中学物理教师对科学模式教育理解的实证研究_科学论文

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      在科学解释中，模型扮演一个重要的角色。Franco和de Barros指出模型的概念与心智模型在科学教育中越显重要，科学知识的主要价值在于提供我们了解世界的方式，而模型在科学教育中扮演着重要的角色，应加强科学教师对于模型与建模的了解。[1]Justi & Driel指出模型与建模对科学教育的重要性：第一，学习科学：学生应该了解主要的科学与历史模型，以及这些模型的范围与限制。第二，学习动手做科学：应该提供机会给学生创造、表达和测试他们的模型。第三，学习科学本质：学生应该学习模型的本质和认识模型的角色，科学探究的产物，即模型的建构与传播。[2]基于此，本研究基于中学科学模型教育的研究现状，通过文本分析和专家评定得到中学物理模型的基本分类，并对中学物理教师进行半开放式问卷调查，发现教师对学生物理模型学习的期望和教师对学生现状的评定，并比较他们与课程标准和考试说明的一致性，以期对我国科学模型教育的理论与实践提供启示。

      一、中学物理科学模型教育及分类

      模型是科学理论的核心结构，每个科学模型都是对真实世界的反映，从而可以真实反映问题的模式，并发挥其特定功能。而科学模型是对概念系统的映射，存在具体的理论内容及模式，可以是探究式的也可以是发明式的。科学模型对于科学发现和科学创造起着重要的作用，它体现了探究的思维方法和科学的创新，是科学本质教育的主要渠道，因此科学模型教育十分重要。

      （一）科学模型教育的界定

      在科学研究中建立模型是一种基本的、重要的方法，是对事物的一种合理简化，故科学模型是基于科学的各个分支学科而言。以物理学为例，模型有广义和狭义之分，从广义上讲，物理学中的各个基本概念以各自的现实原型为背景，可以称之为物理模型，从狭义上讲，只有反映特定问题或特定具体事物的结构才叫做物理模型。基于此，科学模型是以科学学科为背景（物理、化学、生物等学科），且能够反映出自身特点以及能够反映特定问题或具体事物的结构。中国期刊网有关科学模型教育的学术文章较少，综观科学学科，尤以物理居多，达50篇，而生物20篇，化学不到5篇。科学模型教育是指在通过认识和建立科学模型来理解科学知识和科学发生的过程，从而通过科学探究的方法认识科学本质。[3]

      （二）国内外有关中学物理模型的分类

      国内外关于科学模型的分类存在较大差别，国外的分类方法基于系统论及科学哲学的视角，将科学模型分为个体模型（模型包含一个实体）、交互模型（两个实体相互作用的模型）和系统模型（多个实体复杂作用的模型）。[4]而国内依据不同的学科进行分类，多来自中学一线教师，有着不同的分类依据，类别相互覆盖和交错。以物理模型为例，按照客观存在的实物、制约条件和物理过程的原则，分为（1）实体模型：指研究的对象，如质点组、刚体、弹簧振子、点电荷、恒压电源、匀强电（磁）场、理想气体、孤立系统、点光源、原子模型、薄透镜、核式结构等；（2）条件模型：如轻质细杆、稳压电源、保守力系统、绝热系统等；（3）过程模型：如匀（变）速直线运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐振动、等（温、压、容）变化、做功与绝热过程、电磁感应、光的直线传播、折（衍）射、干涉等。[5]按照研究对象和研究过程的理想化原则，分为：（1）研究对象理想化的模型（如刚体、理想气体、纯电阻、理想变压器等）；（2）运动变化过程理想化的模型（自由落体运动、简谐运动等）。按照所利用模型的种类进行分类，分为：（1）物质模型（又叫实体模型，如弹簧振子、狭缝、薄膜等）；（2）思想模型（又叫抽象模型，如理想导体、绝缘体、自由电子等）。按照模型在空间中存在的形态，分为：（1）事物模型（如质点、弹簧振子等）；（2）空间模型（如光滑面、匀强磁场等）；（3）运动模型（如自由落体运动、简谐运动、理想气体的等值变化等）；（4）理想实验模型（如伽利略所设计的理想斜面实验、气垫导轨实验、小球弹性碰撞实验等）。[6]基于以上分类，考虑后续研究归类具体物理模型，我们将其分为模拟式物理模型和理想化物理模型，在理想化物理模型中，又分为理想化实体模型、理想化条件模型和理想化过程模型。

