能力的教学策略.

关键词：高中生;物理模型建构能力;现状调查;培养策略

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）11-0002-04

目前，物理模型建构能力已作为培养学生科学思维的要素之一纳入《普通高中物理课程标准（2017年版）》，我国一些学者对高中生物理建模能力现状开展了调查研究.但是，已有调查研究的维度划分局限于单一的元建模知识或者建模过程，缺乏内隐知识和外显行为相结合的高中生物理建模能力现状调查研究[1-2].本文基于科学建模能力理论，建立物理建模能力维度，编制“高中生物理模型建构能力问卷”，对我国高中生物理建模能力的现状进行调查，发现高中生在物理建模能力方面的薄弱环节，并针对现状提出培养学生物理建模能力的教学策略，为高中物理建模教学提供指导和参考.

1 物理模型建构能力维度的建立

物理模型建构能力维度的建立分为两步：一是通过分析有关科学建模过程理论确定物理建模过程;二是通过分析有关科学建模的能力结构理论，结合所确立的物理建模过程，建立物理模型建构能力维度.

Justi和Gilbert提出的科学建模过程有六个环节：选择合适的研究对象、建立模型框架、确定唯一模型、检验模型、说明模型适用范围及条件[3].Hestenes指出科学建模过程包括三个环节：模型的建立、模型的分析、模型的验证[4].REF_Ref20905＼r＼h根据Justi、Gilbert和Hestenes等学者有关科学建模过程理论，结合物理学科特点，物理建模过程可分为：第一步从所面对的物理情境中选择恰当的研究对象;第二步根据研究对象的状态或过程，回顾已有知识是否有已知的物理模型与其相符，若有相符物理模型即可建立该模型框架，若无相符物理模型，则需将较复杂的实际问题中的对象和过程转化成物理模型;第三步回顾所建立的物理模型的特征和适用条件，对比所面对的物理情境中的研究对象是否满足该物理模型;第四步根据物理问题情境已知条件分析物理模型;第五步运用建立的物理模型解决所面对的问题.上述物理建模过程如图1所示.

台湾学者Hung提出的建模能力层级条目模型理論是最典型的物理建模能力模型，包含选择能力、构建能力、验证能力、分析能力和应用能力[4].REF_Ref20905＼r＼h Schwarz在其他学者提出的“建模实践能力”基础上，首次提出将“元知识”纳入建模能力结构中，从内隐和外显两方面全面地建构建模能力的框架，在国际建模能力结构理论中最具影响力[5].REF_Ref19056＼r＼h根据Hung和Schwarz两位学者有关科学建模的能力结构理论，结合物理学科和物理建模过程的特点，物理建模能力可以划分为物理元建模知识和物理建模实践能力两部分.其中，物理元建模知识是指学生对物理模型和物理建模本质相关知识的认识，包括物理模型的含义、本质、效用和建模的目的.物理建模实践能力包括正确选取研究对象的能力、物理模型的建立能力、验证能力、分析能力和物理模型的应用能力，如图2所示.

2 问卷编制及访谈设计

2.1 问卷编制

问卷依据本研究建立的物理模型建构能力维度，选取人教版必修1和必修2的力学内容进行编制.对物理元建模知识部分，考虑到高中生目前的认知发展阶段和本研究所要达到的调查目的，笔者采取客观题的形式进行命题，问卷第1题至第4题为单选题，分别对应物理模型的含义、本质、效用和物理建模的目的的考查.对物理建模实践能力部分，为了展现学生物理建模的思维过程，采取主观题的形式命题.每道题目可抽象为一个物理模型，物理建模实践能力的各维度以五个子问题形式呈现，五个子问题分别考查学生正确选取研究对象的能力、物理模型建立的能力、验证的能力、分析的能力及应用的能力，这样能够更清晰直观地展现学生在每个维度的能力水平.结合测试题的编制原则，每道选择题5分，每道主观题20分，其中每个子问题4分，试卷满分为100分，制定试题的双向细目表（见表1）.本问卷共发放228份，回收有效问卷196份，回收率约为86.0%.对196份有效问卷进行数据统计分析，其信度系数为0.814，效度系数为0.782，该问卷信度、效度良好.

2.2 访谈设计

为弥补调查问卷的不足，达到调查目的，丰富调查内容，提高调查的适用度和可信度，本研究在对问卷数据及内容分析后，设计访谈提纲.访谈提纲主要包括学生物理元建模知识、物理模型的学习习惯和物理建模实践过程中所存在的困难等，见表2.

3 物理模型建构能力现状调查及分析

问卷结果的统计与分析分为物理元建模知识和物理建模实践能力两个部分.物理元建模知识通过统计每道测试题各选项所占人数的百分比进行分析;物理建模实践能力通过统计各维度的平均分并结合学生答题的过程来分析.

3.1 物理元建模知识分析

物理元建模知识的各维度答题情况由表3可以了解.

