新高考背景下学生力学推理能力调查与培养策略

肖子鑫 朱广天 江丰光

(1. 华东师范大学教师教育学院,上海 200062; 2. 上海师范大学教育学院,上海 200234)

1 研究背景

2014年上海市和浙江省启动新高考改革,增加了学生选择科目的自主权,使得学生可以根据自身的兴趣和职业发展需要选择考试科目.与此同时,也带来了一些问题,比如:“放弃物理”、“田忌赛马”式选择考试科目等.选考物理的人数大幅下降,使得多数高中毕业生物理知识严重碎片化,没有形成初步的科学思维能力与科学精神.[1]在这种背景下,学生的力学推理能力如何?这种能力与选考科目是否有关?这些问题值得探讨.

2 研究方法

2.1 研究对象

选取某高校选修大学物理的上海和浙江考生为研究对象,均为大一新生,共计125人(表1).

表1 研究对象高考信息

2.2 研究工具

本文采用《力学推理测试》(Mechanics Reasoning Inventory,简称MRI).MRI是麻省理工学院用来评估学生力学推理能力的标准化工具.测试共计27题,每题1分,总分27分.这些题目不仅考查学生推理的结论,还考查推理的理由.涉及4个维度:相互作用;牛顿定律;动量、能量守恒和分解子问题．其中,分解子问题考查学生将复杂力学问题分解为简单问题的能力.图1所示为一道考查分解子问题的题目.

图1

从知识点分布和题目类型来看,MRI能够较为全面、客观测试学生的力学推理能力,具体如表2所示.

表2 测试内容对应题目表

在定量分析数据的基础上,我们还对部分一线教师和学生进行了访谈.

3 研究结果

3.1 力学推理能力总体分析

MRI总分27分,学生平均分16.1分,平均得分率59.6%,略低于及格线.说明学生的力学推理能力一般.这与潘苏东团队(2020)对沪、浙两省市高中生科学素养调查结果相似:两省市科学素养总体水平一般,科学思维更是短板.[2]由于各维度题目数量不同,故统计得分率,具体如表3.

表3 力学推理能力各维度得分率

由表3可知,学生在动量、能量守恒维度的得分最低.下面是与一位上海物理教师的部分访谈记录: “我平时开展教学工作会关注一本书…书名叫《上海市高中物理学科教学基本要求》.这本书规定了我们学校老师平时授课的难度上限,超出要求的我们不会教,学生也不会学.现在书中完全不涉及动量守恒,而且对能量守恒的要求也在降低.”

上海考生高中阶段没有学过动量守恒是该维度得分较低的主要原因.动量守恒是三大守恒定律之一,适用范围比牛顿定律更为广泛.我们建议有条件的学校开展动量守恒的教学,不仅有利于学生形成守恒观念,也有助于培养他们的科学思维.

3.2 力学推理能力各维度相关性分析

对力学推理能力四个维度得分进行相关性分析,如表4所示.

表4 各维度相关性分析

** 表示在0.01水平显著(双侧)

相互作用,牛顿定律和动量、能量守恒三个维度之间相关系数较低而且不显著.而这三个维度与分解子问题维度之间相关系数相对较高而且均显著.其中动量、能量守恒维度与分解子问题的相关系数最大.分解子问题的能力对解决综合力学问题至关重要.高中力学典型问题,比如“传送带模型”和“滑块-滑板模型”,都要求学生能够正确分解子问题,分过程应用物理原理,才能解决问题.要想提高学生分解子问题的能力,在保证一定练习的同时,还要重点培养其它维度能力,才能突破力学推理的“天花板”.

3.3 考查推理结论和推理理由题目的得分差异

MRI中每个维度都有考察推理结论和理由的题目.如图2所示,纵坐标代表得分率,黑色代表考查推理结论的题目,白色代表考查推理理由的题目.

图2 各维度考查结论和理由题目的得分率差异

理论上学生只要能推理出结论,就可以正确选择理由.然而从图2可以看出:在相互作用和动量、能量守恒两个维度考查结论和理由的题目得分率差异较大;而在牛顿定律和分解子问题两个维度几乎没有差异.考查相互作用的5-6题如图3所示.

