2003版與2017版物理課程標準中物理模型及建模的比較研究

任佩璐 張兵榮

(1. 華東師范大學教師教育學院,上海 200333; 2. 華東師范大學第二附屬中學,上海 201203)

自20世紀80年代科學建模教學理論誕生以來,科學模型及建模作為人們理解世界的重要途徑,受到了廣泛關注.翟小銘學者[1]通過對2005年至2015年間國際物理教育研究熱點分析發現,“建模與模型”在熱點主題詞中高居榜首,成為近年來最受物理教育界關注的熱點之一.科學建模教學理論提出者海斯特斯(Hestenes)指出“物理研究(學習)的過程即是對自然世界建模的過程”,[2]明確將物理與建模關聯起來,體現模型教學對育人的重要價值.在21世紀核心素養導向下,注重在真實情境中培養學生解決問題的真實能力,建模能力作為從情境問題中提煉出物理問題的關鍵一環,成為核心素養中科學思維的重要組成部分.物理模型與建模在物理學科教學中的價值不言而喻.

《課程標準》作為各個國家指導教育教學開展的核心課程文件之一,也從多維度不同程度上體現出重視建模能力的趨勢,是國家對國民物理建模能力發展重視程度的映射,為實際物理教學中建模素養的培養提出明確的要求、發展的導向和實施的路徑.

新修訂的《普通高中物理課程標準(2017版)》(以下簡稱“17版課標”)從多個方面體現了建模教育．[3]在“課程性質與理念”的論述中,相比于2003版《普通高中物理課程標準(實驗)》(以下簡稱“03版課標”)[4]沒有明確提出模型和建模能力,17版課標明確提出“物理學基于觀察和實驗、建構物理模型、……形成系統的研究方法和理論體系”.將建模作為物理學習的關鍵步驟和重要能力的同時,也揭示了物理研究本身具有模型本質和模型化過程屬性,將物理模型及建模從單純的方法拔高到了物理本質層面.在“課程目標”的論述中,相較于03版課標對模型及建模的描述集中體現在“過程與方法”層面,將物理模型定位為一種研究方法,對建模能力的要求為“認識”,17版課標明確將模型建構作為“科學思維”的要素之一,提出“科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式;是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程……”同時對物理模型的要求也轉變為“建構”以及更高層次的目標,凸顯了我國對物理建模能力的定位更加準確,要求更加深刻.

“課程內容標準”以模塊和條目的形式對高中物理課程內容的要求做了細致地闡述．本文將重點通過文本分析法從“內容維度”和“能力層次”兩方面縱向對比17版課標與03版課標“課程內容標準”中模型及建模相關內容,據此分析建模教學在我國物理教育中的發展趨勢及前進方向．

1 理論分析框架

本研究從“內容維度”以及“能力層次”兩個層面建構了建模能力二維分析框架,分析兩版課程標準的模型與建模相關內容的廣度與深度.

1.1 建模能力的內容維度

建模貫穿物理問題解決的全過程,其涉及的建模能力也包含了多個內容維度．我國臺灣高雄大學學者Jeng-Fung Hung提出的層級條目模型是典型的基于過程性視角的建模能力模型.[5]其將建模能力分為模型的選擇、構建、驗證、分析和應用5個維度,并進一步細分出相關的要素.其具體的建模能力結構模型如圖1所示.本文以該層級條目模型作為建模能力的內容分析維度.

圖1 建模能力分類

1.2 建模能力層次

在各個維度上,在對建模能力層次的劃分上,本文參考遼寧師范大學袁媛、朱寧波學者[6]基于SOLO分類評價理論對高中生建模能力的分層,根據所涉及物理模型的信息數量及關系形成進階式的4水平,分別對應于SOLO分類評價理論的“單點結構”、“多點結構”、“關聯結構”和“拓展抽象結構”，如表1所示.

