黑箱实验情境下学生建构物理模型的初步研究

摘要

建构物理模型,是指个体通过建立表征外界事物的心智模型用来解释和预测观察到的事物和现象,在与证据进行交互作用以后,建立符合物理世界的模型和理论的过程(Johnson-Laird,1989)1。模型与建模是科学探究中的重要内容,如何开展建模教学,已经成为科学教育研究中新的重要课题。研究学生在黑箱实验情境下如何建构物理模型,对教师创设建模环境,开展有效的探究活动,培养学生的建模能力,提高学生的科学素养具有重要意义。本研究以建模理论为指导,采用黑箱实验作为工具,用半结构式访谈法测查了七、八年级共36名学生,试图了解学生在实验情境下建构物理模型的过程与特点,包括研究学生观察现象与表征心智模型的关系,建模能力的层次,如何对待相异模型,以及应用效化后的模型解决问题的表现。研究任务共分五个阶段进行,即模型选择、模型建立、模型效化、模型应用、模型调度。本研究的评价指标依据亨普尔的“科学理论模型”及Grosslight对模型的分层,参照张志康与邱美虹的“建模能力分析指标”,以PISA划分水平、等级的方法,把学生的模型层次分为经验观察、解释规则、理论系统三个水平,每种层次下再进行细分,以学生达到的模型层次来判断学生的建模能力。研究发现,在模型选择和建立阶段,从整体看,学生建构的心智模型的能力层次与所观察到的现象的丰富性有关,学生面对的现象越丰富,其表征的心智模型水平就会更高。在这个阶段,七、八年级的学生最后所表现的建模能力大部分已经达到理论系统层次,其中达到交互关系层次的占41.7％,达到延伸关系层次的占33.3%,没有学生达到科学理论的层次,只有5.3%的学生处在经验观察层次,10.5%的学生处于解释规则层次。男女生在各个环节的表现上均有提高,但女生在面对实验材料相同的现象时建模水平增长得比男生的快,而男生在面对实验材料不同的现象时建模能力的表现明显要好于女生。在改变心智模型的方式上,发现学生更倾向于保留原有模型的成分,增加或者更换模型中的部分元件。学生的心智模型具有几个特点:一、建构过程受前概念影响。二、具有生成性。三、具有保守型,不易改变。四、非真实性,和物理模型存在差距。在模型效化阶段,面对补充性模型时有完全同意、同意并补充解释、犹豫不决,需观察到证据再下结论三种变化情况,有84.6%的被试在遇到补充性模型时选择接受或者加以重新解释。被试在遇到不相容模型时的表现为忽视不相容模型、拒绝不相容模型、重新解释、外围理论发生改变、理论改变五种情况,只有占总被试38.9%的人改变原有模型,其中包括19.4%的人改变的方式是通过外围理论发生改变来实现的。从学生面对两种相异模型的转变情况来看,学生比较容易接受和自己理论互补的理论,而难以接受和自己模型不相容的模型。正面分析法和“预测——实验”法在心智模型向物理模型转变中具有积极的作用。在通过预测——实验之后,原本在面对不相容模型之后仍持有错误的心智模型的被试中,有60%的学生通过模型改变得出了正确的物理模型。在模型应用阶段,学生所表现出的建模能力和建模阶段的表现相比,整体水平有下降的现象。水平3(22.2%)和水平4(25.0%)的学生的比例之和接近总数的一半,表现出水平2的学生比例最高(36.1%),水平1的学生只占16.7%。在模型调度阶段,学生在新情境下抽象出物理模型的表现还有待提高。最后本文对访谈程序设计以及数据分析等方面进行了反思,并根据研究的结果,从黑箱实验对建模的作用、学生心智模型的特点,基于建模的教学的特点等方面,对科学教育的教学提供了一些参考性意见。

目录

摘要

Abstract

一、前言

(一) 研究背景和意义

(二) 关键词界定

二、相关理论基础

(一) 科学哲学理论

(二) 黑箱理论

(三) 皮亚杰的"图式"理论及其发展

三、相关研究综述

(一) 关于模型与建模的研究

(二) 关于黑箱实验的研究

(三) 对研究的评价

四、研究设计

(一).研究内容

(二).被试的选取

(三).研究工具

(四).研究环境

(五).访谈程序

五、数据分析与讨论

(一) 模型选择和模型建立阶段

1 学生心智模型的建构方式和特点

2 由心智模型所表现的建模能力水平

3 画模型图有助于心智模型的表征和交流

(二) 模型效化阶段

1.学生面对实充性模型时的表现

2.学生在面对不相容模型时的表现

3."正面分析"及"预测——实验"在模型转变中的作用

(三) 模型应用和调度阶段

1 学生在褶似问题情境下进行预测的表现

2 学生的建模能力水平

3 学生在新情境下使用模型的情况

六、研究结论

七、研究反思

八、教学建议

九、参考文献

十、附录

十一、后记