任佩璐 張兵榮

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

自20世紀(jì)80年代科學(xué)建模教學(xué)理論誕生以來,科學(xué)模型及建模作為人們理解世界的重要途徑,受到了廣泛關(guān)注.翟小銘學(xué)者[1]通過對(duì)2005年至2015年間國際物理教育研究熱點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn),“建模與模型”在熱點(diǎn)主題詞中高居榜首,成為近年來最受物理教育界關(guān)注的熱點(diǎn)之一.科學(xué)建模教學(xué)理論提出者海斯特斯(Hestenes)指出“物理研究(學(xué)習(xí))的過程即是對(duì)自然世界建模的過程”,[2]明確將物理與建模關(guān)聯(lián)起來,體現(xiàn)模型教學(xué)對(duì)育人的重要價(jià)值.在21世紀(jì)核心素養(yǎng)導(dǎo)向下,注重在真實(shí)情境中培養(yǎng)學(xué)生解決問題的真實(shí)能力,建模能力作為從情境問題中提煉出物理問題的關(guān)鍵一環(huán),成為核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的重要組成部分.物理模型與建模在物理學(xué)科教學(xué)中的價(jià)值不言而喻.

《課程標(biāo)準(zhǔn)》作為各個(gè)國家指導(dǎo)教育教學(xué)開展的核心課程文件之一,也從多維度不同程度上體現(xiàn)出重視建模能力的趨勢,是國家對(duì)國民物理建模能力發(fā)展重視程度的映射,為實(shí)際物理教學(xué)中建模素養(yǎng)的培養(yǎng)提出明確的要求、發(fā)展的導(dǎo)向和實(shí)施的路徑.

新修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》(以下簡稱“17版課標(biāo)”)從多個(gè)方面體現(xiàn)了建模教育．[3]在“課程性質(zhì)與理念”的論述中,相比于2003版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》(以下簡稱“03版課標(biāo)”)[4]沒有明確提出模型和建模能力,17版課標(biāo)明確提出“物理學(xué)基于觀察和實(shí)驗(yàn)、建構(gòu)物理模型、……形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系”.將建模作為物理學(xué)習(xí)的關(guān)鍵步驟和重要能力的同時(shí),也揭示了物理研究本身具有模型本質(zhì)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(zhì)層面.在“課程目標(biāo)”的論述中,相較于03版課標(biāo)對(duì)模型及建模的描述集中體現(xiàn)在“過程與方法”層面,將物理模型定位為一種研究方法,對(duì)建模能力的要求為“認(rèn)識(shí)”,17版課標(biāo)明確將模型建構(gòu)作為“科學(xué)思維”的要素之一,提出“科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式;是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程……”同時(shí)對(duì)物理模型的要求也轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖?gòu)”以及更高層次的目標(biāo),凸顯了我國對(duì)物理建模能力的定位更加準(zhǔn)確,要求更加深刻.

“課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”以模塊和條目的形式對(duì)高中物理課程內(nèi)容的要求做了細(xì)致地闡述．本文將重點(diǎn)通過文本分析法從“內(nèi)容維度”和“能力層次”兩方面縱向?qū)Ρ?7版課標(biāo)與03版課標(biāo)“課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”中模型及建模相關(guān)內(nèi)容,據(jù)此分析建模教學(xué)在我國物理教育中的發(fā)展趨勢及前進(jìn)方向．

1 理論分析框架

本研究從“內(nèi)容維度”以及“能力層次”兩個(gè)層面建構(gòu)了建模能力二維分析框架,分析兩版課程標(biāo)準(zhǔn)的模型與建模相關(guān)內(nèi)容的廣度與深度.

1.1 建模能力的內(nèi)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(gè)內(nèi)容維度．我國臺(tái)灣高雄大學(xué)學(xué)者Jeng-Fung Hung提出的層級(jí)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(gòu)建、驗(yàn)證、分析和應(yīng)用5個(gè)維度,并進(jìn)一步細(xì)分出相關(guān)的要素.其具體的建模能力結(jié)構(gòu)模型如圖1所示.本文以該層級(jí)條目模型作為建模能力的內(nèi)容分析維度.

