基于建模机制的中学物理翻转课堂教学效果研究

　　摘要：基于科学模型及其建模的研究以及翻转课堂的研究现状，对中学物理模型进行了分类研究。通过三阶段文本分析、专家德尔菲法、开放式问卷和焦点团体访谈，实证调查了北京24所中学的48个班级的1587名初中生和1625名高中生的物理模型建构机制。通过准实验研究，比较三组学生分别在基于模型的翻转课堂(MFC)、翻转课堂(FC)和基于模型的课堂(MC)中学习物理光学模块课程的情况。研究发现基于模型的翻转课堂(MFC)对于学生物理模型建构的五个阶段的能力均有较大提高；学生在课堂教学品质评定的四个维度(交流与合作、应用与学习、课程技术以及参与度)的分值相对较高；基于模型的翻转课堂(MFC)教学模式可以有效地帮助学生完成新知识学习过程中的三次内化。本研究为教育技术应用于模型教学的方法提供了实践参考，并为学习进阶研究提供了新思路。

　　关键词：建模机制；科学模型；物理翻转课堂；

　　作者简介：王晶莹(1980—)，女，辽宁营口人。副教授，博士，主要从事科学教育测评和教学设计研究。

　　一、研究背景

　　科学模型和建模是国际基础科学教育领域关注的焦点问题，也是达成科学教育三大目标的关键。科学模型是按照科学研究的特定目的，用物质形式或思维形式对原型客体本质关系的再现，具有描述性、解释性及预测性，按照学科分为物理模型、化学模型、生物模型和数学模型等。建模是科学家建立科学理论或问题解决的过程，也是学生发展科学知识的过程，是科学探究和问题解决的基础，对学生学习和认识科学起到促进作用。[1]当代国际科学教育研究也从概念转变发展为模型认知和建模过程，倡导模型建构式教学，变革20世纪以来科学方法为导向的教学理念，将科学学习作为运用证据发展和解释、修正、检验模型的过程。[2]

　　许多概念转变研究未能很好地解释师生对话如何影响科学学习，缺少清晰的机制阐释建模过程，研究取向发生转变，取而代之的是模型和建模的研究。[3]1977年Karplus基于皮亚杰的智力发展理论首次提出学习环的探索、概念引入和概念应用的三阶段论；1989年Clement提出模型建构学习环的假设猜想、评价和修正或拒绝等三个阶段，并认为阶段存在可重复性；1993年White提出动机、模型评估、形式化和迁移的四阶段教学循环；1995年Hestenes认为物理建模作为基本的认知过程，涉及建立模型、分析模型和验证模型等三大部分。随后，Halloun(1996)将问题解决的建模过程分为模型选择、模型建构、模型确认、模型分析和模型调试等五个步骤，他认为模型分析和模型调试在教学中经常被忽略，师生互动和辩论的方法有助于发展这两个步骤。2006年，他进一步提出建模过程的结构化学习环理论，包括探索(Exploration)、模型引用(ModelAdduction)、模型形成(ModelFormulation)、模型调试(ModelDeployment)和范例综合(ParadigmaticSynthesis)等五个循环步骤。探索包括演示(Monstration)和名义模型(NominalModels)两个阶段，基于学生已有认知结构和前概念，引导学生在新问题中造成认知冲突，产生强烈的建立新模型的需求；模型引用包括可信模型(PlausibleModel)和调查设计(InvestigativeDesign)，能够将学生的注意力固定到可信模型，并据此进行实验设计；模型形成是学习环的关键部分，学生基于前两个步骤完成调查和最初的模型形成，进一步完成理性模型的外推；模型调试开始于基本调试(ElementaryDeployment)，对已经建构的模型进行初步的分析和练习，然后再进行范例调试(ParadigmaticDeployment)，建构新的模型并纳入认知结构中；范例综合主要对模型进行批判性评价，涉及效度、信度和一致性，学生通过自我评价和自我管理进一步形成范例综合。建模过程创造机会让学生成为模型的创建者，建模活动涉及对某事物建立模型，面对任务需求，学习者作出反应，利用先前知识和新信息，在模型形成过程中构建关于现象的心智模型，通过认知结构的失衡和重组，最终完成概念转变。[4]