3.1.1 关于物理模型的含义

31.6%的学生认为物理模型是物理学中常用的解题方法;16.8%的学生认为物理模型是现实生活中存在的实际物体;2.1%的学生认为物理模型脱离生活实际，无意义.可见，约50%的学生对物理模型的含义有错误的认识.

3.1.2 关于物理模型的本质

31.6%的学生认为“轻绳”不是物理模型;23.5%的学生认为“匀加速直线运动”不是物理模型，8.2%的学生认为“无限长光滑斜面”不是物理模型.可见，学生在物理学习的过程中，只重视对物理概念及规律的学习，却忽略了对物理模型本质的理解.

3.1.3 关于物理模型的效用

24.5%的学生认为物理模型的效用是成型的解题模式;15.8%的学生认为物理模型的效用是容易套用公式;5.6%的学生认为物理模型的效用是方便快捷.可见，由于学生对物理模型含义的错误认识导致对物理模型的效用也有着曲解.

3.1.4 关于物理建模的目的

47.4%的学生认为物理建模的目的是获得解题方式;21.4%的学生认为建立物理模型是为了简化数学计算;4.2%的学生认为建立物理模型是为了将物理形象地展示给初学者.可见，学生对于物理建模的目的缺乏正确的认识.

3.2 物理建模实践能力分析

物理建模实践能力各维度的平均分如图3所示，结合问卷中学生的作答思路可以了解到：

（1）学生整体上得分率很低，尤其是物理模型的应用能力、分析能力和验证能力均处于较低水平.

（2）在选取研究对象时，从总体上看，大部分学生能够正确选择研究对象.在对得分较低学生的问卷进行分析时，发现有一部分学生选择的研究对象是“子弹的运动”“照片曝光时间”“运动员动能与势能的变化”和“女运动员的受力情况和运动”.这部分学生不知道选取研究对象的意义，直接把待解决的问题当作研究对象.

（3）在物理模型建立时，部分学生不能在实际物理情境中抓住主要因素，忽略次要因素;还有部分学生对物理情境分析有误.

（4）在对物理模型验证时，学生对所建立的物理模型的特点以及适用条件并没有清晰的认知，建立物理模型之后并没有去验证它的习惯，甚至一些学生在验证自己所建立的物理模型时，判断自己建立的物理模型是错误的，但在解决问题时却依然使用该模型，此表现说明学生在分析物理问题时不能简化情境，深刻理解物理模型的本质，只是形成了固定的解题套路.

（5）在对物理模型分析时，部分学生不能理解题目中给出的物理情境的意义，不能把物理情境中的物理量正确对应到所建立的模型中而导致分析出错.

（6）在应用物理模型解决问题时，学生的数理结合能力较弱.知道运用物理公式来解决问题，却不能根据物理情境和数学工具建立它们之间的联系.

3.3 访谈分析

对选取的20位学生访谈得到如下结论：

（1）对物理模型的含义的认识模糊或空白，甚至对物理模型有着错误的观念，不能很好地举例说明.

（2）对物理建模的意义，学生普遍认为建立物理模型是为了更方便地套用公式做题或应对考试.

（3）学生没有形成良好的物理模型学习习惯，大多数学生没有对所学习的物理模型进行总结与分类.

（4）学生在物理建模过程中存在的困难：一是物理模型建立过程中，学生不能将实际问题中的对象和过程转化成物理模型;二是物理模型分析过程中，学生不能对问题情境中的已知量和未知量及所建立的物理模型进行正确的分析;三是在物理模型应用的过程中，学生不能正确选用相关物理规律，数学与物理的结合能力较弱.

4 培养策略

针对学生物理模型的建构能力现状及物理建模过程中存在的困难，笔者提出培养学生物理模型建构能力的教学策略.

4.1 显化物理建模知识，提升学生的物理元建模知识水平

学生之所以对物理模型的含义认识模糊或错误，这是因为在建立物理模型时教师没有明确其含义及建模目的，只是把它当作一个概念来完成教学任务，因此在教学中应注意对物理建模知识的显化.

通过对物理建模知识的显化，让学生知道建立物理模型的目的、含义和本质，从而提升学生的物理元建模知识水平，促进学生对科学本质的理解.

4.2 加强实验教学与建模过程的结合，提高学生的物理模型建构能力

学生在面对生活中复杂的问题情境时，不能抓住主要因素而忽略次要因素，不知道如何建立物理模型来解决问题.因此，教师在教学中要注重实验教学与建模过程的结合，直观展现物理建模的过程，提高学生物理模型建立的能力.

以“自由落体运动”模型的建立为例：首先，分别演示充有空气和抽出空气两种情况下牛顿管中羽毛和金属片的下落情况，通过实验现象让学生产生问题意识，确定研究对象，为建立物理模型做准备.接着，引导学生分析实验现象，得到在不考虑空气阻力的影响下，所有物体下落的快慢相同，建立物体只在重力作用下从静止开始下落的运动模型——自由落体运动.最后，对建立的物理模型进行分析，明确模型建立的本质和模型的适用条件.

