侯新杰 李思雨

摘 要：為了解學(xué)生物理模型建構(gòu)能力的現(xiàn)狀，在研究科學(xué)建模能力理論的基礎(chǔ)上，建立物理建模能力維度，編制“高中生物理模型建構(gòu)能力問卷”，采用問卷法和訪談法，分析學(xué)生物理建模能力現(xiàn)狀.結(jié)合科學(xué)建模教學(xué)理論和學(xué)生物理建模能力現(xiàn)狀，提出培養(yǎng)高中生物理模型建構(gòu)能力的教學(xué)策略.

關(guān)鍵詞：高中生;物理模型建構(gòu)能力;現(xiàn)狀調(diào)查;培養(yǎng)策略

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）11-0002-04

目前，物理模型建構(gòu)能力已作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的要素之一納入《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，我國一些學(xué)者對高中生物理建模能力現(xiàn)狀開展了調(diào)查研究.但是，已有調(diào)查研究的維度劃分局限于單一的元建模知識或者建模過程，缺乏內(nèi)隱知識和外顯行為相結(jié)合的高中生物理建模能力現(xiàn)狀調(diào)查研究[1-2].本文基于科學(xué)建模能力理論，建立物理建模能力維度，編制“高中生物理模型建構(gòu)能力問卷”，對我國高中生物理建模能力的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)高中生在物理建模能力方面的薄弱環(huán)節(jié)，并針對現(xiàn)狀提出培養(yǎng)學(xué)生物理建模能力的教學(xué)策略，為高中物理建模教學(xué)提供指導(dǎo)和參考.

1 物理模型建構(gòu)能力維度的建立

物理模型建構(gòu)能力維度的建立分為兩步：一是通過分析有關(guān)科學(xué)建模過程理論確定物理建模過程;二是通過分析有關(guān)科學(xué)建模的能力結(jié)構(gòu)理論，結(jié)合所確立的物理建模過程，建立物理模型建構(gòu)能力維度.

Justi和Gilbert提出的科學(xué)建模過程有六個環(huán)節(jié)：選擇合適的研究對象、建立模型框架、確定唯一模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?、說明模型適用范圍及條件[3].Hestenes指出科學(xué)建模過程包括三個環(huán)節(jié)：模型的建立、模型的分析、模型的驗(yàn)證[4].REF_Ref20905＼r＼h根據(jù)Justi、Gilbert和Hestenes等學(xué)者有關(guān)科學(xué)建模過程理論，結(jié)合物理學(xué)科特點(diǎn)，物理建模過程可分為：第一步從所面對的物理情境中選擇恰當(dāng)?shù)难芯繉ο?第二步根據(jù)研究對象的狀態(tài)或過程，回顧已有知識是否有已知的物理模型與其相符，若有相符物理模型即可建立該模型框架，若無相符物理模型，則需將較復(fù)雜的實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)化成物理模型;第三步回顧所建立的物理模型的特征和適用條件，對比所面對的物理情境中的研究對象是否滿足該物理模型;第四步根據(jù)物理問題情境已知條件分析物理模型;第五步運(yùn)用建立的物理模型解決所面對的問題.上述物理建模過程如圖1所示.

臺灣學(xué)者Hung提出的建模能力層級條目模型理論是最典型的物理建模能力模型，包含選擇能力、構(gòu)建能力、驗(yàn)證能力、分析能力和應(yīng)用能力[4].REF_Ref20905＼r＼h Schwarz在其他學(xué)者提出的“建模實(shí)踐能力”基礎(chǔ)上，首次提出將“元知識”納入建模能力結(jié)構(gòu)中，從內(nèi)隱和外顯兩方面全面地建構(gòu)建模能力的框架，在國際建模能力結(jié)構(gòu)理論中最具影響力[5].REF_Ref19056＼r＼h根據(jù)Hung和Schwarz兩位學(xué)者有關(guān)科學(xué)建模的能力結(jié)構(gòu)理論，結(jié)合物理學(xué)科和物理建模過程的特點(diǎn)，物理建模能力可以劃分為物理元建模知識和物理建模實(shí)踐能力兩部分.其中，物理元建模知識是指學(xué)生對物理模型和物理建模本質(zhì)相關(guān)知識的認(rèn)識，包括物理模型的含義、本質(zhì)、效用和建模的目的.物理建模實(shí)踐能力包括正確選取研究對象的能力、物理模型的建立能力、驗(yàn)證能力、分析能力和物理模型的應(yīng)用能力，如圖2所示.

