高中生科学思维培养的现状调查与分析①

黄皓燕 刘孝琪

(江苏省南京市金陵中学,江苏 南京 210005)

1 问题的提出

《普通高中物理课程标准(2017年版)》(以下简称课程标准)指出:物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。课程标准将科学思维能力划分为5级水平,给出了学业质量水平描述。根据课程标准编写的新教材从2019年起逐步在全国推广使用。本研究根据课程标准对科学思维的水平划分、教学建议及评价建议设计问卷,调查高中学生科学思维水平的现状,以了解课程标准实施后,学生科学思维水平的发展情况,并提出教学建议。

2 调查对象

调查对象为南京市金陵中学、南京市宁海中学、南京大学附属中学的高一、高二选修物理科目的学生,这三所学校均为“四星高中”,调查时间均是学年末。共收回1525份有效问卷,其中高一年级学生的有效问卷800份,高二年级学生的有效问卷725份。

3 学生调查问卷的设计

3.1 学生调查问卷的结构

本问卷共有25道题,其中1～3题为多选题,4～25题为单选题,分别从科学思维的4个要素及其子维度进行内容设计,其中模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新分别有3、6、2、2个子维度。

3.2 问卷信度分析

问卷中22道单选题均采用5等级计分法:A(非常不同意,1分)、B(不同意,2分)、C(不确定,3分)、D(同意,4分)、E(非常同意,5分)。

我们对问卷采用Cronbach的Alpha表测量数据的内在一致性信度,整个问卷内在一致性信度α=0.931。α≥0.9时,信度相关性非常好,可见整卷内在一致性信度良好。

4 调查结果分析

4.1 “模型建构”要素子维度调查情况

4.1.1 “物理模型”认知情况

第1题：(多选)你觉得以下哪些是物理模型?

A. 质点 B. 光滑斜面 C. 点电荷 D. 平抛运动 E. 匀强磁场 F. 匀速直线运动状态 G. 弹性碰撞 H. 电场线 I. 光的干涉与衍射 J. 原子核式结构模型 K. 单摆 L. 以上没有物理模型。

调查目的：了解学生对常见物理模型的认识,考虑到高一、高二学生学习内容不同,所以,高一年级设置了A～H选项,高二年级增加了I～L选项。

图1为题1调查情况的柱状图。高一学生选择“质点”“点电荷”“电场线”“匀强磁场”的比例分别为:80.63%、77.88%、78.63%、51.63%,说明学生对物理模型的整体掌握较好,选择匀强磁场是物理模型的明显少一些,只有51.63%,此时高一学生只学了必修三第十三章《电磁感应与电磁波初步》的第1节“磁场 磁感线”,还没有较好地认识匀强磁场模型。学生选择“平抛运动”“匀速直线运动”“弹性碰撞”的比例分别为:37.88%、27.63%、39%,表明高一、高二学生对于物理过程模型的认知较差,可能和教学中教师不特别强调有关。对条件模型的认识主要设置了“光滑斜面”选项,64.38%的同学选择了“光滑斜面”为物理模型。

图1

对于高二年级增加的部分,选择“光的干涉与衍射”“原子核式结构模型”“单摆”的比例分别为:21.52%、78.48%、61.38%,整体也是明显好于对其他模型的认识。选择“光的干涉与衍射”的比例为21.52%,比例最低,可能有些教师也不会强调“光的干涉与衍射”是过程模型。对“质点”“点电荷”“电场线”的认知,高一学生比高二学生要稍好些,可能是高二学生对高一年级学习的内容有些遗忘,对“光滑斜面”的认知,高二学生好一些,可能是因为光滑斜面在高二年级的学习内容(磁场、电磁感应)中有所涉及。另外,高二年级增加了“L.以上没有物理模型”选项,有3.59%的学生对物理模型没有印象。

4.1.2 “模型建构”要素子维度得分情况

表1呈现了“模型建构”要素各子维度的平均分以及标准差。两个年级的学生“建模意识”子维度的均分都在4分以上,中数和众数均为4;“建模能力”子维度的均分分别为3.91和3.88,比较接近4分,中数和众数也均为4,说明学生比较认可自己的模型建构意识,建模能力则稍弱些。“模型教学”子维度两个年级的均分分别为4.17、4.18,是得分最高的,说明教师重视模型教学,并得到同学们的认可。高一、高二学生“模型建构”素养的总均分为4.00和4.01,中数和众数均为4,可以看出学生的“模型建构”能力较强。高二学生的建模意识稍强于高一学生,但建模能力却稍弱于高一学生,整体水平相当。

