高中生科学思维培养的现状调查与分析①

2023-11-02 04:11黄皓燕刘孝琪
物理之友 2023年8期
关键词:高二要素建构

黄皓燕 刘孝琪

(江苏省南京市金陵中学,江苏 南京 210005)

1 问题的提出

《普通高中物理课程标准(2017年版)》(以下简称课程标准)指出:物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。课程标准将科学思维能力划分为5级水平,给出了学业质量水平描述。根据课程标准编写的新教材从2019年起逐步在全国推广使用。本研究根据课程标准对科学思维的水平划分、教学建议及评价建议设计问卷,调查高中学生科学思维水平的现状,以了解课程标准实施后,学生科学思维水平的发展情况,并提出教学建议。

2 调查对象

调查对象为南京市金陵中学、南京市宁海中学、南京大学附属中学的高一、高二选修物理科目的学生,这三所学校均为“四星高中”,调查时间均是学年末。共收回1525份有效问卷,其中高一年级学生的有效问卷800份,高二年级学生的有效问卷725份。

3 学生调查问卷的设计

3.1 学生调查问卷的结构

本问卷共有25道题,其中1~3题为多选题,4~25题为单选题,分别从科学思维的4个要素及其子维度进行内容设计,其中模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新分别有3、6、2、2个子维度。

3.2 问卷信度分析

问卷中22道单选题均采用5等级计分法:A(非常不同意,1分)、B(不同意,2分)、C(不确定,3分)、D(同意,4分)、E(非常同意,5分)。

我们对问卷采用Cronbach的Alpha表测量数据的内在一致性信度,整个问卷内在一致性信度α=0.931。α≥0.9时,信度相关性非常好,可见整卷内在一致性信度良好。

4 调查结果分析

4.1 “模型建构”要素子维度调查情况

4.1.1 “物理模型”认知情况

第1题:(多选)你觉得以下哪些是物理模型?

A. 质点 B. 光滑斜面 C. 点电荷 D. 平抛运动 E. 匀强磁场 F. 匀速直线运动状态 G. 弹性碰撞 H. 电场线 I. 光的干涉与衍射 J. 原子核式结构模型 K. 单摆 L. 以上没有物理模型。

调查目的:了解学生对常见物理模型的认识,考虑到高一、高二学生学习内容不同,所以,高一年级设置了A~H选项,高二年级增加了I~L选项。

图1为题1调查情况的柱状图。高一学生选择“质点”“点电荷”“电场线”“匀强磁场”的比例分别为:80.63%、77.88%、78.63%、51.63%,说明学生对物理模型的整体掌握较好,选择匀强磁场是物理模型的明显少一些,只有51.63%,此时高一学生只学了必修三第十三章《电磁感应与电磁波初步》的第1节“磁场 磁感线”,还没有较好地认识匀强磁场模型。学生选择“平抛运动”“匀速直线运动”“弹性碰撞”的比例分别为:37.88%、27.63%、39%,表明高一、高二学生对于物理过程模型的认知较差,可能和教学中教师不特别强调有关。对条件模型的认识主要设置了“光滑斜面”选项,64.38%的同学选择了“光滑斜面”为物理模型。

图1

对于高二年级增加的部分,选择“光的干涉与衍射”“原子核式结构模型”“单摆”的比例分别为:21.52%、78.48%、61.38%,整体也是明显好于对其他模型的认识。选择“光的干涉与衍射”的比例为21.52%,比例最低,可能有些教师也不会强调“光的干涉与衍射”是过程模型。对“质点”“点电荷”“电场线”的认知,高一学生比高二学生要稍好些,可能是高二学生对高一年级学习的内容有些遗忘,对“光滑斜面”的认知,高二学生好一些,可能是因为光滑斜面在高二年级的学习内容(磁场、电磁感应)中有所涉及。另外,高二年级增加了“L.以上没有物理模型”选项,有3.59%的学生对物理模型没有印象。

4.1.2 “模型建构”要素子维度得分情况

表1呈现了“模型建构”要素各子维度的平均分以及标准差。两个年级的学生“建模意识”子维度的均分都在4分以上,中数和众数均为4;“建模能力”子维度的均分分别为3.91和3.88,比较接近4分,中数和众数也均为4,说明学生比较认可自己的模型建构意识,建模能力则稍弱些。“模型教学”子维度两个年级的均分分别为4.17、4.18,是得分最高的,说明教师重视模型教学,并得到同学们的认可。高一、高二学生“模型建构”素养的总均分为4.00和4.01,中数和众数均为4,可以看出学生的“模型建构”能力较强。高二学生的建模意识稍强于高一学生,但建模能力却稍弱于高一学生,整体水平相当。

