郭芳俠 趙 倩

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710119)

1 問題的提出

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中持有一些與既定科學(xué)概念相比不一致但自認(rèn)為合理的認(rèn)識,研究者將這種認(rèn)識稱為“迷思概念”.迷思概念的存在會影響學(xué)生對新概念的正確理解,并且通常難以改變,從而造成學(xué)生學(xué)習(xí)的困難[1].因此,迷思概念的診斷是教育研究中最重要的任務(wù)之一.

關(guān)于高中生對物理概念的研究主要集中在力學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域,對機(jī)械波的關(guān)注較少.而波現(xiàn)象無處不在,與波相關(guān)的想法在物理學(xué)和其他領(lǐng)域都具有普遍性,并且許多學(xué)生發(fā)現(xiàn)波的概念很難理解,因為它時常表現(xiàn)出各種看似違背常理的特性.因此診斷學(xué)生機(jī)械波迷思概念是非常有意義的.

只有準(zhǔn)確地診斷出學(xué)生頭腦中存在的迷思概念,才可以在實際教學(xué)中幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)物理知識.

目前,診斷學(xué)生迷思概念的常用方法是選擇測試題.傳統(tǒng)選擇測試題是在題目之后給出正確選項和若干干擾項,讓學(xué)生從中進(jìn)行選擇,它具有高效、客觀、易于使用等優(yōu)勢.但傳統(tǒng)的選擇測試題掩蓋了學(xué)生的做題思路,學(xué)生有可能是靠猜測選擇正確答案,表現(xiàn)為假陽性(false positives);也有可能已完全掌握相關(guān)知識,由于個人行為習(xí)慣而選擇錯誤答案,表現(xiàn)為假陰性(false negatives)[2].為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)選擇測試題的缺陷,1988年特萊格斯特(Treagust)[3]提出了二階選擇測試題的編制方法,即在傳統(tǒng)選擇題的基礎(chǔ)上加入理由階,使學(xué)生的做題思路顯現(xiàn)出來.在測試時,首先讓學(xué)生在答案階中選擇一個,然后在理由階中選擇自己的理由[4].國內(nèi)已有研究者使用二階測試作為各種科學(xué)領(lǐng)域的診斷工具.然而它也有局限性:無法區(qū)分正確答案的得出是由于猜測還是真正的理解;難以診斷迷思概念產(chǎn)生的深層次原因.

為了進(jìn)一步提高診斷的科學(xué)性,研究者加入第三階信心指數(shù)來衡量學(xué)生對前兩階答案的確定程度,進(jìn)而開發(fā)出了三階測試題(Three-tier Tests).信心指數(shù)在測試中的應(yīng)用起源于心理學(xué)領(lǐng)域,要求個體評估及判斷自己在認(rèn)知任務(wù)中的表現(xiàn)水平,以增加客觀測試可以獲得的信息量[5].在科學(xué)教育領(lǐng)域,國外已有不少研究在選擇測試題中加入了信心指數(shù)[6，7],但我國相對較少,尚處于起步階段.

2 三階測試原理

2.1 三階測試題的構(gòu)成

三階測試的每道題目均由三階構(gòu)成,第一階(答案階)可以理解為傳統(tǒng)的選擇題,考查學(xué)生對描述性知識的理解;第二階(理由階)要求學(xué)生選擇第一階答案的理由,評估學(xué)生對解釋性知識的理解;第三階(信心指數(shù))要求學(xué)生對自己前兩階答案的確定性程度做出評價,即0%(完全靠猜測)—100%(完全有把握),目的在于區(qū)分學(xué)生出錯的原因是由于迷思概念的存在還是知識缺失,也可區(qū)分正確答案的得出是猜測還是真正理解.

2.2 三階測試的診斷方法

參考Caleon[8]和Haki[9]的標(biāo)準(zhǔn),信心指數(shù)值以50%為分界,當(dāng)學(xué)生對自己選擇的答案進(jìn)行相應(yīng)的信心指數(shù)評價時,診斷方法如表1.

表1 三階測試的診斷方法

注: “√”表示選答正確,“×”表示選答錯誤.

3 研究內(nèi)容及施測對象

3.1 診斷試卷

本研究使用的測試題是在Caleon[10]機(jī)械波診斷測試題翻譯的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國高中物理實際表述習(xí)慣,在文字上稍作修改,共12道三階題目,主要考查的內(nèi)容和對應(yīng)的題號如表2所示.測試題通過2位中學(xué)物理教師和1位課程與教學(xué)論專業(yè)教授的審查以保證內(nèi)容翻譯正確.

