新高考背景下學生力學推理能力調查與培養策略

肖子鑫 朱廣天 江豐光

(1. 華東師范大學教師教育學院,上海 200062; 2. 上海師范大學教育學院,上海 200234)

1 研究背景

2014年上海市和浙江省啟動新高考改革,增加了學生選擇科目的自主權,使得學生可以根據自身的興趣和職業發展需要選擇考試科目.與此同時,也帶來了一些問題,比如:“放棄物理”、“田忌賽馬”式選擇考試科目等.選考物理的人數大幅下降,使得多數高中畢業生物理知識嚴重碎片化,沒有形成初步的科學思維能力與科學精神.[1]在這種背景下,學生的力學推理能力如何?這種能力與選考科目是否有關?這些問題值得探討.

2 研究方法

2.1 研究對象

選取某高校選修大學物理的上海和浙江考生為研究對象,均為大一新生,共計125人(表1).

表1 研究對象高考信息

2.2 研究工具

本文采用《力學推理測試》(Mechanics Reasoning Inventory,簡稱MRI).MRI是麻省理工學院用來評估學生力學推理能力的標準化工具.測試共計27題,每題1分,總分27分.這些題目不僅考查學生推理的結論,還考查推理的理由.涉及4個維度:相互作用;牛頓定律;動量、能量守恒和分解子問題．其中,分解子問題考查學生將復雜力學問題分解為簡單問題的能力.圖1所示為一道考查分解子問題的題目.

圖1

從知識點分布和題目類型來看,MRI能夠較為全面、客觀測試學生的力學推理能力,具體如表2所示.

表2 測試內容對應題目表

在定量分析數據的基礎上,我們還對部分一線教師和學生進行了訪談.

3 研究結果

3.1 力學推理能力總體分析

MRI總分27分,學生平均分16.1分,平均得分率59.6%,略低于及格線.說明學生的力學推理能力一般.這與潘蘇東團隊(2020)對滬、浙兩省市高中生科學素養調查結果相似:兩省市科學素養總體水平一般,科學思維更是短板.[2]由于各維度題目數量不同,故統計得分率,具體如表3.

表3 力學推理能力各維度得分率

由表3可知,學生在動量、能量守恒維度的得分最低.下面是與一位上海物理教師的部分訪談記錄: “我平時開展教學工作會關注一本書…書名叫《上海市高中物理學科教學基本要求》.這本書規定了我們學校老師平時授課的難度上限,超出要求的我們不會教,學生也不會學.現在書中完全不涉及動量守恒,而且對能量守恒的要求也在降低.”

上海考生高中階段沒有學過動量守恒是該維度得分較低的主要原因.動量守恒是三大守恒定律之一,適用范圍比牛頓定律更為廣泛.我們建議有條件的學校開展動量守恒的教學,不僅有利于學生形成守恒觀念,也有助于培養他們的科學思維.

3.2 力學推理能力各維度相關性分析

對力學推理能力四個維度得分進行相關性分析,如表4所示.

表4 各維度相關性分析

** 表示在0.01水平顯著(雙側)

相互作用,牛頓定律和動量、能量守恒三個維度之間相關系數較低而且不顯著.而這三個維度與分解子問題維度之間相關系數相對較高而且均顯著.其中動量、能量守恒維度與分解子問題的相關系數最大.分解子問題的能力對解決綜合力學問題至關重要.高中力學典型問題,比如“傳送帶模型”和“滑塊-滑板模型”,都要求學生能夠正確分解子問題,分過程應用物理原理,才能解決問題.要想提高學生分解子問題的能力,在保證一定練習的同時,還要重點培養其它維度能力,才能突破力學推理的“天花板”.

3.3 考查推理結論和推理理由題目的得分差異

MRI中每個維度都有考察推理結論和理由的題目.如圖2所示,縱坐標代表得分率,黑色代表考查推理結論的題目,白色代表考查推理理由的題目.

圖2 各維度考查結論和理由題目的得分率差異

理論上學生只要能推理出結論,就可以正確選擇理由.然而從圖2可以看出:在相互作用和動量、能量守恒兩個維度考查結論和理由的題目得分率差異較大;而在牛頓定律和分解子問題兩個維度幾乎沒有差異.考查相互作用的5-6題如圖3所示.

