（一）研究背景
1.科学教育是提高国家核心竞争力的关键
科学教育是提升综合国力，培养科技人才，提高公民科学素养的重要途径和手段。当前，科学技术蓬勃发展，国际竞争日趋激烈，科学技术发展水平成为一个国家核心竞争力的重要指标。国力的竞争就是人力的竞争，几乎所有国家都达成了这样的共识—拥有更多具备科学素养和创新能力的公民是这场国家间竞争制胜的关键。在此背景下，科学教育的重要性日益彰显，它的成败关乎国家和民族的兴衰。
国外对科学教育的重视程度有目共睹，特别是在进入21世纪之后，美国、加拿大、澳大利亚、欧盟等国家和经济体为了应对高速发展的科技时代所带来的挑战，纷纷实施新一轮科学教育改革，希望能以此为契机推动跨学科综合型科技创新人才的培养。我国改革开放以来，在综合国力得到提升的同时，科学教育事业也备受重视。在《中国要发展，离不开科学》一文中，早已指明科学是第三世界摆脱贫困的途径，而科技发展需要重视科学教育，培养科技人才。2015年7月召开的由中国科学院主办的“未来科技发展态势与科学教育”论坛上，来自科学界及科学教育界的60多名专家学者就现代科学教育的理念、体制以及创新改革之路展开了广泛、深刻的探讨。多位学界泰斗一致认为，科技创新能力是一个国家整体实力的重要体现，而国家科技创新能力提升的根本是加强全民的教育，尤其是青少年的科学教育。
2.国际科学教育的关注点由培养科学探究能力转向科学实践能力
在新一轮国际科学教育改革中，世界各国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。科学探究曾经很长一段时间是科学教育的核心关键词。科学探究第一次以课程关键词的身份进入科学教育（课程）标准是1996年，美国《国家科学教育标准》将科学探究作为科学课程的内容和科学教学的核心方法写入标准。自此，世界各国纷纷参考和效仿美国《国家科学教育标准》，将科学探究作为科学教育的核心概念，将学生科学探究能力作为科学教育重点培养的科学素养。我国现行的课程标准也是主要参考了美国《国家科学教育标准》。可以说，21世纪初世界各国掀起了一场科学探究的教育浪潮。然而，在科学教育过程中对科学探究模式化、固定化、庸俗化的推进和实施，使探究变了味儿，变成了要求学生“临摹”的“科学学习七步法”的代名词。当科学探究变成了要求学生记忆固定的、一成不变的研究步骤，并照葫芦画瓢地认识和感悟科学时，探究失去了其应有之意。
关于谁来接替“科学探究”的重任继续推进科学教育的发展，科学教育界一致认为科学实践是实现“学生学习真正科学”的关键。美国《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》（以下简称《K-12框架》），明确“科学实践”是新一代科学教育标准中取代“科学探究”的核心关键词。美国科学教育界最早看到并认识到科学教育中的科学探究变了味儿，它已经不能再发挥其活力，而作为科学家科学研究必须经历的“科学实践”是学生学习真正科学的有效方法和途径。科学实践强调“科学的活动”特质，要求学生在科学课堂上不但要像以前的课堂探究那样“动脑”，还要在课堂的学习共同体的互动中“动手”“动嘴”“动笔”，以实现对科学知识的建构。我国《“十四五”国家科技创新规划》也明确提出要“加强面向青少年的科技教育，以增强科学兴趣、创新意识和学习实践能力为主，完善基础教育阶段的科学教育”。各国国家政策性文件中关键词的转变凸显了科学教育扭转当前课堂探究教学模式化倾向和强调科学“知行合一”实践观的努力和决心。
《K-12框架》将科学实践分为包括“建立和使用模型”在内的八种科学实践活动，这八种科学实践的地位并不相同，“建立和使用模型”是贯穿其他科学实践的核心，是最重要的科学实践。建模教学研究的先驱主张“科学就是建模的历程，而学习科学即是学习建模的历程，唯有学习建模才能有效促进学生科学概念的理解和科学素养的发展。”美国教育家也明确表达了“建立和使用模型的实践是真正的科学实践的中心”的思想。相关科学史学家在一项对40多位诺贝尔奖获得者的访谈研究中发现，九成的人都表示自己的成功得益于“学到的一种包括模型建构、科学推理等在内的发现科学真理的思想方法和工作方式”，而非具体的科学知识。科学建模能力已被作为课程目标写入很多国家课程文件中，如美国的《K-12框架》和《新一代科学教育标准》（2013）、英国的《科学课程2000》（2000），加拿大的《马尼托巴科学课程框架》（2007），澳大利亚的《昆士兰科学课程标准》（2013）等。