圖1 建模能力分類

1.2 建模能力層次

在各個(gè)維度上,在對(duì)建模能力層次的劃分上,本文參考遼寧師范大學(xué)袁媛、朱寧波學(xué)者[6]基于SOLO分類評(píng)價(jià)理論對(duì)高中生建模能力的分層,根據(jù)所涉及物理模型的信息數(shù)量及關(guān)系形成進(jìn)階式的4水平,分別對(duì)應(yīng)于SOLO分類評(píng)價(jià)理論的“單點(diǎn)結(jié)構(gòu)”、“多點(diǎn)結(jié)構(gòu)”、“關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)”和“拓展抽象結(jié)構(gòu)”，如表1所示.

表1 基于SOLO分類評(píng)價(jià)理論的物理模型思維能力層級(jí)

2 “內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”中的建模內(nèi)容條目分析

17版課標(biāo)繼承了03版課標(biāo)內(nèi)容模塊化的特點(diǎn),共分為必修1～3,選擇性必修1～3以及選修1～3共9個(gè)模塊,其中必修1～3以及選擇性必修1～3與03版課標(biāo)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(nèi)容是大致相當(dāng)?shù)?因此本文選取這兩部分對(duì)比其中與建模相關(guān)的內(nèi)容．

從建模的內(nèi)容維度和水平層次分別對(duì)03版和17版課標(biāo)教學(xué)內(nèi)容中的模型與建模相關(guān)的條目進(jìn)行梳理,并對(duì)內(nèi)容進(jìn)行雙向分析，如表2所示.

表2 基于03版和17版課標(biāo)中課程內(nèi)容部分建模內(nèi)容對(duì)比

續(xù)表

3 內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容條目對(duì)比

3.1 內(nèi)容描述對(duì)比

從內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)上看,17版課標(biāo)在對(duì)每一模塊提出內(nèi)容要求后,又增加了“教學(xué)提示”和“學(xué)業(yè)要求”兩個(gè)部分,將教學(xué)過程中如何進(jìn)行建模教學(xué)的具體環(huán)節(jié)和采用的具體方法,以及學(xué)生通過學(xué)習(xí)在建模能力上要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)顯性化.例如在必修1的教學(xué)提示中提出“根據(jù)本模塊所學(xué)物理模型的特點(diǎn),聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際,從多個(gè)角度創(chuàng)設(shè)情境.提出與物理學(xué)有關(guān)的問題,引導(dǎo)學(xué)生討論,讓學(xué)生體會(huì)建構(gòu)物理模型的必要性和方法……”.在必修3的學(xué)業(yè)要求中指出“能用點(diǎn)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(biāo)在教學(xué)層面上更加明確地傳達(dá)了將模型教育融入到物理教學(xué)中的理念,更加關(guān)注模型本質(zhì),同時(shí)對(duì)學(xué)生建模能力也提出了更為明確的要求.

從建模內(nèi)容的分布上看,相比于03版課標(biāo)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(shí)物模型,對(duì)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(guān)的建模內(nèi)容,分布的范圍更廣泛,且內(nèi)容上也更加豐富,除了實(shí)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(yùn)動(dòng)”、“碰撞”、“單擺”等模型.