2 問卷編制及訪談設(shè)計(jì)

2.1 問卷編制

問卷依據(jù)本研究建立的物理模型建構(gòu)能力維度，選取人教版必修1和必修2的力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行編制.對物理元建模知識部分，考慮到高中生目前的認(rèn)知發(fā)展階段和本研究所要達(dá)到的調(diào)查目的，筆者采取客觀題的形式進(jìn)行命題，問卷第1題至第4題為單選題，分別對應(yīng)物理模型的含義、本質(zhì)、效用和物理建模的目的的考查.對物理建模實(shí)踐能力部分，為了展現(xiàn)學(xué)生物理建模的思維過程，采取主觀題的形式命題.每道題目可抽象為一個物理模型，物理建模實(shí)踐能力的各維度以五個子問題形式呈現(xiàn)，五個子問題分別考查學(xué)生正確選取研究對象的能力、物理模型建立的能力、驗(yàn)證的能力、分析的能力及應(yīng)用的能力，這樣能夠更清晰直觀地展現(xiàn)學(xué)生在每個維度的能力水平.結(jié)合測試題的編制原則，每道選擇題5分，每道主觀題20分，其中每個子問題4分，試卷滿分為100分，制定試題的雙向細(xì)目表（見表1）.本問卷共發(fā)放228份，回收有效問卷196份，回收率約為86.0%.對196份有效問卷進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其信度系數(shù)為0.814，效度系數(shù)為0.782，該問卷信度、效度良好.

2.2 訪談設(shè)計(jì)

為彌補(bǔ)調(diào)查問卷的不足，達(dá)到調(diào)查目的，豐富調(diào)查內(nèi)容，提高調(diào)查的適用度和可信度，本研究在對問卷數(shù)據(jù)及內(nèi)容分析后，設(shè)計(jì)訪談提綱.訪談提綱主要包括學(xué)生物理元建模知識、物理模型的學(xué)習(xí)習(xí)慣和物理建模實(shí)踐過程中所存在的困難等，見表2.

3 物理模型建構(gòu)能力現(xiàn)狀調(diào)查及分析

問卷結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與分析分為物理元建模知識和物理建模實(shí)踐能力兩個部分.物理元建模知識通過統(tǒng)計(jì)每道測試題各選項(xiàng)所占人數(shù)的百分比進(jìn)行分析;物理建模實(shí)踐能力通過統(tǒng)計(jì)各維度的平均分并結(jié)合學(xué)生答題的過程來分析.

3.1 物理元建模知識分析

物理元建模知識的各維度答題情況由表3可以了解.

3.1.1 關(guān)于物理模型的含義

31.6%的學(xué)生認(rèn)為物理模型是物理學(xué)中常用的解題方法;16.8%的學(xué)生認(rèn)為物理模型是現(xiàn)實(shí)生活中存在的實(shí)際物體;2.1%的學(xué)生認(rèn)為物理模型脫離生活實(shí)際，無意義.可見，約50%的學(xué)生對物理模型的含義有錯誤的認(rèn)識.

3.1.2 關(guān)于物理模型的本質(zhì)

31.6%的學(xué)生認(rèn)為“輕繩”不是物理模型;23.5%的學(xué)生認(rèn)為“勻加速直線運(yùn)動”不是物理模型，8.2%的學(xué)生認(rèn)為“無限長光滑斜面”不是物理模型.可見，學(xué)生在物理學(xué)習(xí)的過程中，只重視對物理概念及規(guī)律的學(xué)習(xí)，卻忽略了對物理模型本質(zhì)的理解.

3.1.3 關(guān)于物理模型的效用

24.5%的學(xué)生認(rèn)為物理模型的效用是成型的解題模式;15.8%的學(xué)生認(rèn)為物理模型的效用是容易套用公式;5.6%的學(xué)生認(rèn)為物理模型的效用是方便快捷.可見，由于學(xué)生對物理模型含義的錯誤認(rèn)識導(dǎo)致對物理模型的效用也有著曲解.

3.1.4 關(guān)于物理建模的目的

47.4%的學(xué)生認(rèn)為物理建模的目的是獲得解題方式;21.4%的學(xué)生認(rèn)為建立物理模型是為了簡化數(shù)學(xué)計(jì)算;4.2%的學(xué)生認(rèn)為建立物理模型是為了將物理形象地展示給初學(xué)者.可見，學(xué)生對于物理建模的目的缺乏正確的認(rèn)識.

3.2 物理建模實(shí)踐能力分析

物理建模實(shí)踐能力各維度的平均分如圖3所示，結(jié)合問卷中學(xué)生的作答思路可以了解到：

（1）學(xué)生整體上得分率很低，尤其是物理模型的應(yīng)用能力、分析能力和驗(yàn)證能力均處于較低水平.