通过实验教学与建模过程的结合，引导学生在对实验现象的分析中建立物理模型，知道建模的本质和模型的适用条件，有助于学生物理模型建立能力的提高.

4.3 重视原始物理问题解决，提高学生的物理模型建构能力

原始物理问题是指来源于自然界和社会现象中，未被加工的实际问题.与原始物理问题相对应的抽象物理问题，是被研究者加工处理过的理想化物理问题.解决原始物理问题需要在实际情境中恰当选取研究对象，建立合适的物理模型，将原始物理问题转化为抽象的物理问题，再运用物理规律和数学工具来完成.因此，原始物理问题的解决可以很好地提高学生的物理建模能力[6].REF_Ref23161＼r＼h

例如，压力锅的工作原理是利用橡皮圈密封鍋盖增加锅内压力，达到锅内水温升高的目的.锅盖中间有一个小孔，在小孔上套一个金属压力锤.当锅内气压升高到一定大小时，锅内蒸汽就会顶起压力锤排放蒸汽，使锅内气压稳定在一定范围[7].

解决这道题的关键是在物理建模过程中恰当选取研究对象.当锅内气压升高到一定大小时，锅内蒸汽顶起压力锤排放蒸汽，使锅内气压稳定在一定范围内，在这个过程中，压力锤的上下振动和转动我们可以忽略不计，建立如图4所示的压力锤处于平衡状态的条件模型.

选取平衡状态的压力锤为研究对象，此时压力锤受到的锅内向上蒸汽的压力等于它自身的重力与向下的大气压力之和，即：pS=p0S+mg，由此，我们可以得到压力锅内气压大小为：p=p0+mg/s.

通过原始物理问题的解决，引导学生学会恰当选取研究对象，简化分析物理现象，进而提高学生的物理建模能力.

例题2 图5是某运动员在我国蹦床比赛中的一个情景.运动员的脚在接触蹦床过程中，蹦床对运动员的弹力F随时间t的变化规律通过传感器用计算机绘制出来，如图6所示.求运动员离开蹦床上升的最大高度.

首先，选取研究对象.依据问题情境，选取运动员为研究对象，运动员的大小和形状对所研究的问题影响很小，可把运动员看作质点;其次，简化问题情境，忽略次要因素，构建运动模型，运动员仅在竖直方向上运动;然后，抓住主要因素，构建物理模型.运动员以一定初速度离开蹦床后只受重力，可以把运动员离开蹦床上升到最大高度的过程看作匀减速直线运动;最后，分析资料，对涉及的物理量赋值.一是运动员离开蹦床上升到最大高度的时间：从图5中可以看到从6.3s开始，图像呈周期性变化，我们可以选择任意一个周期来分析运动员上升的最大高度，若选择8.4s至11s这一周期，我们可以看到在9.4s至11s内，运动员对蹦床的压力为0，即运动员在9.4s离开蹦床11s时回到蹦床，用时1.6s，由运动员上升和下落过程用时相等，可以得到运动员离开蹦床上升到最大高度用时0.8s;二是运动员做匀减速直线运动的加速度，查阅资料，取重力加速约为9.8m/s2.这样，一个完整的匀减速直线运动的物理模型建立了起来，转化成了抽象的物理问题，再根据相关物理公式，带入相应物理量即可解得运动员离开蹦床上升的最大高度约为3.136m.

通过解决原始物理问题，引导学生学会在实际现象中简化物理情境，抓住主要因素，忽略次要因素，建立合适的物理模型，有助于提高学生的物理模型建构能力.

参考文献：

[1]吕娜.喀什市高中维汉双语生物理建模能力现状调查[D].喀什：喀什大学，2017.

[2]耿娜.高一学生物理模型应用现状调查研究[D].兰州：西北师范大学，2018.

[3]Justi，R.S.，Gilbert，J.K.Modelling，teachers' views on the nature of modelling，and implications for the education of modellers[J].International Journal of Science Education，2002，24（04）：369-387.

[4]翟小銘，郭玉英.科学建模能力评述：内涵、模型及测评[J].教育学报，2015，11（06）：75-82+106.

[5]Schwarz，C.，White，B.Metamodeling knowledge： developing studentsunde- rstanding of scientific modeling[J].Cognition and Instruction，2005，23 （02）：165-205.

[6]柳舒红，郭纪萌.运用原始物理问题培养高中生物理建模能力[J].福建基础教育研究，2011（11）：70-71.

[7]侯新杰，李冬青.初中生解决原始物理问题的思维障碍及改善策略[J].教学月刊·中学版（教学参考），2019（11）：48-52.

（收稿日期：2021-03-02）