表1

4.2 “科学推理”要素子维度调查分析

表2呈现了“科学推理”要素中各子维度的平均分以及标准差。可以看出高一、高二学生在其中三个子维度的平均分均高于4分,中数和众数均为4。如在学生学习了匀变速直线运动后,很自然地会运用匀变速直线运动的特点来分析自由落体运动,能在新的情境中对综合性物理问题进行分析和推理,获得正确结论并作出解释。高一、高二学生在“归纳推理”“物理研究方法”子维度的平均分均低于4分,说明学生在物理研究方法的认识和应用方面还需要加强。

表2

4.3 “科学论证”要素子维度调查分析

表3呈现了“科学认证”要素中各子维度的平均分以及标准差,所有子维度的中数和众数均为4,高一、高二、学生的“论证意识”比“评估能力”得分均高一些。在两个子维度上高一学生均稍强于高二学生。

表3

4.4 “质疑创新”要素子维度调查分析

4.4.1 “质疑创新”要素子维度得分情况

表4呈现了“质疑创新”要素中各子维度的平均分以及标准差,两个子维度的中数和众数均为4,平均分都没有达到4分。对于高中生而言,“质疑创新”要素确实是较高的要求,可能与我们的教育中对学生质疑能力的重视不够有关,与教材、老师的权威地位也有关。

表4

4.4.2 “创新意识”情境题调查分析

第3题：在探究摩擦力与压力关系时,你是否对用手拉动弹簧测力计使物体匀速运动的方法产生过质疑,并想办法去改进实验?

A. 我想过并提出了更好的解决方案

B. 我想过并提出了自己的解决方案

C. 想过,但想不出解决方案

D. 想过这个问题

E. 书上的都是对的

图2为本题调查结果的柱状分析图,选择A和B选项的高一学生共有54.25%,高二学生共有43.59%,说明近一半的同学有质疑能力,并能提出自己解决问题的方案。高一学生中有6.00%、高二学生中有11.45%选择了E选项,说明还是有少数同学在机械地学习物理。选择A和B选项的高一学生比高二学生多10.66%,选择E选项的高一学生比高二学生少5.45%,可能的原因是:(1) 这是高中物理必修第一册的演示实验,是高一上学期的学习内容,高二学生遗忘度相对高些;(2) 高二学生的学习难度加大,学生的自信心不足。

图2

4.5 科学思维四个要素调查分析

“科学思维”四要素得分情况如图3所示,可见:“模型建构”要素得分最高(高一4分、高二4.01分),“质疑创新”要素得分最低(高一3.85分、高二3.74分)。对于“科学推理”“科学论证”“质疑创新”要素,高二学生的得分均稍低于高一学生的得分。

图3

5 调查结果与分析

5.1 调查结果

(1) 通过对3所学校学生的调查,结果表明:学生的科学思维能力较强,说明课程标准对科学思维的要求及2019年版教材有利于学生思维能力的培养。

(2) 对高一、高二学生科学思维现状调查的结果进行对比,高一和高二学生的科学思维能力相当,高二学生的科学思维能力比高一学生略低。

5.2 高二学生科学思维能力略低的原因分析

(1) 高一年级的学习难度低于高二年级,同时高二学习内容主要是电学和近代物理,学习内容难度更大、更抽象,部分高二学生产生了畏难情绪。

(2) 接受调查的高二学生是使用2019年版教材的第一届,教师也是第一次教,调查的高一学生是使用该教材的第二届,教师在上一届探索的基础上,通过教研交流等加深了对新课标、新教材的理解,能更好地培养学生的科学思维能力。

6 教学建议

6.1 重视科学思维能力的培养

以学生对模型的认识为例,第1题中12种模型都是常见的,高中学习的第一个物理模型是“质点”,课本上对这一模型进行了详细的介绍,是学生选择最多的,但高一学生选择的比例只有80.63%,高二学生还有3.59%的学生认为“以上没有物理模型”。“质点”作为高中物理中第一个物理模型,老师一定是重点讲解和说明的,所以给学生留下了深刻的印象,至于后面的部分模型,可能在新授课时没有特别强调,靠学生自己领会模型毕竟是困难的。其他三个要素学生的认可度均低于“模型建构”要素,所以在教学中我们要充分重视科学思维能力的培养,同时也要发挥学生的主观能动性,引导学生自主建构模型、提升科学思维能力。

6.2 物理教师要提升自身的教学能力

科学思维培养的主阵地是课堂,学生最认可的培养科学推理的有效方式是“物理问题解决过程中对思维的引导”,教师应充分认识到:教学不能仅仅围绕应试或解题,更要关注对学生思维的引领,提升自己的教学研究能力,课堂才能成为启迪学生思维的生态场域。