跨学科背景下高中生物理模型建构能力测评研究
摘要：“模型建构”是物理学科核心素养中“科学思维”的关键要素之一。发展模型思维，提升学生运用物理模型解决跨学科问题的综合能力，为人才培养提供了有效手段。以跨学科背景中物理建模能力为核心，归纳已有研究的评价要素，建构了测评框架。命制了跨学科情境的物理建模测试题，以１２５名广州市高中学生为研究对象，实施纸笔测验。基于Ｒａｓｃｈ模型对数据进行统计分析，揭示了高中生跨学科背景中物理建模能力的现状与特点，以改进一线教学。
关键词：物理建模能力；跨学科；测评；Ｒａｓｃｈ模型；高中生
中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148（2024）8-0088-5
新课程改革要求学生不局限于理解科学，还应具备跨学科的知识与能力。“跨学科实践”已被纳入《义务教育物理课程标准（２０２２年版）》之中［１］。在课标的指引下，一系列与跨学科相关的主题学习活动、课程设计和评价实践等正蓬勃发展。“模型建构”是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》核心素养中“科学思维”的关键要素之一［２］，它关乎学生能否将真实问题中的对象和过程进行抽象表征，是一种重要的思维能力，与学生解决跨学科问题的水平密切相关。当前，国内外研究者们基于跨学科视角开展测评，但多数聚焦于单个主题［３–５］，针对物理建模能力的研究，也较少要求学生将模型运用到跨学科情境之中［６–８］。
针对上述研究的不足，本文拟研究高中学生跨学科背景中物理建模能力水平。从组成上来看，该能力由“跨学科”和“物理建模”两个要素复合，它是指学生从跨学科背景中提取信息，分析研究对象的主要特征，建构适当的物理模型并通过模型解决相应问题的能力。本研究尝试在已有物理建模理论和跨学科情境试题的基础上，编制出适用于高中学生群体的跨学科背景中物理建模能力测试卷，分析该能力与学生学业成就之间的关联，探寻影响学生解决跨学科情境问题能力的重要因素，提供科学有效的测评工具。
１研究方法
１．１建构测评框架
自以Ｈｅｓｔｅｎｅｓ和Ｈａｌｌｏｕｎ为代表的学者提出科学建模教学的概念开始［９-１０］，已有许多研究者从要素取向、认知取向、行为取向等不同角度提出物理建模理论，开发相应测评量表。Ｈａｌｌｏｕｎ创立了科学建模过程模式理论［10］，将基于问题解决的建模细分为五个环节：模型选择、模型建构、模型验证、模型分析和模型拓展，该模式在物理建模的相关研究中得到广泛借鉴与引用。本研究以Ｈａｌｌｏｕｎ科学建模过程模式理论作为基础，提取四个物理建模子能力，并结合跨学科的要素，制订跨学科背景中物理建模能力测评框架（表１）。学生运用物理模型解决跨学科问题，需经历情境认知—建构模型—表征模型—应用模型的思维过程。
第一，跨学科背景试题中的信息需要被提取与整合，这一过程指向情境认知能力（ＭｏｄｅｌＣｏｇｎｉｔｉｏｎ，以下简称ＭＣＧ）。被试要识别研究对象，推断哪些属性应该被忽略，哪些应该被包括在模型中，其完成度将会影响后续建构模型的准确性。此外，“ModelCognition”的直译为“模型认知”，结合该子能力的内涵以及具体语境，笔者在此将其译为“情境认知”。第二，在整合信息的基础上，通过抽象、理想化、简化和近似等研究方法，将复杂实际问题中的对象和过程转换成物理模型，对应模型建构能力（ＭｏｄｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，以下简称ＭＣＯ）。第三，将物理模型用文字、图像等形式进行表征，兼顾定性与定量特点，对应模型表征能力（ＭｏｄｅｌＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ，以下简称ＭＲ）。第四，将模型应用到跨学科情境中，进行评价、改进与创造设计等，解决真实问题，对应模型应用能力（Ｃｒｅａｔｉｎｇａｎｄｄｅｓｉｇｎｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｍｏｄｅｌｓ，以下简称ＣＭ）。
１．２开发测评工具
基于上述测评框架，选择了历史、生物、地理和工程技术作为跨学科背景开发测评工具。以火药、风力发电等真实情境作为素材，所有试题均以原始物理问题的形式呈现，表2简单描述了试题情境与要求。与传统习题相比，原始物理问题中的数据或条件是隐藏的，与真实情境更为契合［１３］。测试卷共设四道建构反应题，各题依据学生的作答情况对四个建模子能力维度分别进行赋分。
以第一题为例，题干中部分信息如下：“该‘礼花弹’设计精妙，由发射筒、引线、礼花弹、发射药、延期引线等构成。礼花弹从地面沿竖直方向射出，由于延期引线的存在，礼花弹上升到最高点时才炸开。请用物理知识分析礼花弹的运动过程……”。对于此题的作答，被试应识别研究对象，判断礼花弹做竖直上抛运动（情境认知）；发射药引爆后，礼花弹以一定的初速度做竖直上抛，同时延期引线开始燃烧，当上升到最高点时延期引线正好燃尽，礼花弹在最高点炸开。据此，可建立延期引线的长度与飞升时长的