美国学生物理概念研究的发展，本文主要内容关键词为：美国论文,物理论文,概念论文,学生论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、引言
物理概念是客观事实的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事实的抽象。物理概念是整个物理学知识体系的基石，也是学生学好物理的关键，而且学生形成、理解和掌握物理概念是一个十分复杂的认识过程。“国外近二十年的科学教育研究对于学生在科学学习中的概念化理解开展了大量的这方面研究，尤其在学生错误观念的探查、转变及传授科学知识的教学策略等方面取得了颇有价值的研究成果”。[1]而美国在这二十年中，特别是在物理领域做了大量的这方面研究。现就美国学生物理概念研究的内容、方法及主要结果进行分析，以期对我国的物理教学及改革有二定的启示作用。
二、美国学生物理概念研究的发展
1.研究内容与对象
美国的物理教育研究者从20世纪80年代开始了大规模对学生物理概念的研究，研究对象包括各个层面的学生，如Hestenes、Wells(1992)[2]等人开展了对芝加哥1500多名高中生物理概念理解的研究；华盛顿大学教育研究小组(1980)[3]、Clement(1982)[4]、Thornton(1998)[5]等也开展了对大学生物理概念理解的研究。研究内容涉及力、运动、能量、光、热、温度及简单电路等物理概念；研究角度包括：(1)教学前学生具有的前概念以及它们对于物理概念教学的影响；(2)传统讲座式教学是否能够促进学生理解、掌握物理概念；(3)如果传统教学不能起到积极作用，那么使用何种教学策略能更好地促进学生对于物理概念的理解和掌握。
2.研究方法
(1)最初的研究方法
华盛顿大学教育研究小组(1980)[3]让学生观察不同宽度“U”形槽上小球运动的实验，然后通过访谈了解学生对于速度、加速度概念的定性理解。Clement(1982)[4]设计了三个问题考察大学一年级的工科学生对于牛顿力学概念的理解，其中抛硬币问题极具代表性，实验要求被试在忽略空气阻力条件下，用箭头表示硬币被抛向空中时上升和下落阶段各自的受力情况。Ambrose、Shaffer等人(1998)在实验中让学生观察小灯泡照在带有缝隙的不透明黑板上，其在黑板后面屏幕上成像的情况，并对学生进行访谈：当小灯泡慢慢远离缝隙及缝隙不断变小时，其成像情况分别会发生怎样的变化，其主要目的是考查学生对于光的直线传播和光的衍射两个概念的理解。
这个阶段的研究方法主要是访谈，首先通过真实实验或文本方式创设问题情景，然后对学生进行访谈。这些问题只是考查学生对于某一个物理概念的定性理解，不涉及公式运用及数学计算，因为“定量计算会掩盖学生对于概念的理解”。[4]虽然这个阶段考察学生的问题数量比较少，但非常具有开创性，其中一些问题更是后来概念诊断量表设计的基础。
(2)物理概念诊断量表的设计与使用
随着研究的深入，研究者认识到少量的、零散的问题无法全面、有效地考查学生对于物理概念的理解情况，于是Halloun和Hestenes(1985)设计了力的诊断测试量表(Mechanics Diagnostic test，简称MD)，其主要作用是全面、系统地考查学生对牛顿力学概念的定性理解，也不涉及公式运算。[6]研究小组三年内对一千多名学习基础物理课程的大学生进行了测试，早期的MD用的是开放性问题，要求学生写出答案及其推理过程，然后研究者对错误答案及原因进行总结、归纳、分类，并最终使其成为后来MD选择题的一些选项，其实这些错误答案是学生前概念最真实的反映。Hestenes、Wells、Swackhamer于1992年推出了MD的改进版：力的概念调查表(Force Concept Inventory，简称FCI)，FCI有29个题目，其中有一半的题目来源于MD，每个题目5个选项，只有一个正确答案。[2]与MD相比，它可以更加全面地考查学生对于牛顿力学概念的理解。
Thornton和Sokoloff认识到FCI的每个题目只有五个选项，学生误选正确答案的概率仍有20%，于是他们设计了力和运动概念评价量表(The Force And Motion Conceptual Evalution，简称FMCE)，它共有43个题目，每个题目有8个选项，减低了误选的可能性，而且针对同一概念，不仅增加了考察的题目，还从不同的角度和背景进行了考察。[5]
在力学概念量表快速发展的同时，研究者也在思考是否可以设计一个电磁学概念的量表，Maloney、O'kuma、Hieggelke和Heuvelen(2001)在电学量表和磁学量表的基础上设计了电磁学概念调查表(The Conceptual Survey of Electricity and Magnetism)，简称CSEM，其共有32个选择题，每个题目有五个选项，其内容除了考察电磁学的一些基本概念外还涉及少量力、运动和能量等领域的概念。[7]
