同步理论指引下的学生物理核心素养发展研究

张萱　刘爱芬

摘 要：教育教学经验需要经过科学验证，才能更好地为教育教学服务.运用同步理论，选择参照班和实验班研究学生进班前和进班后的学习态度、习惯和学业成绩，并进行统计研究.

关键词：物理核心素养;激励;同步理论;时滞

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）07-0009-03

作者简介：张萱（1982-），男，江蘇扬州人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学;

刘爱芬（1984-），女，江苏扬州人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理学科教学.

1 同步理论简介

同步现象广泛存在于自然界、社会生活和经济领域.如在剧场看节目的观众，遇到精彩内容时会热烈鼓掌，这些掌声起初也非常混乱，短时间后就会同步.Huygens教授很早就开始了同步理论的研究.同步理论的快速发展，已经广泛应用于社会的各个领域[1-2]，但很少在教育领域中发挥作用[3].

2 激励机制对学生物理核心素养发展的影响

教师经常激励学生有助于培养学生包括物理学在内的所有学科的核心素养.激励策略包含正面激励和反面激励.正面激励主要是指教师表扬和夸赞学生，特别是树立榜样，通过宣传优秀学生好的做法促进其他学生的进步;反面激励则表现为教师批评和责备学生，尤其是抓“典型”，把部分学生的错误进行放大并强调，让其他学生有则改之、无则加勉.实践表明，教师长期采用激励的方式，不管是正面还是反面的做法，只要没有让学生产生负面情绪，对学生核心素养的发展都具有明显的效果.

教师采用激励的目的是希望班级所有学生都能改正自己的不良学习习惯;都能向好学生看齐;都能成为优秀学生;类似于破窗效应和羊群效应，从而实现班级学生“发展”的同步.这与同步理论的思想不谋而合，因此本文尝试借用复杂网络中的同步理论对这一教育教学经验进行科学验证，以便其更好地发挥作用.

3 基于同步理论的教师激励作用的理论验证

3.1 建立模型

首先建立理论模型，将班级每个学生看作网络里的1个节点.班级有n个学生，则网络中就存在n个点.节点集表示为V=1，2，…，n.节点x和y的边用（x，y）表示.网络中边集可写作：EV×V.学生之间的关系比较复杂，x学生的表现可能对y学生有影响，但对z学生没有影响，在网络中可以通过连接来表示他们之间的相互影响关系，定义axy=1，axz=0.具体连接关系可由矩阵A=（axy）∈Rn×n反映.这样一个班级学生之间的关系就可以用网络图G=（V，E，A）来表示.研究表明，正常班级学生的网络图平均群聚系数是0.75[4]，所以同班同学的表现对学生的影响比较明显，可以认为是强连通图.而且同班同学之间的影响是相互的，那么该网络图G应该是一个无向图.A矩阵也是对称的.

3.2 模型推导

学生之间相互影响的程度表示为耦合函数c1（t）和c2（t），考虑到学生均为同龄人，所以可以假定其为常数，即c1（t）=c1和c2（t）=c2.而c1和c2数值的大小主要受教师激励频率的影响.教师采用激励手段后，学生受到影响需要一定的时间，这个时间定义为时滞，用常数τ表示.如果教师正面激励，在全班学生面前赞扬了某位学生好的做法，其他学生很快就知道应该如何去做，这个时滞非常短，不到1秒钟.若教师采用了反面激励，指出了某位学生做得不好的方面，其他学生也能够迅速明白这种事情不能做，但正确的做法是什么，这就需要教师进一步讲解或学生自己反思，才能清楚如何去做好这件事，因此时滞就较长.考虑到人脑的反应时间因人而异，平均而言，时滞会增加好几倍，但也不会很长.如果教师几乎不用激励手段，也并不意味着学生就不会受到其他学生的影响，不过这个影响需要学生观察—识别—接受—模仿，时滞会很长，也许就很难实现学生物理水平的同步.模型演化如下：

3.3 总结讨论

根据上述推导过程，从理论上证实了如果教师采取有效的激励手段能够实现学生物理核心素养发展的同步，同时还有以下几个特点：

（1）教师激励学生的频率越高，c1和c2的数值越大，则越容易满足（6）式的条件.因此在其他条件一定时，教师频繁地进行一些激励，学生物理核心素养的发展也越容易同步.

（2）教师采用正面激励的方式，时滞τ最小，也最容易满足（5）式.若使用反面激励的方法，时滞τ会增加，但人脑的反应很快，正常情况下，也能够满足（5）式.若教师不激励学生，学生必须自己观察—识别—接受—模仿，这个过程的时滞τ会很大，难以满足（5）式，学生几乎不能实现物理核心素养发展的同步.

（3）教师依据经验总觉得激励次数少或力度过小，起不到应有的效果.但根据上述推导过程分析，如果教师的激励对学生有一定的触动，哪怕频率再低，只要时间足够长，也能够实现学生物理核心素养的共同发展.