從建模內(nèi)容的陳述上看,17版課標(biāo)更突出在情境中認(rèn)識(shí)、建構(gòu)、使用和分析模型.在“內(nèi)容要求”板塊,提出要考慮建模的情境性,例如“知道點(diǎn)電荷模型.與質(zhì)點(diǎn)模型類比,體會(huì)在什么情境下可將帶電體抽象為點(diǎn)電荷”.在 “教學(xué)提示”板塊,也指出要通過創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行建模教學(xué),例如“根據(jù)本模塊所學(xué)物理模型的特點(diǎn),聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際,從多個(gè)角度創(chuàng)設(shè)情境.提出與物理學(xué)有關(guān)的問題,引導(dǎo)學(xué)生討論,讓學(xué)生體會(huì)建構(gòu)物理模型的必要性和方法……”.在“學(xué)業(yè)要求”上,要求學(xué)生能在實(shí)際生活中運(yùn)用建模的方法解決問題,例如“能根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中的振動(dòng)或擺動(dòng)的特點(diǎn),建構(gòu)簡諧運(yùn)動(dòng)、單擺等物理模型.能運(yùn)用這些模型分析問題,通過推理得到結(jié)論,對(duì)相關(guān)現(xiàn)象作出解釋”.由此可見,建模成為聯(lián)系真實(shí)問題與物理問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié),揭示了物理本質(zhì),體現(xiàn)了模型不能脫離具體問題情境的原則.同時(shí),17版課標(biāo)中還注重學(xué)生對(duì)建模過程及方法的感知.例如在內(nèi)容要求1.1.2中就提到“……經(jīng)歷質(zhì)點(diǎn)模型的建構(gòu)過程……”.

3.2 內(nèi)容維度對(duì)比

本研究進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)兩課標(biāo)各模塊不同內(nèi)容維度出現(xiàn)的頻次．統(tǒng)計(jì)時(shí)對(duì)重復(fù)體現(xiàn)同一內(nèi)容同一維度的部分進(jìn)行整合,例如17版課標(biāo)必修1中在“內(nèi)容要求”“教學(xué)提示”和“學(xué)業(yè)要求”3部分均提出“能在具體情境中建構(gòu)出質(zhì)點(diǎn)模型”,都屬于模型建構(gòu)的水平1,只進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì).但對(duì)同一內(nèi)容涉及不同維度的要求,則按維度進(jìn)行多次統(tǒng)計(jì)(表3).

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，03版課標(biāo)共涉及3條教學(xué)內(nèi)容,主要集中在電磁學(xué)部分(選修3-1/選修1-1);而17版課標(biāo)共涉及16條教學(xué)內(nèi)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(shí)相較03版課標(biāo)主要集中在“模型選擇”維度,17版課標(biāo)在“模型選擇”、“模型建構(gòu)”、“模型分析”以及“模型應(yīng)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(fù)雜的“模型分析”、“模型應(yīng)用”過渡.體現(xiàn)出一定的進(jìn)階性.但兩版課標(biāo)中物理2(必修2)都未涉及模型相關(guān)的內(nèi)容．

表3 基于兩課標(biāo)的內(nèi)容維度的分布統(tǒng)計(jì)

3.3 水平層次對(duì)比

根據(jù)建模能力水平層次,對(duì)兩版課標(biāo)中內(nèi)容所反映的建模能力層次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)．以不同模塊為橫坐標(biāo),內(nèi)容維度為縱坐標(biāo),并通過不同灰度界定不同模塊各個(gè)維度的要求水平,其中對(duì)每一模塊的每一個(gè)維度而言,以其要求的最高水平為標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果如表4所示.在03版課標(biāo)中涉及模型與建模的相關(guān)內(nèi)容條目均停留在水平1,而17版課標(biāo)中處于4個(gè)水平的內(nèi)容條目的數(shù)量分別為5,4,3,1，呈遞減趨勢.相對(duì)而言,達(dá)到水平4要求的條目數(shù)較少,但從總體上來看,17版課標(biāo)對(duì)物理建模能力的層次水平要求較03版課標(biāo)有顯著的提升.

對(duì)比17版課標(biāo)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(jìn)入到選擇性必修模塊,內(nèi)容條目中對(duì)建模能力的層次水平要求開始向更高的水平發(fā)展,大多處于水平2、水平3 的位置.