(3)基于二元概念认知量表测试
随着概念量表的广泛使用，研究者也发现了隐藏在其背后的弊端：较注重问题答案而容易忽略学生的推理过程，因此为了能够真正有效地测试出学生对于物理概念的理解，量表测试必须要结合访谈技术，然而访谈需要耗费大量的时间和精力，同时又不能大面积测试。Odom和Barrow(1995)设计了二元认知量表(Two-Tier Diagnostic)，它可以有效地克服传统量表和访谈的缺陷，在量表中让学生的推理过程外显。其中每一个题目包括两个部分：第一个部分为四个选项的单项选择题，主要考查学生对于概念的记忆情况；第二个部分是“选择该选项的理由”，也有四个选项，只有一个选项是正确的，其余选项都是了解到的学生错误推理，这个部分主要考查学生对概念的理解情况。只有两个部分选项都正确了，才认为学生真正掌握了该概念。
(4)计算机技术的使用
随着计算机和网络技术的发展，计算机技术也被广泛使用在对学生物理概念的研究中，其主要被使用在物理问题场景的创设和对学生概念理解的探查中。
华盛顿大学教育研究小组在早期的研究中，主要是通过实验呈现真实物体的运动考查学生对于速度和加速度概念的理解，Trowbrige认为这种做法比较繁琐，于是他就开始设计“图像和轨迹”(GRAPHS AND TRACKS)电脑软件。[8]开始时的“图像和轨迹”软件只有第一个部分“从图像到运动”，电脑首先呈现出位移—时间(s-t)图像，然后让学生在电脑软件上利用鼠标调整物体的初位移、初速度及轨道的倾斜度，物体会依据调整后的数据在轨道上虚拟运动，同时电脑会按照学生调整的数据重新生成s-t图像，并与刚开始所呈现的s-t图进行比较，然后反馈给学生其调整是否正确。华盛顿大学教育研究小组在此后利用“图像和轨迹”软件进行大规模测试时发现其缺乏指导性评价，于是Trowbrige对“图像和轨迹”软件进行了改进：当依据学生调整后的数据产生的图像与刚开始呈现的图像不一致时，软件会提示学生具体出错的地方，并指导学生进行改正。Trowbrige在“从图像到运动”基础上又设计了第二个部分“从运动到图像”软件：首先电脑呈现物体的虚拟运动，然后让学生利用画图软件画出运动物体的s-t图；这比“从图像到运动”软件在技术上更为复杂，首先要实现画图功能，其次还要对学生所画图像进行评价，最后还要指导学生对其图像进行改进。学生在用“从运动到图像”软件时会出现更多的问题，因此它更能全面考查学生对于位移、速度、加速度概念的理解。
3.研究的主要结果
经过长达二十几年对学生物理概念的研究，美国的物理教育研究者得出了一些重要的研究结果：
(1)前概念广泛存在于学生头脑中，并会严重影响学生物理概念的学习
Clement(1982)在抛硬币实验的研究中发现88%的被试认为上抛的硬币受到两个力的作用：一个是硬币的重力，另一个是抛力；硬币上升时抛力大于重力，下降时重力大于抛力。[4]Thornton和Sokoloff(1989)也利用抛硬币问题对240名俄勒冈州大学的物理专业学生进行了教学前测试，学生的正确率也只有10%。[5]华盛顿大学教育研究小组在利用“图像和轨迹”软件测试时发现，很多学生认为s-t图像就是物体运动的实际轨迹。[8]McDermott和Shaffer在研究中发现，学生对于电流概念的理解会受到“流”的影响，学生认为越靠近电源正极的元件其流过的电流越大，位于后方的元件得到的电流是前面元件用完剩下的；学生认为灯泡和其他的用电器，是让电流“流进”并将电流消耗的终端设备，而并不只是让电流“流过”。[9]其他的许多研究也证明了物理前概念广泛存在于学生的头脑中。Heuvelen(1991)认为“拥有前概念的学生，他们看到的只是弹簧、绳子、斜面、滑车等问题中的实物，而不能像物理学家那样看到问题背后的物理概念”。[10]Hestenes、Wells(1992)等人也意识到“前概念的存在使得学生听不懂物理课，从而导致他们强行记忆一些没有关联的片段，做着没有意义的作业，所以很多学生有厌学情绪”。[2]
(2)传统教学很难改变学生的前概念
Clement(1982)通过研究发现，在接受了一个学期的基础力学课程学习后，学生的错误率也只从教学前的88%降到了75%；[4]Thornton和Sokoloff(1990)对240名俄勒冈州大学物理专业的学生进行了教学后测试，其正确率仍不超过20%。[5]Hestenes、Wells等(1992)对传统讲座式教学方式下的1500多名中学生以及500多名大学生进行了FCI测试，发现学生教学前后测试的FCl分数提高并不明显，同时还发现物理前概念的转变与学生的数学基础没有明显相关性，所在测试班级教师水平（达到合格以上）与测试的结果也没有必然的联系。[6]