表2 考查內(nèi)容及題目分布

3.2 施測對象

施測選擇示范高中、標(biāo)準(zhǔn)化高中、普通高中3所學(xué)校,在高二年級隨機(jī)抽取7個班進(jìn)行測試.共計發(fā)放測試題325份,回收316份,回收率97.23%.空白卷或未標(biāo)注信心指數(shù)的問卷視為無效問卷,其中有效樣本297份,有效率93.99%.

4 測試結(jié)果分析

4.1 測試題質(zhì)量分析

所有數(shù)據(jù)利用Excel和SPSS軟件進(jìn)行錄入與統(tǒng)計分析.全體被試學(xué)生的二階得分在0分和12分之間,平均得分為6.47分,難度指數(shù)為0.54,說明該測試題對學(xué)生來說相對較難.由于測試題目全部是客觀題,采用庫德—理查遜信度公式,可得信度指數(shù)為0.75,說明這份測試題可靠性較好.

4.2 診斷結(jié)果分析

通過對問卷的分析,得到測試題一階正確率和二階正確率分布,如圖1所示.

圖1 各題的正確率分布

從圖1可以看出,12道題的一階正確率均高于二階正確率,這表明部分學(xué)生是通過猜測選擇了正確答案,并沒有真正理解相關(guān)知識或者是頭腦中存在著迷思概念.顯然單憑一階的診斷是無法識別出來的,這樣就難免出現(xiàn)高估學(xué)生學(xué)習(xí)水平的情況.而三階測試因加入了“理由階”和“信心指數(shù)”,需要學(xué)生給自己的答案作出解釋,同時需要對前兩階答案給出自己的確定程度,這可以有效的區(qū)別學(xué)生假陰性、假陽性以及知識缺失的比率分布情況,各題的診斷結(jié)果如圖2所示.

圖2 假陰性、假陽性及知識缺失的比率分布

由圖2可以看出,對于第1、2、6道題目,假陽性比例偏高.這說明學(xué)生可以通過猜測或從記憶中獲取相關(guān)的內(nèi)容知識來得到正確答案,但很難選擇正確的理由;對于第4、7、10道題目,假陰性比率偏高.這說明學(xué)生通?？梢岳谜n本中的定義、定律或理論很容易地從理由階選擇正確的理由,但是難以應(yīng)用它選擇正確的答案.

測試題第4題的假陰性比率達(dá)到32.78%,這說明大約有98名學(xué)生出錯,他們在識別縱波振幅的含義時并沒有什么大的問題,但是在應(yīng)用這個含義來定位圖中的縱波振幅時卻不如人意，更深層次來說,學(xué)生并沒有真正理解縱波振幅概念的本質(zhì).這有可能是由于在課堂討論和教科書中對橫波的重視程度高于縱波.第6題的假陽性比率達(dá)到了19.06%,即大約有57名學(xué)生可能是通過猜測得到第一階問題的正確答案,但當(dāng)選擇理由時,卻不知道真正的原因,實際上說明這部分學(xué)生對波速的理解存在偏差,并沒有對機(jī)械波相關(guān)知識完全掌握.

通過對問卷的分析,表3列舉出此次測試診斷出的 8個迷思概念,其中7個表現(xiàn)為信心指數(shù)高于50%的真性迷思概念，另外1個表現(xiàn)為信心指數(shù)低于50%的假性迷思概念.

表3 機(jī)械波迷思概念情況

注: 選項C A 表示答案階選擇C,理由階選擇A,其他類似.

從表3可以看出,在機(jī)械波考查內(nèi)容上,學(xué)生主要是在振動圖像和波形圖的識別以及波長、波速和頻率之間的關(guān)系這兩個方面存在迷思概念，具體分析如下.