　　“翻转课堂”(FlippingClassroom)近年来成为全球教育界关注的热点，它是指学生在课前利用教师制作的数字材料(音视频、电子教材等)自主学习课程，然后在课堂上参与同伴和教师的互动活动，并完成练习的一种教学方式。[5]翻转课堂的主旨是教学流程变革所带来的知识传授的提前和知识内化的优化，关键是教师和学生之间的关系、地位和作用发生了本质的变化。传统教学过程通常包括知识传授和知识内化两个阶段，前者通过教师在课堂中的讲授来实现，后者通过学生在课后通过作业、操作或者实践来实现。在翻转课堂上，这种形式被颠覆，知识传授通过信息技术的辅助在课后完成，知识内化则在课堂中通过教师的引导与同学的协助来完成。学生的学习如何发生，跟课堂教学中知识内化的机制密不可分，即学生如何掌握所学知识并加以应用，重在强调学习者个体如何利用已有知识和经验感知理解外界的新信息。[6]翻转课堂通过教学流程翻转，分解知识内化的难度，增加知识内化的次数，促进学习者的知识学习。[7]

　　二、物理模型分类的研究过程和方法

　　(一)模型分类和建构机制的研究流程

　　首先采用三阶段文本分析(课程标准、主流教材、中高考题)梳理物理模型，再利用德尔菲法，由中学教师和中教法学者组成39人的专家组，中学物理教师31人(初中14人，高中17人)，学者8人(北京教研和高校各4人)。采用典型取样，选取北京海淀、朝阳、石景山、延庆4个区，初高中示范校和非示范校分别选取1~2所，每所选取1~2位物理教师(教龄6年以上)。专家组对物理模型及分类进行评定，包括三轮半开放问卷和焦点团体访谈，确定模型及其归类，得出模型认知水平的评定量表，对学生进行量化测评，包括自我评定、同辈评定(每人随机选取同班4名同学评定，取均值)、物理教师评定和上一年度物理期末成绩(转为五等)，四者取均值作为该物理模型的认知水平，参照课程标准对学生的能力水平从低到高依次为模糊、了解、认识、理解和应用的五点(0~4分)等级评定。量化部分同样选取4个区，每个区选取初高中各3所(示范校、普通校、薄弱校)，每所中学(九年级、高三年级)随机选取2个班，共计24所中学，48个班级，初中1587人，高中1625人。基于物理模型认知水平的统计结果，利用回归分析探究建模机制。

　　(二)中学物理模型分类的质性研究

　　按照模型功能和认知水平进行两级分类，分为模拟式和理想化物理模型，前者形象、直观，利于清楚地认识事物，后者在原型的基础上，经过科学抽象建立研究客体。根据后者的认识水平从低到高细化为理想化实体模型、条件模型和过程模型。按照物理模型分类标准实施质性研究的第一阶段，三位研究者对课标进行统计，初中课标明确出现的物理模型有7个(模拟式2个，理想化5个)，高中课标有14个(模拟式3个，理想化11个)。二者均以理想化物理模型为主，初中模拟式物理模型单一，高中涉及过程模型(50%)、条件模型(21%)和实体模型(7%)。第二阶段梳理人教版中学物理教材，经三位研究者统计，初中有25个，其中模拟式5个(20%)，理想化20个(80%)。高中(物理1、2和选修3)有53个，其中模拟式7个(13%)，理想化46个(87%)。教材中的模型数量高中多于初中，均多于课标。第三阶段考查北京近五年中高考题。2009—2013年北京中考考察模拟式物理模型3个，理想化15个(实体2个，条件3个，过程10个)。2011年起，中考出现模拟式物理模型，涉及通电螺线管的磁场、模拟分子热运动和重力。中考的理想化模型虽然数量多，但考点固定，实体模型中的杠杆、滑轮连续五年必考。近四年高考均涉及模拟式物理模型，理想化考察无大变化，实体模型以质点和点电荷为主，条件模型涉及不计阻力、匀强电、磁场，理想电表等，过程模型以运动模型为主。通过三阶段文本分析取并集，按照分类标准归纳，得到初中22个和高中36个模型，设计德尔菲法半开放问卷。首轮专家问卷发现，初中22个模型的8个和高中36个模型的10个有争议，经过两轮专家问卷和焦点团体访谈，删去初中的分子排列、物态变化、热传递、分子热运动、摩擦起电、电磁感应、物体浮沉过程；删去高中夸克模型、纯电阻电容和电感、力学和保守力系统、电磁感应、分子热运动、原子核衰败；将无限长直导线改为直导线。删去原因有教学涉及少、过程复杂等。最终确定物理模型42个(初中15个，高中27个)，具体见表1。