Coldberg和Bendall(1995)认为：“传统教学中，学生都把记忆性的、以公式为中心的问题解决方法作为学习物理的正统工具，他们缺少面对陌生环境利用所学的概念和定律进行推理的能力，因为他们的知识只是由零散的、少量的事实和公式组成，当遇到陌生的环境时，学生外显的还是他们的前概念。”[11]因此为了防止学生只是死记硬背公式，最好的预防措施就是教没有数学的物理，至少在教学过程的初期应该这样做。
(3)有效“转变学生概念”的教学策略
美国近二十年的科学教育研究把科学学习看作学生关于自然现象的原有概念的发展或转变，研究发现：“体验到认知冲突是影响概念转变的重要因素”，因此有效的“转变学生概念”教学策略必须要让学生产生认知冲突。[12]Clement(1982)认为“可以通过预测让学生说出前概念，从而让学生自己意识到自己前概念的存在；鼓励他们对前概念和科学概念作出对比，产生认知冲突；另外，要加强学生间的合作学习，因为同学间的班级讨论对于他们定性理解科学概念是非常有益的。”[4]以下是几个具体有效“转变学生概念”的教学策略。
①基于小组合作互动的教学策略
Meltzer(1996)在教学中尝试了“flash card”教学策略。首先，把与所讲授概念有关的选择题写在黑板上，这些问题的不同选项可以引起学生的讨论；然后，学生参与小组讨论，有时一个小组会挑战另一个小组的结论；再次，在思考和讨论之后，学生被要求高举写上答案的flash card，答案可以写不知道、不确定，从而鼓励所有学生积极参与；最后，教师针对学生flash card中所表现出来的前概念进行科学概念的讲解。测试结果表明，这种方案可以解决传统教学中草率对待重要概念的问题，从而让学生更好地理解概念。
Gautrean和Novemsky(1997)在大学基础物理课程中尝试了“Overview Case Study”教学策略。首先，给出没有数学公式的物理概念，只有当学生理解了概念才引入数学公式；其次，学生每三四个人结合成一个小组，每个小组都参与到小组问题的讨论中，而教师则作为正在进行中学习(on-going learning)的促进者。这种教学策略在新泽西技术学院的尝试中取得了明显的成效，很好地转变了学生的前概念。
Vygotsky认为同辈群体间的合作学习优于个体单独学习。在小组合作学习中，学生间、师生间的口头交流是整个教学的枢纽，口头交流可以使得学生思考和推理过程外现，同时可以帮助教师考查学生所掌握概念和科学概念之间的距离，学生对于概念认识水平会在学生间的讨论及教师对科学概念的讲解中不断提高，其错误的物理前概念也会渐渐转变为科学的物理概念。
②基于电脑技术互动的教学策略
Howe(1992)认为计算机辅助学习可以使一些常规条件下无法完成或无法直接观察的物理实验通过电脑模拟得以重现，从而促进学生的认知冲突，达到对物理概念的真正理解。Thornton和Sokolff(1990)设计了Microcomputer-Based Laboratory(MBL)教学工具，其主要作用是让学生在第一时间得到实验数据并进行处理和分析。他们又在MBL的基础上设计了基于电脑互动的讲座式示范教学(Microcomputer-based Interactive Lecture Demonstrations，简称ILD's)，其主要程序包括：预言真实物理实验的结果；小组讨论；观察实验结果；对比预言和实验结果。在ILD's课程中，MBL在前概念与科学概念之间建立了桥梁，学生可以通过预言和对实验结果的观察，促进其认知冲突的产生。
Driscoll(1993)认为：“好的教学就是要呈现给学生真实的情景，让学生自己动手，预测将会发生的结果，产生疑问，促进学生自己寻找答案，并与他人的结果进行比较。根据Piaget的理论，学生利用实验亲手证实科学定律远比教师证明这些定律有意义，更能让学生记住。”[13]ILD's课程提供了鼓励学生自发完成学习活动的学习环境，学生可以通过真实的活动获得对物理概念的理解。
三、结语
美国学生物理概念研究经过二十几年的发展，其研究对象涉及各个层面的学生；内容涵盖了物理学科的各个方面；研究技术更是在不断的完善，从最初的零散测试到系统量表诊断，从访谈到量表测试加访谈，从纸质量表到网络技术的利用，从实验呈现到计算机虚拟实验创设问题情景；其主要研究结果也被广大教育工作者所接受，即通过“创设情景—引起认知冲突—解决冲突”的转变学生概念的教学策略正在不断被推广应用。美国学生物理概念研究的历程、技术和方法、研究的主要结果是值得我国的物理教育借鉴和参考的。