      （三）物理模型归类的实证研究

      我们首先按照上述分类方法精读人教版中学物理教材、课程标准以及中高考试题，对其中出现的具体物理模型进行文本梳理，并经过由中学老师和大学教授组成的专家团队的三轮评定，最终确立了中学物理教学中较为典型的物理模型共42个（其中初中部分15个，高中部分27个），模型归类见表1。这些模型均是中学物理教学的重点，反映出模型的基本思想，对学生思维发展起着不可或缺的作用。

      

      （四）教师问卷的设计

      教师是教学活动的主要实施者，在教学活动中虽处于客体地位，但其教学设计、教学思想、教学经验对教学效果影响深远。采用半开放式问卷的形式将专家评定后的中学物理模型列表，通过五点法将模型的掌握水平分为五类，即模糊、了解、认识、理解和应用，与课程标准中吻合。教师通过自身教学经验做出教学期望和对学生掌握水平两个方面的判断。此次调查的中学物理教师包括北京海淀、朝阳、石景山、密云和通州这五个地区，每个地区各选择4所初中和高中，示范校和非示范校各占一半，每所中学选择4～8位物理教师，共计276名中学物理教师，其中初中145人，高中131人。

      二、初中物理教师对学生科学模型学习的要求

      针对教师半开放式问卷的量化分析主要采用了描述性分析和比较分析两种形式。描述性分析可以清晰地看出教师对学生的要求水平以及教师期望学生掌握的水平，比较分析可以看出教师期望与教师评估学生实际水平之间的相关及差异，从而反映出教师模型教学的现状。

      （一）初中教师基于科学模型教育的描述性分析

      通过SPSS的描述性分析，对教师要求学生掌握每个模型水平的得分均值进行整理。为更好分析初中教师基于科学模型教育的现状，笔者将其得分归类，并与课程标准以及2013年的中考物理考试说明相比较，以期发现更加科学严谨的结论。就问卷本身而言，初中教师问卷的信度为0.918，属于可信区间。从研究内容而言，教师要求学生掌握模型的水平以理解层面居多（表2），存在一些模型的教学要求高于课程标准和考试说明的具体要求，主要表现在原子结构、杠杆、滑轮和换轮组、光的反射和折射、凸透镜成像。

      （二）初中教师对模拟式物理模型的要求

      初中阶段的模拟式物理模型包含原子结构、磁感线和通电螺线管的磁场三个。通过描述性统计，发现教师要求学生掌握原子结构模型的水平处于认识层面、要求掌握磁感线以及通电螺线管的磁场模型的水平处于理解层面。而教师的教学活动设计离不开课程标准的指导以及最终归结为考试的考查，所以对比课程标准和2013年的中考物理考试说明（图1），可以发现教师在模型教学过程中确实以课程标准为主要指导标准进行教学，对模型教学的要求与课程标准持平，甚至高于课程标准，例如原子结构的模型教学教师要求水平为认识，而课程标准要求为了解，中考不涉及这部分内容，可见教师教学的指导要求源于课程标准而高于课程标准和考试标准。

      

      

      （三）初中教师对理想化实体模型的要求

      初中阶段的理想化实体模型包含点光源、平面镜、纯电阻、杠杆、滑轮和滑轮组5个。其中教师要求学生掌握水平处于理解层面居多（下页图2），而课程标准对于理想化实体这一部分并没有提出明确要求，主要是由于这一部分都融合到具体的问题中，所以并没有单独要求，但在2013年的中考物理说明中明确提出了对杠杆和滑轮、滑轮组的要求，要求学生了解、认识杠杆和滑轮、滑轮组，但由于杠杆、滑轮、滑轮组是中考力学综合的考点，所以教师在教学活动中，对其教学要求往往高于中考说明的要求。

      

      （四）初中教师对理想化条件模型的要求

      初中阶段的理想化条件模型包括理想电源电表、光滑平面斜面、不计绳重摩擦3个，这三个条件模型在初中阶段的学习中所占比例很重（图3）。由于理想化条件并不作为单独考点出现，所以在课程标准和中考考试说明中均未明确提出，但在中考以及日常学习中，电学部分已默认所用电表电源为理想电表电源，在力学中光滑平面、斜面、不计绳重、摩擦是中考考试中经常出现的。所以，教师在教学中要求学生掌握水平为理解层次的居多。

      

      （五）初中教师对理想化过程模型的要求

      初中阶段理想化过程模型主要有光的直线传播、光的反射折射、凸透镜成像和匀速直线运动。这四个模型教师在教学活动中均要求学生掌握到理解的水平，对比考试说明的要求，发现教师在教学活动中比考试的要求更高，而对比课程标准，除了光的直线传播比课程标准要求程度低，其余均高于课程标准，如图4所示。而出现这一现象的原因是由于光现象在中考中所占比例不多，而为了学生可以将物理学以致用，所以在教学活动中要求学生掌握到理解水平。