　　三、物理建模机制和翻转课堂教学设计研究

　　(一)学生物理光学模型建构过程的回归分析

　　考虑到知识的互通性及模块分类，以及量化数据反映学生对模型的认知程度，通过一元线性回归和逐步回归分析可以挖掘学生物理模型的建模机制。对光学的建模机制进行探讨，其他模块均可按照此法研究。光学模块的物理模型在初中阶段涉及光的直线传播、反射折射和凸透镜成像，高中阶段涉及光的直线传播、反射折射、干涉衍射和色散偏振。通过对初中光学模块物理模型回归分析的解释力数据和回归系数统计，可以得出初中光学模块学生的建模路径(如图1所示)。在这一认知路径中，光的反射和折射的解释力比较强，为0.674，光的直线传播解释力为0.037，同时回归分析的系数也是光的反射和折射较大，为0.496，光的直线传播为0.378。可见，光的直线传播和光的反射、折射模型的认知水平均对凸透镜成像的模型建构有影响，其中光的反射和折射影响较大，且有67.4%的解释力，同时，光的直线传播和光的反射、折射之间的认知也存在较大的相关性，相关系数为0.861，这两个模型的建构显著相关。

　　同样，将高中光学模块进行路径分析(如图2所示)，光的直线传播是学生认识的基础模型，对光的反射和折射模型的建立影响最大，对光的干涉和衍射次之，它同光的反射、折射一起影响着光的干涉、衍射模型的建构，但是后者的影响相对较大(0.828)，对光的色散、偏振建模影响最大的是光的干涉、衍射模型，其他影响较小，学生的认识发展呈链状发展，光学模块知识呈现螺旋上升的结构。从该模型的路径图可以看出，学生光学模块模型建构的主线是“光的反射、折射———光的干涉、衍射———光的色散、偏振”。同时，光的反射、折射是这一认知链条的源端，教师在教学过程中应该注重源头模型的建模，了解学生的心智模型。值得注意的是，在学生认识光的直线传播模型和光的色散偏振模型之间的标准化回归系数是负值，这说明认知的影响是光的色散偏振影响着光的直线传播，但是影响程度并不高。

　　(二)基于建模机制的物理翻转课堂教学设计和实施

　　根据学生光学建模机制，依次设计高中物理光的反射、干涉衍射以及色散和偏振等三部分模块，每个模块由微视频+网络平台自测题+课堂问题解决构成，按照认知水平和学习进阶设计微视频配合课堂教学和复习课，并强化光的反射和折射的模型反思环节的习题内容。学生依次完成每个模块的自学后，提交自测题答案，然后进行课堂学习，再完成网络平台的课后自测，记录学生的建模水平，之后才能进行下一模块的微视频学习。每个模块的课前和课后自测评定与模型认知的五级水平一致，学生在网络平台完成自测后，系统会纪录学生该部分模块学习的建模水平，便于教师了解学生的认知水平，在课堂教学环节有针对性地对学生进行问题解决，课后对学生的建模水平进行形成性评价。