图3

笔者查阅相关高中试题发现: (1) 涉及相互作用的题目,考查重点是最终结论,通常不会考查学生选择分析方法的理由.部分学生可以通过记忆“常考模型”达到快速解题的目的; (2) 涉及动量、能量守恒的题目,学生通常也不需要判断是否守恒.重点在于将物理情境转化为数学方程求解.故学生对守恒的条件掌握不佳; (3) 牛顿定律很少单独考查,通常作为解题工具与其它知识点结合命题.学生必须根据实际情境先正确选择具体的牛顿定律(第二或第三)之后,才能列方程; (4) 分解子问题的能力主要在力学综合计算题中考查.如果学生不能正确选择每个子问题涉及的物理原理,就很难得到正确的分解结论.所以在前两个维度考查推理结论和理由的题目得分率差异较大,后两个维度则几乎没有差异.

以上因素共同导致在同一情境中两种命题方式的差异,反映了部分学生在推理时常用直觉思维或者在课上习得的相似结论进行推理,没有形成从情境本身出发进行推理.这与张轶炳等人(2011)的研究结果相似,即当前的教育理念和方式强调学生得出结论的能力,却忽略了学生收集证据,归纳演绎的能力.[3]近年来,高考试题注重考查对学生起到基础性和支撑性的知识,[4]在日常教学中教师可以命制一些考查推理理由的题目检测学生是否真正习得知识.

3.4 选考科目与力学推理能力的关系

物理、化学和生物是传统的理科科目.由于样本来自“大学物理”课堂,每位学生至少选考一门理科科目．选考理科科目数量与得分率的关系如表5所示.

表5 选考理科科目数量与得分率的关系

注:样本中没有学生选考浙江高考的“通用技术”

选修理科科目数量越多的学生得分越高,力学推理能力越强,而且彼此之间差异较大.由于大多数学生选择两门理科科目,下面进一步分析选考两门理科科目学生的得分情况(表6).

表6 不同选考组合与得分率的关系

选择3种组合的人数相近,其中“物理+生物”得分最高,“生物+化学”最低.“物理+生物”与“生物+化学”的得分有显著性差异(p=0.001),其它组合之间没有显著性差异.

“生物+化学”组合得分较低的原因可能是:这些学生未选考物理,物理的课时量和师生的重视程度均下降.他们的物理知识相对是零散的、碎片化的,导致力学推理能力较差.“物理+生物”得分最高,很多师生认为这种组合风险小易获高分,而且专业选择范围大.[2]因此,学校会鼓励成绩优异的学生选择“物理+生物”组合来保证升学率.由于课程难度等因素,“物理+化学”被戏称为“魔鬼”组合.从理论上看,物理化学组合学生的力学推理能力应该不低于物理生物组合,而实际上却比物理生物组合低.下面是与上海某学校年级主任的部分访谈记录: “在我们学校,选考“物理+化学”大致有三类学生: (1) 对物理化学两个学科均有兴趣的学生; (2) 不喜欢记忆但是数理基础还不错的学生,因为生物需要记忆的知识点相对较多; (3) 还有就是后进生,老师和家长对他们的关注度不够,他们自己也不在意选考的科目.”

结合访谈记录和表6的标准差可知:与其它组合相比,选考物理化学的学生成绩两极分化较为明显.这些因素共同导致“物理+化学”组合学生的力学推理能力低于“物理+生物”组合.

4 培养策略

根据研究结果,培养策略和建议如下.

教师应该通过多个维度联动培养学生的力学推理能力.分解子问题能力是解决复杂力学问题的关键.这种能力与其它维度能力显著相关.教师应当深入了解学生的短板维度,有针对性的教学,而不是单纯的题海战术.在本研究选取的被试中,动量、能量守恒维度得分较低,很大程度限制了他们的力学推理能力.

教师要注重培养学生收集证据、归纳演绎的能力.本文结果反映出部分学生主要从课上习得的结论和过往的解题经验出发进行推理,而不是从情境本身提供的信息出发将其进行正确的表征.教师在日常教学时,尽可能避免直接将结论告诉学生.在物理概念和规律的教学中,教师可以采取多种教学方法,如启发式教学和探究式教学.让学生亲自经历物理概念和规律的建构过程,使学生“知其然,更要知其所以然”.

科学引导学生选择高考科目.新高考的政策导向是促进学生个性化发展,当前功利化的色彩较为严重.学校不应该片面追求升学率而忽视学生的兴趣需要,可以开设一些讲座和职业规划课程使学生充分了解自身情况和社会需要,进而合理选择考试科目.充分发挥学生的自主性,培养学生的创新实践能力和社会责任感.