摘"要：本文參考學習進階理論和高中模型建構(gòu)能力層級劃分，提出初中模型建構(gòu)能力水平層級，在此基礎(chǔ)上以“杠桿模型的建構(gòu)”為例，分析各個層級的水平表現(xiàn)，并提出學習進階視域下模型建構(gòu)的教學啟示，即注重情境進階和問題進階。

關(guān)鍵詞：學習進階；模型建構(gòu)；水平層級劃分；杠桿模型

1"引言

物理模型是指在物理學習中，人們?yōu)榱朔奖闾骄渴挛锏谋举|(zhì)規(guī)律，忽略次要矛盾，注重主要矛盾而得到的理想化狀態(tài)、理想化過程或理想化對象?！读x務(wù)教育物理課程標準（2022年版）》中提出，科學思維主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。［1］模型建構(gòu)不僅是學習和研究物理的重要思想方法，也對初中物理教學培養(yǎng)核心素養(yǎng)有重要意義。

為了科學有效地培養(yǎng)初中學生的模型建構(gòu)能力，本文依據(jù)學習進階理論，結(jié)合初中學生認知水平，參考《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中模型建構(gòu)水平層級的劃分，對初中物理模型建構(gòu)認知水平進行劃分，并以“杠桿模型的建構(gòu)”為例，結(jié)合相關(guān)試題闡述模型建構(gòu)的各個水平層級的表現(xiàn)。

2"學習進階理論與模型建構(gòu)水平

學習進階是指學生在一定時間內(nèi)，對于某一主旨按照次序進階，逐漸熟練且向更深的階段發(fā)展的思維方式。［2］北師大郭玉英教授團隊基于學習進階理論，提出了科學概念理解的發(fā)展層級模型，將概念的理解分為五個層級，分別為經(jīng)驗、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)和整合（見表1）。［3］

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》將模型建構(gòu)能力劃分為由低到高五個水平層級。［4］在五個層級中，情境從熟悉到陌生逐步過渡，思維則從低階向高階逐級提升，同時問題也從簡化到復(fù)雜逐步進階（見表2）。

模型是真實事物的一種概念性表征，即模型是通過對真實世界中的事物進行抽象，并利用公式、概念等手段進行描述和建構(gòu)的。結(jié)合模型的定義不難發(fā)現(xiàn)，科學概念理解的發(fā)展層級與模型建構(gòu)能力的水平層級邏輯本質(zhì)是一致的，存在對應(yīng)關(guān)系。由于初中學生的思維水平和高中學生存在差距，本文依據(jù)上述水平層級劃分提出了初中學生的模型建構(gòu)認知層級（見表3）。

3"學習進階視域下初中模型建構(gòu)試題測評

在教學中，教師可以按照發(fā)展層級精心挑選和設(shè)計進階式問題，然后通過學生對問題的解答情況來評估學生已經(jīng)達到的認知層級。下文以“杠桿模型”類問題為例，來具體闡述模型建構(gòu)的各個層級的水平表現(xiàn)。

3.1"經(jīng)驗層級

例1"請你說出杠桿模型的特點。

本題是去情境化問題，考查學生對杠桿模型的記憶，屬于思維水平較低的簡單問題。若學生只能回憶部分零散信息，如杠桿是繞固定點轉(zhuǎn)動的直棒、力臂是支點到力的作用點的距離等片面事實，缺乏對杠桿本質(zhì)屬性的全面透徹的理解，說明學生的模型建構(gòu)水平仍停留在經(jīng)驗層級。

3.2"映射層級

例2"常泰長江大橋為目前在建的世界最大跨度的公鐵兩用的斜拉橋。小華制作的斜拉橋模型如圖1所示，她用長30cm、重5N且質(zhì)地均勻的木條OA做橋面，立柱GH做橋塔。OA可繞O點轉(zhuǎn)動，A端用細線與GH上的B點相連。保持橋面水平，細線對OA的拉力F大小為多少？