　　物理翻转课堂由四个阶段构成：问题引入、视频学习、问题解决以及评价和反馈，与物理模型建构的前四个阶段对应，即探索、模型引用、模型形成和模型调试(如图3所示)。问题引入阶段基于学生知识经验，教师提出问题，并将录制好的课堂教学视频通过微信发给学生，同时放在课程学习网络平台，知识内化由此开始。学生自己观看教学视频，通过微信朋友圈和课程学习网络平台反馈学习效果，解决教师提出的问题，发现自己学习中的知识难点。此为关键阶段，是第一次知识内化，学生原有的认知结构和新的知识发生作用，这个阶段如果激活了正确的概念，就能抑制错误的前概念。在问题解决阶段，教师通过微信朋友圈和课程学习网络平台收集学生自学中的疑难问题，与学生在课堂上交流和解决，并鼓励小组共同参与。[7]这是第三个阶段，为第二次知识内化，学生原有知识是前概念，师生共同学习正确概念，通过合作学习，记忆比较深刻，抑制前概念的可能性增强，而课堂练习以及教学评价和反馈完成了第三次知识内化。翻转课堂的全过程完成了三次知识内化，第一次知识内化是第二次知识内化的前概念，第三次知识内化是再一次加深。翻转课堂通过“问题引入—视频学习—问题解决—评价和反馈”的过程实现知识的多次内化，最终建构正确的知识概念。本研究设计的教学模式翻转了教学流程，分解了知识内化的难度，增加了知识内化的次数，同时基于物理模型建构机制，融合了知识内化的基本原理，即学生学习光学模块的建模机制。

　　四、基于学生建模机制的物理翻转课堂教学效果分析

　　选择北京某示范高中高二年级三个平行班，分别采取三类教学手段：基于建模机制的翻转课堂教学(Model-basedFlippingClassroom，MFC)、无建模机制的翻转课堂教学(FlippingClassroom，FC)和建模机制的传统课堂教学(Model-BasedClassroom，MC)，三个班学生人数依次为39、38和36人。在控制无关变量方面，采用同一位物理教师授课，教学内容和课程进度一致，只是教与学的方法不同，光学教学过程完成后，使用两套问卷，分析同一班级学生课程前后物理建模能力的差异、三个班学生建模能力的后测差异以及三种教学方法的教学品质。采用混合研究法，第一套测查物理建模能力的问卷为纸笔测试，由选择题和实际应用题组成，通过三位研究者对纸笔测试的定量数据进行量化编码，从模糊、了解、认识、理解到应用共分0~4级，得出物理建模能力五个阶段的评定等级，具备较好的评分者内部一致性信度(.882)。第二套测查教学品质的问卷采用SPIQ工具，[9]利用李克特五点量表评定。首先比较不同教学方法的三个平行班学生在光学模块教学前后的物理建模能力平均分，总体看来，学生在课程之后的物理建模能力比之前有不同幅度的提高，其中提高幅度较大的是MFC班，相对而言，五个阶段的物理建模能力平均分依次降低，即这五个阶段的物理建模能力难度依次加大，同样反映在课程的前后测中(见表2)。MFC教学模式对物理模型建构的五个阶段的能力均有较大的提高，除范例综合外，其余四个阶段的建模能力在前后测中均有显著差异，并且探索阶段在.05水平上存在显著差异，其余三个阶段在.01水平上存在显著差异；FC教学模式对物理模型建构的能力也有一定的提高作用，探索和模型引用阶段在.05水平上存在显著差异；MC教学模式对模型形成和模型调试具有较大的促进作用，在.05水平上存在显著差异。但是三种教学模式均对范例综合阶段的物理建模能力作用甚微。

　　为进一步研究课程前后班级间差异，考虑融合班级因素后的情况以及三组学生差异，检验三组样本均数差别的显著性，采用方差分析比较MFC和FC组学生，以及MFC和MC组学生课程前后在物理建模能力五个阶段的差异。前测中没有发现显著差异(见表3)，后测中，MFC组与其他两组相比，在物理模型建构的探索、模型引用、模型形成和模型调试这四个阶段存在显著差异，并且MFC与FC教学模式相比，显著提高了模型形成和模型调试阶段的能力；与MC教学模式相比，显著提高了探索和模型引用阶段的能力(见表4)。同时说明，MC有助于学生物理建模过程中的模型形成和模型调试能力的提高，FC有助于学生物理建模过程中的探索和模型引用能力的提高。因此，综合二者的MFC模式对这四个阶段的物理建模能力均有较大的促进作用。