（2）在選取研究對象時(shí)，從總體上看，大部分學(xué)生能夠正確選擇研究對象.在對得分較低學(xué)生的問卷進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一部分學(xué)生選擇的研究對象是“子彈的運(yùn)動”“照片曝光時(shí)間”“運(yùn)動員動能與勢能的變化”和“女運(yùn)動員的受力情況和運(yùn)動”.這部分學(xué)生不知道選取研究對象的意義，直接把待解決的問題當(dāng)作研究對象.

（3）在物理模型建立時(shí)，部分學(xué)生不能在實(shí)際物理情境中抓住主要因素，忽略次要因素;還有部分學(xué)生對物理情境分析有誤.

（4）在對物理模型驗(yàn)證時(shí)，學(xué)生對所建立的物理模型的特點(diǎn)以及適用條件并沒有清晰的認(rèn)知，建立物理模型之后并沒有去驗(yàn)證它的習(xí)慣，甚至一些學(xué)生在驗(yàn)證自己所建立的物理模型時(shí)，判斷自己建立的物理模型是錯誤的，但在解決問題時(shí)卻依然使用該模型，此表現(xiàn)說明學(xué)生在分析物理問題時(shí)不能簡化情境，深刻理解物理模型的本質(zhì)，只是形成了固定的解題套路.

（5）在對物理模型分析時(shí)，部分學(xué)生不能理解題目中給出的物理情境的意義，不能把物理情境中的物理量正確對應(yīng)到所建立的模型中而導(dǎo)致分析出錯.

（6）在應(yīng)用物理模型解決問題時(shí)，學(xué)生的數(shù)理結(jié)合能力較弱.知道運(yùn)用物理公式來解決問題，卻不能根據(jù)物理情境和數(shù)學(xué)工具建立它們之間的聯(lián)系.

3.3 訪談分析

對選取的20位學(xué)生訪談得到如下結(jié)論：

（1）對物理模型的含義的認(rèn)識模糊或空白，甚至對物理模型有著錯誤的觀念，不能很好地舉例說明.

（2）對物理建模的意義，學(xué)生普遍認(rèn)為建立物理模型是為了更方便地套用公式做題或應(yīng)對考試.

（3）學(xué)生沒有形成良好的物理模型學(xué)習(xí)習(xí)慣，大多數(shù)學(xué)生沒有對所學(xué)習(xí)的物理模型進(jìn)行總結(jié)與分類.

（4）學(xué)生在物理建模過程中存在的困難：一是物理模型建立過程中，學(xué)生不能將實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)化成物理模型;二是物理模型分析過程中，學(xué)生不能對問題情境中的已知量和未知量及所建立的物理模型進(jìn)行正確的分析;三是在物理模型應(yīng)用的過程中，學(xué)生不能正確選用相關(guān)物理規(guī)律，數(shù)學(xué)與物理的結(jié)合能力較弱.

4 培養(yǎng)策略

針對學(xué)生物理模型的建構(gòu)能力現(xiàn)狀及物理建模過程中存在的困難，筆者提出培養(yǎng)學(xué)生物理模型建構(gòu)能力的教學(xué)策略.

4.1 顯化物理建模知識，提升學(xué)生的物理元建模知識水平

學(xué)生之所以對物理模型的含義認(rèn)識模糊或錯誤，這是因?yàn)樵诮⑽锢砟Ｐ蜁r(shí)教師沒有明確其含義及建模目的，只是把它當(dāng)作一個概念來完成教學(xué)任務(wù)，因此在教學(xué)中應(yīng)注意對物理建模知識的顯化.

通過對物理建模知識的顯化，讓學(xué)生知道建立物理模型的目的、含義和本質(zhì)，從而提升學(xué)生的物理元建模知識水平，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解.

4.2 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與建模過程的結(jié)合，提高學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力

學(xué)生在面對生活中復(fù)雜的問題情境時(shí)，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來解決問題.因此，教師在教學(xué)中要注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)與建模過程的結(jié)合，直觀展現(xiàn)物理建模的過程，提高學(xué)生物理模型建立的能力.

以“自由落體運(yùn)動”模型的建立為例：首先，分別演示充有空氣和抽出空氣兩種情況下牛頓管中羽毛和金屬片的下落情況，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象讓學(xué)生產(chǎn)生問題意識，確定研究對象，為建立物理模型做準(zhǔn)備.接著，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到在不考慮空氣阻力的影響下，所有物體下落的快慢相同，建立物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動模型——自由落體運(yùn)動.最后，對建立的物理模型進(jìn)行分析，明確模型建立的本質(zhì)和模型的適用條件.