表1 基于SOLO分類評價理論的物理模型思維能力層級

2 “內容標準”中的建模內容條目分析

17版課標繼承了03版課標內容模塊化的特點,共分為必修1～3,選擇性必修1～3以及選修1～3共9個模塊,其中必修1～3以及選擇性必修1～3與03版課標中物理1、2,選修3-1(選修1-1)以及選修3-2至選修3-5內容是大致相當的,因此本文選取這兩部分對比其中與建模相關的內容．

從建模的內容維度和水平層次分別對03版和17版課標教學內容中的模型與建模相關的條目進行梳理,并對內容進行雙向分析，如表2所示.

表2 基于03版和17版課標中課程內容部分建模內容對比

續表

3 內容標準中的內容條目對比

3.1 內容描述對比

從內容標準的結構上看,17版課標在對每一模塊提出內容要求后,又增加了“教學提示”和“學業要求”兩個部分,將教學過程中如何進行建模教學的具體環節和采用的具體方法,以及學生通過學習在建模能力上要實現的目標顯性化.例如在必修1的教學提示中提出“根據本模塊所學物理模型的特點,聯系生產生活實際,從多個角度創設情境.提出與物理學有關的問題,引導學生討論,讓學生體會建構物理模型的必要性和方法……”.在必修3的學業要求中指出“能用點電荷模型研究電荷間的相互作用……能用電場線、磁感線等模型分析電場和磁場中比較簡單的問題”.由此可見,17版課標在教學層面上更加明確地傳達了將模型教育融入到物理教學中的理念,更加關注模型本質,同時對學生建模能力也提出了更為明確的要求.

從建模內容的分布上看,相比于03版課標中只在物理1、選修3-1(選修1-1)、選修3-3部分明確提出了物理模型,且均為理想化的實物模型,對模型的界定較為狹隘;17版在必修1、3,選擇性必修1、2、3中都含有相關的建模內容,分布的范圍更廣泛,且內容上也更加豐富,除了實物模型以外,增加了過程模型、條件模型等.[7]例如選擇性必修1中增加了“簡諧運動”、“碰撞”、“單擺”等模型.

從建模內容的陳述上看,17版課標更突出在情境中認識、建構、使用和分析模型.在“內容要求”板塊,提出要考慮建模的情境性,例如“知道點電荷模型.與質點模型類比,體會在什么情境下可將帶電體抽象為點電荷”.在 “教學提示”板塊,也指出要通過創設情境進行建模教學,例如“根據本模塊所學物理模型的特點,聯系生產生活實際,從多個角度創設情境.提出與物理學有關的問題,引導學生討論,讓學生體會建構物理模型的必要性和方法……”.在“學業要求”上,要求學生能在實際生活中運用建模的方法解決問題,例如“能根據現實生活中的振動或擺動的特點,建構簡諧運動、單擺等物理模型.能運用這些模型分析問題,通過推理得到結論,對相關現象作出解釋”.由此可見,建模成為聯系真實問題與物理問題的關鍵環節,揭示了物理本質,體現了模型不能脫離具體問題情境的原則.同時,17版課標中還注重學生對建模過程及方法的感知.例如在內容要求1.1.2中就提到“……經歷質點模型的建構過程……”.

3.2 內容維度對比

本研究進一步統計兩課標各模塊不同內容維度出現的頻次．統計時對重復體現同一內容同一維度的部分進行整合,例如17版課標必修1中在“內容要求”“教學提示”和“學業要求”3部分均提出“能在具體情境中建構出質點模型”,都屬于模型建構的水平1,只進行一次統計.但對同一內容涉及不同維度的要求,則按維度進行多次統計(表3).