　　课堂教学品质采用了Ara觡o-Ocuaman博士2000年的学生课堂感知问卷(StudentPerceptionofInstructionQuestionnaire，SPIQ)，考察教学品质的交流与合作、应用与学习、课程技术、参与度等四个维度。[10]交流与合作是考察课堂教学过程中，生生、师生在传统课堂的交流与合作状况，以及在翻转课堂过中，学生使用数字设备或者交互平台等交流与合作状况；应用与学习是研究学生在课堂中的学习策略和经验；课程技术是研究学生对课程资料和视频技术的使用状况，关注学生对课程技术的接受度与需求程度。计算课堂教学品质四个维度的平均值(如图4所示)，MFC组学生在课堂教学品质评定的四个维度的分值相对较高，FC组在课程技术维度的分值明显高于MC组，后者在交流与合作以及应用与学习维度的分值明显高于前者。这说明MFC教学方式融合了FC和MC的优势，课堂教学品质也优于二者的简单叠加，极大地提高了学生的参与度，收到较好的教学效果。

　　五、启示和建议

　　研究表明，基于建模机制的翻转课堂教学对学生的物理模型建构能力有较大的提高作用，除了范例综合外，其余四个阶段的建模能力在前后测中均有显著差异。FC教学模式对学生的物理模型建构能力也有一定的提高作用，在探索和模型引用两个阶段的前后测存在显著差异，MC教学模式对学生的物理建模能力中的模型形成和模型调试具有较大的促进作用，但是三种教学模式对于范例综合这一阶段的物理建模能力作用甚微。MFC组与其他两组相比，在物理模型建构的探索、模型引用、模型形成和模型调试等四个阶段均存在显著差异，并且MFC与FC相比，显著提高了模型形成和模型调试阶段的能力，与MC相比，显著提高了探索和模型引用阶段的能力。MFC组学生在课堂教学品质评定的分值相对较高，FC组学生在课程技术维度的分值明显高于MC组，后者在交流与合作以及应用与学习维度的分值明显高于前者。实施翻转课堂班级的学生在交流与合作、对课程技术的使用方面明显优于没有运用教育技术的对照班，学生对教学中的交流与合作较为满意。基于模型建构的物理翻转课堂能够有效改善教学品质，很好地完成三次知识内化的过程，更好地实现物理新知识的迁移。

　　科学教育中的模型教学也称为基于模型的教学，在我国理科教育中应用广泛，体现了科学本质的探究过程，能够更好地实现科学探究的教学理念。[11]近年来，国际科学教育界倡导基于模型的探究教学，因为模型和建模在科学探究中起到关键作用。[12]基于模型的探究教学强调学生在学习过程中提出问题和设计过程，实施科学实验，并且形成和交流研究结果，努力揭示科学现象，基于科学探究的结果构建或者重建模型。[13]基于模型的推理在某种意义上说是科学原则建构的基石，所有科学原理都是科学家通过模型建构以探究的方式构建和解释数据的本质。[14]因此，发展、使用、评价和修正模型以及相关的解释在科学探究中起到核心作用，也是学生科学教育的显著特征。基于已有研究，[15]国外学者进一步提出模型教学的五个教育学概念框架：表达的模型(ExpressiveModeling)、实验的模型(ExperimentalModeling)、评价的模型(EvaluativeModeling)、发现的模型(ExploratoryModeling)和模型循环(CyclicModeling)，这一概念框架被国际科学教育界普遍接受，在模型教学中可以应用其中的一个或几个。学生在表达的模型阶段发表他们对生成模型的想法，通过实验模型，学生收集数据验证和提高他们的模型，评价的模型阶段帮助学生比较同辈之间的异同，在发现的模型阶段，教师会讲解科学模型例证其科学规律；“循环的模型”是学生在整个教学过程中调整模型的阶段。[13]Prain和Waldrip提出，学生在理解复杂化的模型表征方面存在困难，教师需要对模型建构过程进行必要的训练。Lopes和Costa也赞同他们的观点，认为此类的训练非常必要。本研究表明，学生模型的认知过程存在内在联系，其心智模型体现了某些规律性，根据这些规律性设计翻转课堂教学模式，有助于学生新知识的内化。学习进阶是美国2012年颁布的新一代科学教育标准的核心研究领域，目前在国内学术界得到较高的理论和比较研究回应，而本研究可以更好地在实践上佐证学生科学模型建构过程的认知机制，能够为学生科学合理地设定学习路径，成为学习进阶研究的关键，为我们提供了打开学生理科学习过程黑箱的金钥匙。