通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)與建模過程的結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析中建立物理模型，知道建模的本質(zhì)和模型的適用條件，有助于學(xué)生物理模型建立能力的提高.

4.3 重視原始物理問題解決，提高學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力

原始物理問題是指來源于自然界和社會現(xiàn)象中，未被加工的實(shí)際問題.與原始物理問題相對應(yīng)的抽象物理問題，是被研究者加工處理過的理想化物理問題.解決原始物理問題需要在實(shí)際情境中恰當(dāng)選取研究對象，建立合適的物理模型，將原始物理問題轉(zhuǎn)化為抽象的物理問題，再運(yùn)用物理規(guī)律和數(shù)學(xué)工具來完成.因此，原始物理問題的解決可以很好地提高學(xué)生的物理建模能力[6].REF_Ref23161＼r＼h

例如，壓力鍋的工作原理是利用橡皮圈密封鍋蓋增加鍋內(nèi)壓力，達(dá)到鍋內(nèi)水溫升高的目的.鍋蓋中間有一個小孔，在小孔上套一個金屬壓力錘.當(dāng)鍋內(nèi)氣壓升高到一定大小時(shí)，鍋內(nèi)蒸汽就會頂起壓力錘排放蒸汽，使鍋內(nèi)氣壓穩(wěn)定在一定范圍[7].

解決這道題的關(guān)鍵是在物理建模過程中恰當(dāng)選取研究對象.當(dāng)鍋內(nèi)氣壓升高到一定大小時(shí)，鍋內(nèi)蒸汽頂起壓力錘排放蒸汽，使鍋內(nèi)氣壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，在這個過程中，壓力錘的上下振動和轉(zhuǎn)動我們可以忽略不計(jì)，建立如圖4所示的壓力錘處于平衡狀態(tài)的條件模型.

選取平衡狀態(tài)的壓力錘為研究對象，此時(shí)壓力錘受到的鍋內(nèi)向上蒸汽的壓力等于它自身的重力與向下的大氣壓力之和，即：pS=p0S+mg，由此，我們可以得到壓力鍋內(nèi)氣壓大小為：p=p0+mg/s.

通過原始物理問題的解決，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會恰當(dāng)選取研究對象，簡化分析物理現(xiàn)象，進(jìn)而提高學(xué)生的物理建模能力.

例題2 圖5是某運(yùn)動員在我國蹦床比賽中的一個情景.運(yùn)動員的腳在接觸蹦床過程中，蹦床對運(yùn)動員的彈力F隨時(shí)間t的變化規(guī)律通過傳感器用計(jì)算機(jī)繪制出來，如圖6所示.求運(yùn)動員離開蹦床上升的最大高度.

首先，選取研究對象.依據(jù)問題情境，選取運(yùn)動員為研究對象，運(yùn)動員的大小和形狀對所研究的問題影響很小，可把運(yùn)動員看作質(zhì)點(diǎn);其次，簡化問題情境，忽略次要因素，構(gòu)建運(yùn)動模型，運(yùn)動員僅在豎直方向上運(yùn)動;然后，抓住主要因素，構(gòu)建物理模型.運(yùn)動員以一定初速度離開蹦床后只受重力，可以把運(yùn)動員離開蹦床上升到最大高度的過程看作勻減速直線運(yùn)動;最后，分析資料，對涉及的物理量賦值.一是運(yùn)動員離開蹦床上升到最大高度的時(shí)間：從圖5中可以看到從6.3s開始，圖像呈周期性變化，我們可以選擇任意一個周期來分析運(yùn)動員上升的最大高度，若選擇8.4s至11s這一周期，我們可以看到在9.4s至11s內(nèi)，運(yùn)動員對蹦床的壓力為0，即運(yùn)動員在9.4s離開蹦床11s時(shí)回到蹦床，用時(shí)1.6s，由運(yùn)動員上升和下落過程用時(shí)相等，可以得到運(yùn)動員離開蹦床上升到最大高度用時(shí)0.8s;二是運(yùn)動員做勻減速直線運(yùn)動的加速度，查閱資料，取重力加速約為9.8m/s2.這樣，一個完整的勻減速直線運(yùn)動的物理模型建立了起來，轉(zhuǎn)化成了抽象的物理問題，再根據(jù)相關(guān)物理公式，帶入相應(yīng)物理量即可解得運(yùn)動員離開蹦床上升的最大高度約為3.136m.

通過解決原始物理問題，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會在實(shí)際現(xiàn)象中簡化物理情境，抓住主要因素，忽略次要因素，建立合適的物理模型，有助于提高學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2021-03-02）