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（物理学、化学、天文学等）的领域独特性。而物理学是其他自然科学学科的基础，物理建模是科学建模中最重要的，最能彰显科学建模特性的组成部分。研究在物理学的特定学科视角下，考察建模能力和学生建模能力的培养问题。当代著名物理学家、物理建模教学理论创始人认为：“建模和用模就是物理思维。若想发展物理思维能力，就必须发展用模和建模能力。”2006年，欧洲物理教育学会（GIREP）特别召开了以“物理中的建模和物理教育”为主题的国际物理教育教学年度会议。此外，科学教育权威期刊《物理教师》《科学教育研究》《国际科学教育期刊》等都曾开辟专栏讨论物理（或科学）建模教学。
3.物理建模能力是物理学科核心素养中的关键能力
物理学的研究对象是物理模型，物理学的思维方法是建模思维，物理学的发展史就是一部物理建模的历史，所以，物理学离不开物理模型和物理建模。物理就是建模，学习物理就是学习物理建模，正如我们访谈的一位专家所说的“如果有一天他不再建模了，那说明他做的事儿就不再是物理。”在我国，物理建模能力的重要性也逐渐得到认同，被前所未有地赋予重要的地位，成为物理学科核心素养中的重要能力。学科核心素养是连接总体核心素养和学科内容的纽带，是核心素养与课程标准修订的桥梁，它既是一门学科对人的核心素养发展的独特贡献和作用，又是学科本质观和学科教育价值观的反映。教育部基教二司副司长在“基础教育高峰论坛”上，明确表示新高中课标将颁布，并将以学科核心素养作为编写依据，同时，制定相应的基于学科核心素养的质量标准。
物理学科核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品质和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特征的品质，是学生科学素养的重要构成。物理核心素养由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度构成，建模能力是“科学思维”维度上的重要能力指标，物理建模能力第一次在我国国家课程标准中获得了明确的地位。
4.当前我国缺乏培养学生物理建模能力的研究
虽然，物理建模能力已经成为物理学科核心素养中的重要能力，将被纳入物理课程标准和物理教材中，科学教育界对建模能力重要性达成了认识上的一致，但其重要性与当前学生建模能力的发展水平并不匹配，时至今日物理建模仍然很少成为学生教育经历的一部分。大量研究发现，中学生普遍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，我国高中生物理建模能力水平亟待提高。
培养学生的物理建模能力就需要高质量的研究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，对很多关键问题的研究还不深入。我们对我国近二十年来建模能力相关研究进行分析梳理，发现当前培养学生物理或科学建模能力的研究围绕四个主题展开：其一，较多的研究者聚焦建模教学策略的讨论；其二，部分的研究者关注学生对模型和建模本质的认知和理解的现状研究；其三，少部分研究者致力于建模能力评价研究；其四，极少数研究者探讨物理或科学建模能力的结构。然而，明晰建模能力的结构是培养和评价学生建模能力的基础和前提，缺少对如此关键的核心议题的研究是一种极大的缺憾。总体看来，我国教育界对物理建模能力中的许多核心问题的探讨还处在萌芽状态，首先，教育研究领域对物理建模能力的内涵尚未形成一致性的理解，各持己见，因此，对该主题的研究缺乏共同的学术规范和话语体系。其次，尚未形成对物理建模能力构成要素研究的方法与范式，从而缺少物理建模能力结构模型的科学、可信的研究结论。再次，对学生建模能力培养的实施路径缺乏深入的思考，无法为广大物理教育工作者提供有效的理论支持和实践指导。
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。明晰物理建模能力的结构是培养学生物理建模能力的基础和前提。因此，研究确定在物理学的特定学科视角下，考察建模能力结构和高中生物理建模能力的培养问题。