統計結果表明，03版課標共涉及3條教學內容,主要集中在電磁學部分(選修3-1/選修1-1);而17版課標共涉及16條教學內容,在必修3中分布最多,選擇性必修1次之,在除必修2外的各模塊也均有分布.同時相較03版課標主要集中在“模型選擇”維度,17版課標在“模型選擇”、“模型建構”、“模型分析”以及“模型應用”中也均有分布,且隨模塊增加,所涉及的維度也從簡單的“模型選擇”向較為復雜的“模型分析”、“模型應用”過渡.體現出一定的進階性.但兩版課標中物理2(必修2)都未涉及模型相關的內容．

表3 基于兩課標的內容維度的分布統計

3.3 水平層次對比

根據建模能力水平層次,對兩版課標中內容所反映的建模能力層次進行統計．以不同模塊為橫坐標,內容維度為縱坐標,并通過不同灰度界定不同模塊各個維度的要求水平,其中對每一模塊的每一個維度而言,以其要求的最高水平為標準,結果如表4所示.在03版課標中涉及模型與建模的相關內容條目均停留在水平1,而17版課標中處于4個水平的內容條目的數量分別為5,4,3,1，呈遞減趨勢.相對而言,達到水平4要求的條目數較少,但從總體上來看,17版課標對物理建模能力的層次水平要求較03版課標有顯著的提升.

對比17版課標各模塊的水平層次,必修模塊中建模能力的層次水平要求較低,主要停留在水平1,但進入到選擇性必修模塊,內容條目中對建模能力的層次水平要求開始向更高的水平發展,大多處于水平2、水平3 的位置.

對比17版課標各內容維度的水平層次,在“模型建構”、“模型分析”和“模型應用”維度,建模能力層次都隨模塊學習的進行有提升的趨勢,顯示出進階性.但“模型選擇”維度,始終停留在水平1,進階性不明顯.從課程內容中可看出,課標中所出現的模型大多只涉及“實體模型”,對“過程模型”和“條件模型”的關注較少,也許可以對該現象做出一些解釋.

表4 基于兩課標的建模能力層次的分布統計

4 總結與展望

通過對兩版課標中模型與建模內容對比,我國建模教育獲得較大的發展,但仍存在進步的空間.透視我國的教學實踐,在落實模型教學及發展建模能力上,現實與理想依然存在差距.基于本文的研究對此提出一些建議.

4.1 注重建模能力的科學本質教育

科學建模是體現科學本質的重要環節,吉爾伯特曾說“科學研究是模型的建構過程,科學學習則是學習模型建構的過程”.[8]在科學研究和應用中,都需要在真實情境中抽象出物理模型,從而將真實問題轉化為物理問題.在此基礎之上形成或發展概念和定律.建模能力本身既是物理學科核心素養中科學思維的重要一環,同時也為其他素養的發展提供支撐.科學建模是科學本質中科學知識實證性的重要反映,[9]它是在觀察的基礎上,通過理論的分析,來認識事物本質的重要方法.因此建模教學要注重體現科學本質.

注重體現建模活動的過程性.科學包含了科學知識以及科學知識產生和發展的過程.注重科學建模的過程性在學生建模學習中的體現,有助于學生在此過程中領會建模思想的內涵從而掌握系統的建模方法,逐漸發展建模能力.

其次要體現建模過程的情境性.建模是基于真實情境的抽象過程.只有在情境中體驗建模的過程,才能夠真正領會建模思想的內涵,將建模這一過程同科學研究以及實際生活相聯系.

4.2 注重建模能力發展的進階性

學習進階理論指出學生的學習過程是從簡單到復雜、連續地推理認知發展的過程.[10]因此在設計教學目標和教學活動過程中要注重為學生鋪設“臺階”.相比03版課標,17版課標在內容維度及水平層次上已經具備了一定的進階性.但在模型驗證以及必修2,模型與建模相關的內容依然是空缺的.模型教育的進階性還不夠完整,對于高階水平的設置也還不夠.

4.3 發展教師的建模教育理念,促進建模教學在課堂發生

現階段理論與實踐的脫節,歸根結底是教學實施者未完全領會建模思想,對其理解不深導致的.教師的建模教育理念決定了建模教學在課堂中的呈現.教師要有意識地去了解模型及建模的理論,同時更要創造性地去探索建模教學融入課堂的方式,將建模理論本土化,實踐化,使之推動課堂的發展和轉變.