      三、高中物理教师对学生科学模型学习的要求

      与初中部分类似，针对高中教师半开放式问卷的量化分析也采用了描述性分析和比较分析两种形式。高中阶段的典型物理模型明显比初中的多，而且层次水平差距加大。

      

      （一）高中教师基于科学模型教育的描述性分析

      高中阶段教师要求学生掌握水平理解层面偏多，但也不乏应用层面的模型，这是与初中模型明显不同之处（下页表3）。对比课程标准以及2013年的北京市高考考试说明，教师对学生的要求水平与课程标准和考试说明中的规定存在差异的有电场线、磁感线、卢瑟福原子核式结构、汤姆孙枣糕模型、玻尔的原子模型、质点、点电荷、检验电荷、理想气体、单摆。近三分之一高中物理模型教师要求高于课程标准和考试说明，后两者高于教师要求的仅有不到十分之一。

      （二）高中教师对模拟式物理模型的要求

      高中阶段的模拟式物理模型相较初中阶段增添了等势面模型，同时将原子结构模型细化。主要包括电场线、等势面、磁感线、卢瑟福原子结构、汤姆孙原子结构、玻尔的原子结构。如下页图5所示，电场线模型教师要求学生掌握水平为理解之上，而课程标准和考试说明均要求在理解或应用水平，说明教师对这一模型的教学要求偏低，原因主要是考虑到这一模型比较抽象，需要学生的空间想象能力，且这部分内容在生活中应用较少。等势面亦是如此，而磁感线模型虽然课程标准要求掌握到应用水平，但是由于在考试中较少涉及，所以教师在教学过程中要求学生掌握到理解水平。对于原子结构模型，虽然考试中较少涉及、课程标准中的要求也不高，但为帮助学生理解问题，教师在教学活动中也要求程度较高。

      

      

      高中阶段的理想化实体模型有质点、点电荷、检验电荷、理想气体、单摆、点光源、弹簧振子。如图6所示，其中教师认为对于点光源学生认识即可，其余均为理解水平。对比课程标准，课程标准中将质点的掌握水平设定为认识，点电荷和理想气体为了解，但在教师实际教学活动中，教师将其要求为理解水平，分析其原因主要是由于质点、点电荷是高中阶段非常重要的理想化实体模型，在解题过程中，其理想化思想随处可见，所以教师在教学中对其要求高于课程标准。同时，对于考试说明，教师对学生的要求均高于考试说明的要求。对于理想化实体模型的建立过程分析，也有助于学生思维的发展。

      

      高中阶段的理想化条件模型较少，主要包含直导线、匀强电场磁场、平面镜薄透镜和平行光四个。其中只有匀强电场和匀强磁场是课程标准和考试说明中明确提及的，其余均没有涉及，如下页图7所示。分析其原因主要是由于理想化条件模型在教学活动以及考试中很少单独出现，并不会集中讲解，仅仅是遇到问题时会提及，所以教师在教学中要求学生认识即可，而对于匀强电场和匀强磁场，是高中阶段电磁学习题的主要条件，且对于学生而言带电粒子在匀强电磁场中的运动可以与之前学习的运动学知识相联系，故对于这个条件模型，课程标准中提出了明确要求。

      

      高中阶段的理想化过程模型涉及较多，包含10个具体模型，分别为：匀速直线运动、自由落体运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐振动、光的直线传播、光的反射折射、光的干涉衍射、光的色散偏振以及碰撞模型。由于过程模型最能体现学生的思维发展的主线，所以教师在教学活动中通常对其格外重视，要求偏高。如图8，除自由落体运动、平抛运动外，其余均为理解、应用层面，对于匀变速直线运动、匀速圆周运动和碰撞模型，教师要求学生掌握的水平最高，达到应用水平。对比课程标准和考试说明，对这一部分的模型也有明确要求。教师要求学生掌握自由落体运动和平抛运动模型的水平均低于课程标准和考试说明。但是剖析物理本质，不难发现自由落体运动和平抛运动是匀变速直线运动的特例和合成，教师对学生掌握匀变速直线运动的要求非常高，处于应用水平。这一结果说明了教师重视学生对物理本质规律的掌握。

      

