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高中生物理建模能力及其培养对策研究

袁媛  
【摘要】:在科学技术蓬勃发展,国际竞争日趋激烈的今天,科学教育的重要性日益彰显。科学教育是公民科学素养和创新能力培养与发展的重要途径。在进入二十一世纪后,西方各国将科学教育培养的关注点从“科学探究”能力转向“科学实践”能力,科学实践成为实现“学生学习真正科学”的关键。美国《K-12框架》将科学实践分为包括科学建模在内的八项实践活动,但这八项科学实践的地位并不相同,其中科学建模是贯穿其他科学实践的核心,是最重要的科学实践。科学建模是自然科学各学科基体中普遍存在的基本元素,它既具有跨学科的共性,同时,又具有学科领域的独特性。而物理学作为自然科学其他子学科的基础,物理建模是科学建模中最重要、最能彰显科学建模特征的部分。物理建模能力已经被纳入我国物理学科核心素养指标体系,成为高中生物理核心素养中的关键能力。建模之于科学及科学教育的重要性被广泛的认同,但建模能力的重要性与目前学生建模能力的发展水平并不匹配。大量研究发现,中学生不具备对模型和建模本质的深层次的认知,更缺少用模和建模的能力,我国中学生物理建模能力水平亟待提高。培养学生物理建模能力就需要高质量的研究成果作为理论支持和实践指导。然而,我国教育界对物理建模能力的研究起步较晚,对物理建模能力的内涵尚未形成一致性的理解,尚未明晰物理建模能力的结构,对学生建模能力培养的实施路径缺乏深入的思考。总之,无论是从国家科技竞争力提升的外在环境驱动,还是科学教育范式转换的内在需要都要求培养学生的物理建模能力。培养学生物理建模能力的基础和前提就是要明晰物理建模能力的结构。因此,本研究选定在物理学的特定学科视角下,考察建模能力的结构和学生建模能力的培养问题,该选题的研究对学生物理学科核心素养的培养与发展具有理论和实践意义。本研究围绕物理建模能力构成要素及物理建模能力培养对策展开研究,主要聚焦四个方面的问题:其一是通过分析和梳理前人的研究成果,界定物理建模能力的概念,并探寻本研究的理论基础;其二是构建物理建模能力构成要素框架;其三是调查分析我国高中生物理建模能力培养现状;其四是在揭示物理建模能力培养问题及其成因的基础上,提出培养高中生物理建模能力的实践对策。本研究对物理建模能力概念的界定是个体具备一定的物理建模意识,能从实际物理问题中抽取出描述问题本质的核心要素及要素间的关系,进而构建物理模型来解释和预测现象的能力。根据Spearman智力二因素论和Wechsler的“智力中的非智力因素”理论,我们认为物理建模能力是一个认知能力和非认知能力统一的智能系统,它既包括非认知能力中能发挥原动力和惯性作用的因素,还包括个体参与科学实践活动所要求具备的共同的基础能力,以及指向物理建模实践活动的特殊能力。物理建模能力最终体现为个体建构物理模型并应用于问题解决的质量和水平。本论文主要从以下几个方面进行论述:第一章,主要阐述了研究背景、内容、方法、设计等,确定了在物理学的特定学科视角下,考察建模能力结构和学生建模能力培养的问题。第一部分:理论观照,由第二和第三章组成。第二章,从智力结构研究、建模能力结构模型研究、培养学生建模能力的教学研究、建模能力评价研究四个相关领域进行国内外相关研究综述。第三章,界定了本论文的四个核心概念:模型、建模、物理建模、物理建模能力。明确了以Spearman智力二因素论和Wechsler的“智力中的非智力因素”理论、Schwarz的科学建模能力结构理论、Hestenes的物理建模循环教学理论、Halloun建模过程模式理论为本研究的理论基础。第二部分:实证研究,由第四章和第五章组成。本部分将既有理论与事实材料相结合,运用扎根理论研究方法构建物理建模能力构成要素框架,并基于该框架设计问卷,调查高中生物理建模能力培养的现状。第四章,运用扎根理论研究方法建构物理建模能力构成要素框架,并采用科学知识图谱方法检验该框架的信度。具体做法,在遵守卡麦兹提出了四点扎根理论分析原则的基础上,通过深度访谈,获取了 35位物理或科学建模能力表现突出的专家(包括科研人员和物理教师)的建模经历和建模过程中的身心特征的原始资料,将这些原始资料转录为三十余万字的访谈文本。对这些文本资料进行三级编码。第一步,通过初始编码进行概念汇总,采取“逐行编码”策略,对转录的访谈文本每一行数据进行命名,仔细阅读并研究访谈原始资料的每个数据片段(词、句子、段落等)。本研究秉承对数据保持开放的“共鸣”原则,共寻找到能体现个体物理建模能力的3663条数据片段。第二步,进入“精准选择”的聚焦编码阶段,对已有的初级代码进行判断,有些代码或概念在原始数据中反复出现,形成一定的规模。这些代码往往是最重要的,且最能敏锐和充分地分析数据的概念,我们将其纳入聚焦编码的范畴。通过不断地进行数据间的比较,把3663个初级代码聚焦为11个上位的代码,它们分别是:成就动机、专业兴趣、性格特征、分析力、迁移应用、自我发展、交流与合作、专业知识、专项经验、模型思维、元建模知识。第三步,通过轴心编码实现对物理建模能力构成要素的类属的具体化。从11个聚焦代码中只提取出“非认知因素”、“基础能力因素”和“专项能力因素”三个能力类属,围绕这三个类属建立关系网络,将零散的、不同等级和类型的代码组合为具有统领性的、能够将代码意义全部囊括其中的连贯统一体。第四步,逐一剖析“非认知因素”、“基础能力因素”和“专项能力因素”下的各要素指标。本研究最终构建出由三个类属及其下的11个要素指标共同构成的物理建模能力构成要素框架。这三个类属分别是:“非认知因素”、“基础能力因素”和“专项能力因素”。其中,“非认知因素”又包含成就动机、专业兴趣和性格特征3个要素;“基础能力因素”包括分析力、迁移应用、自我发展、沟通交流与合作4个要素;“专项能力因素”包括专业知识、专项经验、模型思维和元建模知识4个要素。第五步,借助科学知识图谱,探寻我国教育研究者在研究学生物理或科学建模能力培养问题时所关注的关键词。这些关键词中的部分高频、强中心性和高突现词能反映研究者所聚焦的物理建模能力构成要素,再结合对高频关键词的因子分析,得到主成分的累计方差贡献率,合并考察两部分量化分析的结果,实现对质性分析结论的检验。第五章,对高中生物理建模能力培养现状进行调查分析。以物理建模能力构成要素框架的三个类属为维度设计“高中生物理建模能力培养状况”的问卷,调查物理教师对高中生物理建模能力的培养情况。同时,基于物理建模能力构成要素框架分析我国现行科学课标和物理课标,揭示国家政策性文本对学生物理建模能力培养的影响和制约情况。第三部分,对策和建议,由第六章和第七章组成。依照第二部分培养现状的调查研究,提出培养学生物理建模能力的对策。第六章,在参阅高中生智力发展特征和物理建模教学的大量研究成果基础上,依据问卷调查和课标分析的结果,剖析当前我国学校教育在培养学生“非认知因素”、“基础能力因素”和“专项能力因素”方面存在的突出问题,并针对这些问题,提出学校教育培养学生物理建模能力的对策。第七章,对本论文研究工作进行总结,包括研究结论、论文创新点和下一步的工作展望。


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