本題中，橋面被抽象為學生較為熟悉的直棒形式，這與杠桿模型高度相似，屬于簡化的問題情境。學生需在此情境中識別出杠桿模型，完成情境和杠桿模型相關(guān)物理量（包括動力、動力臂、阻力、阻力臂等）的映射關(guān)系的建立。學生首先判斷出阻力就是杠桿所受的重力，其次根據(jù)重力作用點在重心找出阻力的作用點，再次根據(jù)力臂是支點到力的作用線的距離找出阻力臂和動力臂，最后根據(jù)杠桿平衡條件公式求解動力。由此可以發(fā)現(xiàn)，能夠正確解答本題的學生，不僅對杠桿模型的基本概念和本質(zhì)屬性有精準的認識，還能在簡化情境中完成相關(guān)物理量的映射，并根據(jù)物理量之間的關(guān)系進行計算。這表明他們的模型建構(gòu)能力已經(jīng)達到了映射層級。

3.3"關(guān)聯(lián)層級

例3"常泰長江大橋為目前在建的世界最大跨度的公鐵兩用的斜拉橋。小華制作的斜拉橋模型如圖所示（同例2圖），她用木條OA做橋面，立柱GH做橋塔。OA可繞O點轉(zhuǎn)動。保持橋面水平，為減小細線對OA的拉力，大橋建造的橋塔高一點好還是矮一點好，為什么？

與例2相比，例3對學生的思維能力要求更高，需要學生利用模型的相關(guān)知識解決問題。學生由杠桿平衡條件公式分析可知，當阻力和阻力臂不變時，動力臂越大，動力就會越小。當建造的橋塔高一點時，和A端相連的細線的固定點就高一點，此時動力臂增大，所以細線對OA的拉力減小。通過解題的思維過程可以發(fā)現(xiàn)，學生在利用模型解決問題的過程中，需要能夠更加熟練地分析動力、動力臂、阻力以及阻力臂之間的自變和因變關(guān)系。因此，能夠解決此類問題，標志著學生的模型建構(gòu)能力達到關(guān)聯(lián)層級。通常，學生能夠運用模型公式解決簡單問題，也被視為達到這一層級。由于初中學生思維水平的限制，各省市中考在考查學生模型建構(gòu)能力時，大多停留在關(guān)聯(lián)層級，例如對最小力問題、動態(tài)轉(zhuǎn)動問題等進行考查。

3.4"系統(tǒng)層級

例4"某桿秤的示意圖如圖2所示，C處是秤鉤，A、B位置各有一個提紐，BC＝7cm，秤砣質(zhì)量為0.5kg。提起B(yǎng)處提紐，秤鉤不掛物體，將秤砣移至D點，桿秤恰好水平平衡，BD＝1cm。將質(zhì)量為2.5kg的物體掛在秤鉤上，提起B(yǎng)處提紐，秤砣移至最大刻度E處，桿秤再次水平平衡，則BE長度為多少？若要稱量質(zhì)量較大的物體，應(yīng)選用哪個位置的提紐？

雖然本題以學生較為熟悉的桿秤作為問題情境，但題目巧妙地引入了杠桿自重這一影響因素，避免了問題的過度簡化。這構(gòu)成了一個包含多個要素的實際問題，要求學生不僅需要對實際問題進行深入分析，還需要將其轉(zhuǎn)換為杠桿模型的邏輯框架，再結(jié)合杠桿模型的相關(guān)概念來尋求解決方案。因此，本題在思維難度上有了顯著的提高。學生首先設(shè)桿秤重心到B處的距離為L0，秤鉤不掛物體時，由杠桿的平衡條件可知G砣BD＝G秤L0；其次將質(zhì)量為2.5kg的物體掛在秤鉤上時，G物BC＝G秤L0＋G砣BE，由兩式可知G物BC＝G砣BD＋G砣BE；最后代入數(shù)據(jù)求解即可。當提著B處提紐、秤砣在E處時，G物BC＝G秤L0＋G砣BE；當提著A處提紐、秤砣在E處時，G物′AC＝G秤（L0＋AB）＋G砣（BE＋AB）。因為BC＞AC，故可知G物′＞G物，即提著A處提紐時，此桿秤的量程大。與關(guān)聯(lián)層級的問題相比，解決實際問題時需要分析的物理量更多，將問題轉(zhuǎn)換成模型來解決的難度也更大。這要求學生有較強的邏輯推理能力和計算能力。一般解決此類問題需要運用兩次或兩次以上的模型公式。成功解決這類問題，標志著學生的模型建構(gòu)能力已經(jīng)達到了系統(tǒng)層級。