      四、中学物理教师期望与现状评定的比较

      在问卷调查的过程中，不仅对教师要求学生得分进行了统计，同时对教师认为学生的实际掌握情况也进行了统计，这样做不仅可以对比教师在教学活动中要求和实际的对比，以检验教学的有效性，同时为后续与学生的量化调查做比较，更进一步的探究中学科学模型教学的现状。

      （一）初中教师对学生科学模型掌握的期望与现状评定

      初中教师问卷中要求学生掌握水平的教师问卷信度为0.918，学生实际掌握水平的教师问卷信度为0.914，均为可信问卷。数据表明初中教师要求学生掌握模型与教师设想实际掌握水平处于强相关的水平，说明这样的比较是有意义的。双峰检验的差异显著系数均大于0.05，所以无显著差异，进而通过教师问卷可以看出教师进行中学科学模型的教学时认为自身期望与学生实际掌握情况相差不多。

      （二）高中教师对学生科学模型掌握的期望与现状评定

      高中教师问卷中要求学生掌握水平的教师问卷信度为0.905，学生实际掌握水平的教师问卷信度为0.645，均处于可信区间。但与初中教师问卷不同，在检验电荷这一模型中出现了相关性很低，有可能教师在进行评定时将检验电荷与点电荷混淆进行分析，教师对学生期望值远低于教师对学生掌握的评定值。同时在光的反射、折射模型中出现了较大的差异性。

      五、研究启示

      教师是教学活动的主要设计者和实施者，教师对模型教学的认识体现了他们对于物理原理和规律的理解，以及他们科学本质的水平，直接影响其教学的质量和效果，关系到学生对科学模型的认识以及科学本质观，通过理论与实证分析，本研究的启示如下：

      （一）教师针对模型教学的要求普遍高于课程标准，但偶有特例

      在教师的数据调查中，明显可以看到，教师对模型教学的要求普遍高于课程标准和考试说明的要求，初中和高中均有此现象，高中更明显一些。这充分体现了教师对模型教学的重视。但其中也存在一些特例，以高中的电场线和磁感线模型最为突出，而这个差异的存在是有价值的，这恰恰说明了我们在教学活动中所忽略的问题，而这也正是教学的重点和难点所在。

      （二）教师要求、课程标准要求和考试说明要求存在不一致

      在进行教师数据的分析过程中，可以明显看到教师要求、课程标准、考试要求三者的巨大差异，而这种非一致性会增加教师的困惑，影响教学实施的“度”，针对有经验的教师而言，或许可以依据自身的教学经验进行判断，而对于新教师而言，会大大影响其教学的质量和效果。具体来说，初中的光的直线传播这一过程模型，教师要求学生掌握的水平为理解层面，课程标准要求学生掌握的水平为应用层面，而考试说明要求的水平是了解、认识层面。从模型本身而言，这部分与生活经验密切相关，有助于学生认识物理和生活之间的密切相关，但是考试的“低”要求，恰恰反映了我们的考试偏离生活、偏离社会应用。

      （三）教师数据反映出课程标准中忽视模型教学的具体要求

      在进行课程标准和考试说明对模型的要求时，发现很多模型在考试说明和课程标准中均未有明显的要求，这一点以理想化实体模型和理想化条件模型最为突出。分析这一现象的产生，主要是由于我们对模型教学的认识不足，不将模型教学分类分块进行教学，没有认识到模型教学对学生思维发展的深远影响，[7]这是值得我们反思的问题，也是为我们教学创新思路的一种新突破。

      （四）科学模型的显化教育需要分阶段进行

      综合来看，目前中学一线对模型教学的重视不足，而模型教育作为科学方法教育的一种，对学生理解科学本质起到促进作用。但由于学生的认知思维发展受限，接触模型教学需要循序渐进。基于此，我们认为针对中学开展模型教学应分阶段分层次螺旋上升地进行，从高中阶段开始显化教育为宜。初中阶段的教学还是应该以培养学生学习兴趣，引导学生认识科学规律，探究模型建构的过程，建立最基本的物理认识，教师可以在这个阶段开展隐性教育，在日常教学活动中渗透建模思想，为高中学习夯实基础。近年来，国际基础科学教育领域倡导模型建构式探究教学（model-based inquiry），摒弃了传统的科学方法式教学范式，基于模型的科学推理教学理念，倡导学生在科学实践活动中建构、使用、评价、修订模型来解释自然现象，将学习科学知识、发展探究能力和增进科学本质理解融为一体。[8]在中学物理模型教学中，教师可以采用模型建构式探究教学方法，促进学生对模拟式物理模型和理想化物理模型的学习成效，进一步加深他们对科学本质的理解和体验科学探究过程。

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