對于第1題,學(xué)生難以識別在位移-時間(y-t)圖像中呈現(xiàn)的波屬性,大約有19.53%的學(xué)生認(rèn)為y-t圖像中相鄰波峰之間的距離是波長而不是周期,且信心指數(shù)高達(dá)92.41%.這說明部分學(xué)生對圖像的每個坐標(biāo)軸代表的含義不是很明確,在他們腦海里傾向于將位移-時間(y-t)圖像認(rèn)為就是波形圖.對于第7題,45.12%的被試學(xué)生選擇了圖1,他們認(rèn)為無論波源如何振動,質(zhì)點(diǎn)的振動都遵循正弦規(guī)律,并且信心指數(shù)達(dá)到了72.99%,這可能是由于教科書中普遍用正弦圖像來代表波形圖造成的.因為正弦圖像是大家通常所熟悉的,其他兩個圖像很少看到.這說明部分學(xué)生根本沒有認(rèn)識到質(zhì)點(diǎn)的振動必須依賴于波源的振動方式.對于第10題,6.40%的學(xué)生認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)的振動速度等于波的傳播速度.這部分學(xué)生可能誤以為質(zhì)點(diǎn)隨著機(jī)械波的傳播而前進(jìn),而實際上機(jī)械波在傳播過程中,每一個質(zhì)點(diǎn)都只做上下振動.對于第11題,23.57%的學(xué)生認(rèn)為波從較小質(zhì)量的介質(zhì)傳播到較大質(zhì)量的介質(zhì)時,波的頻率將降低,且信心指數(shù)達(dá)到了60.86%.這一部分學(xué)生認(rèn)為質(zhì)量較大的介質(zhì)具有更大的慣性,這使得通過介質(zhì)傳播更少的波,從而減小了波的頻率，他們錯誤地認(rèn)為波的頻率與介質(zhì)有關(guān),即波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時,頻率會發(fā)生改變,而沒有意識到實際上頻率只與波源有關(guān).

研究結(jié)果顯示,學(xué)生的迷思概念有一半是關(guān)于對波速本質(zhì)的理解.第5題,21.21%的學(xué)生認(rèn)為波的頻率增加將導(dǎo)致波速增加.第6題,22.56%的學(xué)生優(yōu)先考慮頻率的影響,如果頻率不變,波速將不會改變;而6.06%的學(xué)生優(yōu)先考慮振幅的影響,認(rèn)為振幅變大,質(zhì)點(diǎn)會需要更長的時間上下振動,波速將減小.此外,對于第8題,當(dāng)學(xué)生被問及如何使波更快速地傳播時,有42.09%的學(xué)生認(rèn)為要使波速增大,必須更快更用力地?fù)u動繩子,即波的頻率和振幅必須增大.這可能與學(xué)生對公式v=λf的誤用有關(guān),似乎這些學(xué)生認(rèn)為v是一個變量,它隨著f的變化而變化.雖然振幅沒有出現(xiàn)在公式中,但是按照常理來分析,也有學(xué)生會認(rèn)為振幅變化,波速也將隨之變化.長此以往,學(xué)生就會形成“波速隨著頻率和振幅的變化而變化”的錯誤思維模式.

對各題的二階正確率與答對的平均信心指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計如表4.

表4 各題的二階正確率與答對的平均信心指數(shù)(%)

如表4所示,測試題第7題正確率最低,僅為7.02%,但是學(xué)生的平均信心指數(shù)卻達(dá)到了75.24%,這說明當(dāng)學(xué)生給出錯誤的答案時,他們表現(xiàn)得過分自信.學(xué)生二階答對的平均信心指數(shù)介于61.8%—90.4%,說明學(xué)生即使選擇正確答案,但是仍表現(xiàn)出對自己的選擇沒有完全把握,自信心不足.在實際教學(xué)中,教師應(yīng)給予這部分學(xué)生更多的關(guān)注和鼓勵.

5 研究結(jié)論和建議

在信心指數(shù)的幫助下,三階測試題不僅可以了解學(xué)生的做題思路,同時更深入地顯示出學(xué)生迷思概念的類型,還可以診斷出假陰性、假陽性以及知識缺失的情況.因此三階測試在一定程度上提高了選擇測試題的評價效果,能夠提供更為可靠的診斷結(jié)果.

本研究通過機(jī)械波三階測試題診斷出8個迷思概念,其中7個是表現(xiàn)為高信心指數(shù)的真性迷思概念,1個是表現(xiàn)為低信心指數(shù)的假性迷思概念.它們存在時間持久且比較頑固,會嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.因此在實際教學(xué)中,教師可以采取“以問題為引導(dǎo)的物理探究實驗”策略[11],通過三階測試診斷出的迷思概念,選擇或自行設(shè)計合適的探究實驗,設(shè)置相應(yīng)的引導(dǎo)問題.在實際操作過程中,讓學(xué)生回答問題,并與同組成員進(jìn)行討論,發(fā)現(xiàn)自己的認(rèn)知沖突,完成迷思概念的轉(zhuǎn)變,從而幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)的物理概念.

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