3.5"整合層級

例5"項目學習小組準備制作一個刻度均勻的密度計。如圖3所示，杯中不加液體，提起提紐，移動秤砣，當秤桿在水平位置平衡時，將此時秤砣的懸掛點A標記為“0”刻度；杯中加水至a處，提起提紐，移動秤砣，當秤桿在水平位置平衡時，將此時秤砣的懸掛點B標記為“1.0”刻度（單位：g/cm3）；然后以A、B兩點之間長度的110為標準，在整根秤桿上均勻地標上刻度。為了制作出精確度更高的“密度秤”，可以如何改進？

例5和例4同樣是桿秤問題，但例5需要學生綜合運用密度知識、自制溫度計的實踐知識、杠桿模型知識等，列出多個模型公式進行系統(tǒng)分析，需要高階思維的參與。學生解決該問題時會遇到以下思維障礙。

一方面是桿秤自重對學生思維的障礙。假設(shè)杯和水對杠桿的拉力的力臂為L1，杠桿的重力力臂為L0。當杯中不加液體時，根據(jù)杠桿平衡條件，有G杯L1＝G砣LA＋G桿L0，杯中加水至a處時，有（G杯＋G水）L1＝G砣LB＋G桿L0。由兩式化簡可知G水L1＝G砣（LB－LA），因此杠桿自重對密度計刻度并無影響。另一方面是“精度更高”的思維障礙。學生需要遷移運用提高自制密度計精度的方法，把提高自制密度計精度轉(zhuǎn)換成增大A、B之間的距離，然后再結(jié)合上述推導(dǎo)公式進行推理分析并解決問題。與系統(tǒng)層級的問題相比，本題是一個更加復(fù)雜的實際問題，涉及更多的知識、更多的過程以及更加復(fù)雜的推理和計算。學生需要具備較強的遷移運用能力和系統(tǒng)整合能力。成功解決這類問題，標志著他們的模型建構(gòu)能力已經(jīng)達到了整合層級。

4"學習進階視域下模型建構(gòu)的教學啟示

注重“情境進階”。當學生在識別具體情境并決定采用何種模型時，他們需要深入思考該模型適用的條件。這一過程有助于學生更深刻地理解模型的概念和本質(zhì)。在教學過程中，教師可以基于不同情境，科學地引導(dǎo)學生建構(gòu)模型，從那些簡單且易于識別的情境入手，逐步過渡到較為復(fù)雜、難以直接識別的情境，以此來提升學生的模型建構(gòu)能力和應(yīng)用能力。

注重“問題進階”。從關(guān)聯(lián)層級提升至整合層級，對學生的能力要求從解決簡單問題向應(yīng)對復(fù)雜問題逐步進階。問題的類型也經(jīng)歷了從簡化情境向?qū)嶋H情境的轉(zhuǎn)變，從單一知識點的應(yīng)用走向多元知識的整合，同時問題的形式也由封閉式問題逐步過渡到開放式問題。在教學過程中，教師應(yīng)當緊密貼合學生的認知發(fā)展規(guī)律；在設(shè)計教學活動時，教師應(yīng)從簡化的、基于單一知識的封閉式問題出發(fā)，逐級增加難度，最終引導(dǎo)學生解決那些接近實際情境、涉及多元知識整合的開放性問題。在這樣的進階過程中，學生的模型建構(gòu)能力將得到有效的培養(yǎng)與提升，為后續(xù)在高中階段進一步發(fā)展模型建構(gòu)能力奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：5.

［2］皇甫倩，常珊珊，王后雄.美國學習進階的研究進展及啟示［J］.外國中小學教育，2015（8）：53"-59，52.

［3］郭玉英，姚建欣.基于核心素養(yǎng)學習進階的科學教學設(shè)計［J］.課程·教材·教法，2016，36（11）：64"-70.

［4］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：78"-79.

［5］唐黎明.科學思維素養(yǎng)方面“模型建構(gòu)”5級水平的表現(xiàn)性任務(wù)設(shè)計［J］.物理教師，2019，40（7）：34"-38.