4 同步理论指导下教师激励作用对学生物理核心素养发展的实践研究

4.1 调查对象

本次研究的对象是6个“物生地”班级的学生.这些学生是在高一期末考试结束以后，学校统一分班中组建的.6个班级的学生进班时学业成绩、学习态度和习惯都相差不大，班级人数也相近，适合进行对比研究.

4.2 研究方法

6个“物生地”班级分别为高二（15）（16）（17）（18）（19）（20）班，由3位教师任教，他们进行每日一研，每节课的课前准备、课堂模式、教学内容、课后作业都基本一致，评价学生的标准也做到了统一.其中（15）班和（16）班都采用正面激励方式，但是对（15）班正面激励的频率为每节课一次，而（16）班则是在每周第一节课进行一次正面激励，即每周一次.对比（15）班和（16）班的物理学习效果可以研究激励频率对学生物理核心素养同步发展的影响.（17）班采用正面激励方式，在（18）班则使用反面激励方法，频率都是每日一次.根据这两个班级学生的表现可以验证正面和反面激励的差别.（19）班采用正面激励方式，频率每日一次，而在（20）班则没有刻意地使用激励措施.（19）班和（20）班的学生物理核心素养的发展可以反映激励作用是否有影响.

教师衡量学生物理核心素养发展的水平可以根据学生的课堂表现、实验操作、科技论文及高二两个学期期末的学业成绩.学生的课堂表现体现了学生的科学思维;学生实验操作的水平反映了学生实验探究的能力;学生所撰写的科技论文则与学生的科学态度和科学责任息息相关.每个学期期末的考试试卷是全市统考，具有代表性的试卷，学生取得的学业成绩能够综合反映学生四个方面的核心素养.教师将学生各个方面的表现按百分制单独评分，再按照一定的比例折合计算，同时保持教师评分的标准是完全一致的，所以综合成绩可以反映学生物理核心素养发展的水平.分别记录学生高一第二学期、高二两个学期的表现.学生物理核心素养发展水平记录表（样表）见表1.

4.3 统计结果

4.3.1 学生分班前物理核心素养的水平

6个班级的高一第二学期物理核心素养的水平见表2，对比发现，分班前6个班级的物理核心素养水平比较接近，3个班级的综合成绩也不存在显著性差异.表格中仅计算了综合成绩的方差和sig值，当sig<0.05时，表明数据间存在显著性差异.

4.3.2 学生高二第一学期物理核心素养的水平

受不同激励方式的影响，6个班级的高二第一学期物理核心素养的发展水平见表3.

6个班级学生物理核心素养发展水平出现了一定的变化.（15）班的均分比（16）班高出了4分多，且sig值小于0.05，表明存在差异性;（15）班成绩方差较小，说明班级学生同步性较好.从这个学期的学生发展来看，激励频率高有助于班级学生物理核心素养发展的同步.（17）班与（18）班的成绩存在显著性差异，（17）班的方差也明显较小，学生的发展水平同步性更好，也证实了学生经历了一个学期，正面激励的效果比反面激勵的效果好.（19）班与（20）班学生成绩的sig值只有0.002，而且（20）班的方差太大，说明班级已经出现了两极分化现象，如此巨大的差异性，表明教师激励学生比不激励学生更容易实现学生间物理核心素养的同步.

4.3.3 学生高二第二学期物理核心素养的水平

在不同激励方式的影响下，学生高二第二学期物理核心素养的发展水平见表4.

经过一年的激励教学实践，6个班级学生的物理核心素养发展水平又呈现出不一样的情形.（15）班的均分只比（16）班高出0.6分，且sig值变为0.76，两个班级学生已经没有差异性;（15）班与（16）班的成绩的方差也相差不大，从成绩上看，两个班级学生物理核心素养发展水平都实现了很好的同步.说明激励频率低，只要教师坚持做下去，也有助于学生核心素养的发展.（17）班与（18）班的成绩已经不存在显著性差异，（17）班的方差与（18）班也非常接近，证明了教师采用反面激励，也能促进学生物理核心素养的发展.（19）班与（20）班学生成绩的sig值依然低于0.05，（19）班的方差也小得多，两个班级的学生依然存在很大的差异，表明教师不激励学生就很难实现物理核心素养的共同发展.

5 结束语

通过理论与实践研究，无论是基于同步理论的推导证明，还是对照班与实验班的对比研究，都证明了教师经常激励学生能够促进全班学生的物理核心素养的发展.

参考文献：

[1]郑志刚，翟云，王学彬，陈宏斌，徐灿.耦合相振子系统同步的序参量理论[J].物理学报，2020（08）：9-22.

[2]潘光，魏静.一种分数阶混沌系统同步的自适应滑模控制器设计[J].物理学报，2015（04）：45-51.

[3]肖立勇，尹跃.基于混合式教学模式下的大学物理实验教学改革和应用[J].物理通报，2020（04）：84-88.

[4]张萱，刘爱芬.“基于复杂网络理论的高中生人际关系”的调查报告——以江苏省四星高中X中学为例[A]//2018江苏省教育学会学术年会论文集[C].南京：江苏省教育学会，2019：344-352.

（收稿日期：2021-01-21）