表1

4.2 “科学推理”要素子维度调查分析

表2呈现了“科学推理”要素中各子维度的平均分以及标准差。可以看出高一、高二学生在其中三个子维度的平均分均高于4分,中数和众数均为4。如在学生学习了匀变速直线运动后,很自然地会运用匀变速直线运动的特点来分析自由落体运动,能在新的情境中对综合性物理问题进行分析和推理,获得正确结论并作出解释。高一、高二学生在“归纳推理”“物理研究方法”子维度的平均分均低于4分,说明学生在物理研究方法的认识和应用方面还需要加强。

表2

4.3 “科学论证”要素子维度调查分析

表3呈现了“科学认证”要素中各子维度的平均分以及标准差,所有子维度的中数和众数均为4,高一、高二、学生的“论证意识”比“评估能力”得分均高一些。在两个子维度上高一学生均稍强于高二学生。

表3

4.4 “质疑创新”要素子维度调查分析

4.4.1 “质疑创新”要素子维度得分情况

表4呈现了“质疑创新”要素中各子维度的平均分以及标准差,两个子维度的中数和众数均为4,平均分都没有达到4分。对于高中生而言,“质疑创新”要素确实是较高的要求,可能与我们的教育中对学生质疑能力的重视不够有关,与教材、老师的权威地位也有关。

表4

4.4.2 “创新意识”情境题调查分析

第3题:在探究摩擦力与压力关系时,你是否对用手拉动弹簧测力计使物体匀速运动的方法产生过质疑,并想办法去改进实验?

A. 我想过并提出了更好的解决方案

B. 我想过并提出了自己的解决方案

C. 想过,但想不出解决方案

D. 想过这个问题

E. 书上的都是对的

图2为本题调查结果的柱状分析图,选择A和B选项的高一学生共有54.25%,高二学生共有43.59%,说明近一半的同学有质疑能力,并能提出自己解决问题的方案。高一学生中有6.00%、高二学生中有11.45%选择了E选项,说明还是有少数同学在机械地学习物理。选择A和B选项的高一学生比高二学生多10.66%,选择E选项的高一学生比高二学生少5.45%,可能的原因是:(1) 这是高中物理必修第一册的演示实验,是高一上学期的学习内容,高二学生遗忘度相对高些;(2) 高二学生的学习难度加大,学生的自信心不足。

图2

4.5 科学思维四个要素调查分析

“科学思维”四要素得分情况如图3所示,可见:“模型建构”要素得分最高(高一4分、高二4.01分),“质疑创新”要素得分最低(高一3.85分、高二3.74分)。对于“科学推理”“科学论证”“质疑创新”要素,高二学生的得分均稍低于高一学生的得分。

图3

5 调查结果与分析

5.1 调查结果

(1) 通过对3所学校学生的调查,结果表明:学生的科学思维能力较强,说明课程标准对科学思维的要求及2019年版教材有利于学生思维能力的培养。

(2) 对高一、高二学生科学思维现状调查的结果进行对比,高一和高二学生的科学思维能力相当,高二学生的科学思维能力比高一学生略低。

5.2 高二学生科学思维能力略低的原因分析

(1) 高一年级的学习难度低于高二年级,同时高二学习内容主要是电学和近代物理,学习内容难度更大、更抽象,部分高二学生产生了畏难情绪。

(2) 接受调查的高二学生是使用2019年版教材的第一届,教师也是第一次教,调查的高一学生是使用该教材的第二届,教师在上一届探索的基础上,通过教研交流等加深了对新课标、新教材的理解,能更好地培养学生的科学思维能力。

6 教学建议

6.1 重视科学思维能力的培养

以学生对模型的认识为例,第1题中12种模型都是常见的,高中学习的第一个物理模型是“质点”,课本上对这一模型进行了详细的介绍,是学生选择最多的,但高一学生选择的比例只有80.63%,高二学生还有3.59%的学生认为“以上没有物理模型”。“质点”作为高中物理中第一个物理模型,老师一定是重点讲解和说明的,所以给学生留下了深刻的印象,至于后面的部分模型,可能在新授课时没有特别强调,靠学生自己领会模型毕竟是困难的。其他三个要素学生的认可度均低于“模型建构”要素,所以在教学中我们要充分重视科学思维能力的培养,同时也要发挥学生的主观能动性,引导学生自主建构模型、提升科学思维能力。

6.2 物理教师要提升自身的教学能力

科学思维培养的主阵地是课堂,学生最认可的培养科学推理的有效方式是“物理问题解决过程中对思维的引导”,教师应充分认识到:教学不能仅仅围绕应试或解题,更要关注对学生思维的引领,提升自己的教学研究能力,课堂才能成为启迪学生思维的生态场域。

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