圖3

筆者查閱相關高中試題發現: (1) 涉及相互作用的題目,考查重點是最終結論,通常不會考查學生選擇分析方法的理由.部分學生可以通過記憶“常考模型”達到快速解題的目的; (2) 涉及動量、能量守恒的題目,學生通常也不需要判斷是否守恒.重點在于將物理情境轉化為數學方程求解.故學生對守恒的條件掌握不佳; (3) 牛頓定律很少單獨考查,通常作為解題工具與其它知識點結合命題.學生必須根據實際情境先正確選擇具體的牛頓定律(第二或第三)之后,才能列方程; (4) 分解子問題的能力主要在力學綜合計算題中考查.如果學生不能正確選擇每個子問題涉及的物理原理,就很難得到正確的分解結論.所以在前兩個維度考查推理結論和理由的題目得分率差異較大,后兩個維度則幾乎沒有差異.

以上因素共同導致在同一情境中兩種命題方式的差異,反映了部分學生在推理時常用直覺思維或者在課上習得的相似結論進行推理,沒有形成從情境本身出發進行推理.這與張軼炳等人(2011)的研究結果相似,即當前的教育理念和方式強調學生得出結論的能力,卻忽略了學生收集證據,歸納演繹的能力.[3]近年來,高考試題注重考查對學生起到基礎性和支撐性的知識,[4]在日常教學中教師可以命制一些考查推理理由的題目檢測學生是否真正習得知識.

3.4 選考科目與力學推理能力的關系

物理、化學和生物是傳統的理科科目.由于樣本來自“大學物理”課堂,每位學生至少選考一門理科科目．選考理科科目數量與得分率的關系如表5所示.

表5 選考理科科目數量與得分率的關系

注:樣本中沒有學生選考浙江高考的“通用技術”

選修理科科目數量越多的學生得分越高,力學推理能力越強,而且彼此之間差異較大.由于大多數學生選擇兩門理科科目,下面進一步分析選考兩門理科科目學生的得分情況(表6).

表6 不同選考組合與得分率的關系

選擇3種組合的人數相近,其中“物理+生物”得分最高,“生物+化學”最低.“物理+生物”與“生物+化學”的得分有顯著性差異(p=0.001),其它組合之間沒有顯著性差異.

“生物+化學”組合得分較低的原因可能是:這些學生未選考物理,物理的課時量和師生的重視程度均下降.他們的物理知識相對是零散的、碎片化的,導致力學推理能力較差.“物理+生物”得分最高,很多師生認為這種組合風險小易獲高分,而且專業選擇范圍大.[2]因此,學校會鼓勵成績優異的學生選擇“物理+生物”組合來保證升學率.由于課程難度等因素,“物理+化學”被戲稱為“魔鬼”組合.從理論上看,物理化學組合學生的力學推理能力應該不低于物理生物組合,而實際上卻比物理生物組合低.下面是與上海某學校年級主任的部分訪談記錄: “在我們學校,選考“物理+化學”大致有三類學生: (1) 對物理化學兩個學科均有興趣的學生; (2) 不喜歡記憶但是數理基礎還不錯的學生,因為生物需要記憶的知識點相對較多; (3) 還有就是后進生,老師和家長對他們的關注度不夠,他們自己也不在意選考的科目.”

結合訪談記錄和表6的標準差可知:與其它組合相比,選考物理化學的學生成績兩極分化較為明顯.這些因素共同導致“物理+化學”組合學生的力學推理能力低于“物理+生物”組合.

4 培養策略

根據研究結果,培養策略和建議如下.

教師應該通過多個維度聯動培養學生的力學推理能力.分解子問題能力是解決復雜力學問題的關鍵.這種能力與其它維度能力顯著相關.教師應當深入了解學生的短板維度,有針對性的教學,而不是單純的題海戰術.在本研究選取的被試中,動量、能量守恒維度得分較低,很大程度限制了他們的力學推理能力.

教師要注重培養學生收集證據、歸納演繹的能力.本文結果反映出部分學生主要從課上習得的結論和過往的解題經驗出發進行推理,而不是從情境本身提供的信息出發將其進行正確的表征.教師在日常教學時,盡可能避免直接將結論告訴學生.在物理概念和規律的教學中,教師可以采取多種教學方法,如啟發式教學和探究式教學.讓學生親自經歷物理概念和規律的建構過程,使學生“知其然,更要知其所以然”.

科學引導學生選擇高考科目.新高考的政策導向是促進學生個性化發展,當前功利化的色彩較為嚴重.學校不應該片面追求升學率而忽視學生的興趣需要,可以開設一些講座和職業規劃課程使學生充分了解自身情況和社會需要,進而合理選擇考試科目.充分發揮學生的自主性,培養學生的創新實踐能力和社會責任感.