對(duì)比17版課標(biāo)各內(nèi)容維度的水平層次,在“模型建構(gòu)”、“模型分析”和“模型應(yīng)用”維度,建模能力層次都隨模塊學(xué)習(xí)的進(jìn)行有提升的趨勢,顯示出進(jìn)階性.但“模型選擇”維度,始終停留在水平1,進(jìn)階性不明顯.從課程內(nèi)容中可看出,課標(biāo)中所出現(xiàn)的模型大多只涉及“實(shí)體模型”,對(duì)“過程模型”和“條件模型”的關(guān)注較少,也許可以對(duì)該現(xiàn)象做出一些解釋.

表4 基于兩課標(biāo)的建模能力層次的分布統(tǒng)計(jì)

4 總結(jié)與展望

通過對(duì)兩版課標(biāo)中模型與建模內(nèi)容對(duì)比,我國建模教育獲得較大的發(fā)展,但仍存在進(jìn)步的空間.透視我國的教學(xué)實(shí)踐,在落實(shí)模型教學(xué)及發(fā)展建模能力上,現(xiàn)實(shí)與理想依然存在差距.基于本文的研究對(duì)此提出一些建議.

4.1 注重建模能力的科學(xué)本質(zhì)教育

科學(xué)建模是體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的重要環(huán)節(jié),吉爾伯特曾說“科學(xué)研究是模型的建構(gòu)過程,科學(xué)學(xué)習(xí)則是學(xué)習(xí)模型建構(gòu)的過程”.[8]在科學(xué)研究和應(yīng)用中,都需要在真實(shí)情境中抽象出物理模型,從而將真實(shí)問題轉(zhuǎn)化為物理問題.在此基礎(chǔ)之上形成或發(fā)展概念和定律.建模能力本身既是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的重要一環(huán),同時(shí)也為其他素養(yǎng)的發(fā)展提供支撐.科學(xué)建模是科學(xué)本質(zhì)中科學(xué)知識(shí)實(shí)證性的重要反映,[9]它是在觀察的基礎(chǔ)上,通過理論的分析,來認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的重要方法.因此建模教學(xué)要注重體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì).

注重體現(xiàn)建模活動(dòng)的過程性.科學(xué)包含了科學(xué)知識(shí)以及科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生和發(fā)展的過程.注重科學(xué)建模的過程性在學(xué)生建模學(xué)習(xí)中的體現(xiàn),有助于學(xué)生在此過程中領(lǐng)會(huì)建模思想的內(nèi)涵從而掌握系統(tǒng)的建模方法,逐漸發(fā)展建模能力.

其次要體現(xiàn)建模過程的情境性.建模是基于真實(shí)情境的抽象過程.只有在情境中體驗(yàn)建模的過程,才能夠真正領(lǐng)會(huì)建模思想的內(nèi)涵,將建模這一過程同科學(xué)研究以及實(shí)際生活相聯(lián)系.

4.2 注重建模能力發(fā)展的進(jìn)階性

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論指出學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是從簡單到復(fù)雜、連續(xù)地推理認(rèn)知發(fā)展的過程.[10]因此在設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)活動(dòng)過程中要注重為學(xué)生鋪設(shè)“臺(tái)階”.相比03版課標(biāo),17版課標(biāo)在內(nèi)容維度及水平層次上已經(jīng)具備了一定的進(jìn)階性.但在模型驗(yàn)證以及必修2,模型與建模相關(guān)的內(nèi)容依然是空缺的.模型教育的進(jìn)階性還不夠完整,對(duì)于高階水平的設(shè)置也還不夠.

4.3 發(fā)展教師的建模教育理念,促進(jìn)建模教學(xué)在課堂發(fā)生

現(xiàn)階段理論與實(shí)踐的脫節(jié),歸根結(jié)底是教學(xué)實(shí)施者未完全領(lǐng)會(huì)建模思想,對(duì)其理解不深導(dǎo)致的.教師的建模教育理念決定了建模教學(xué)在課堂中的呈現(xiàn).教師要有意識(shí)地去了解模型及建模的理論,同時(shí)更要?jiǎng)?chuàng)造性地去探索建模教學(xué)融入課堂的方式,將建模理論本土化,實(shí)踐化,使之推動(dòng)課堂的發(fā)展和轉(zhuǎn)變.