（课程与教学论专业论文）对高师物理学专业学生电磁学前概念的研究.pdf

摘要 y8 8 2 9 1 2 学习者总是以已有的认知结构为基础来建构对新知识的理 解，在学习者已有的认知中有些是与科学概念相致的，有些是 与科学概念不一致的，我们就把这些与科学概念不一致的认知称 为“前科学概念”( 简称前概念) 。近年来，随着认知科学的不断 发展，人们越来越认识到学习者头脑中的这些前概念会对学习者 接受、形成和发展科学概念产生严重的阻碍作用。因此，探究学 习者头脑中存在的前概念并根据学生已有的认知结构采取相应的 措施进行概念转变教学，逐渐成为国内外教育心理学界研究的热 点。 本研究以建构主义学习理论为指导，以自编的高师物理学专 业学生电磁学前概念调查问卷为工具，通过对3 6 6 名高师物理学专 业学生的问卷调查，得出学生在电荷的概念、电场线与电场之间 的关系、导体的静电平衡、库仑定律、电势与场强之间的关系、 真空中的g u s s 定理六个方面存在的2 1 条典型的前概念。根据调查 分析的结果，对4 位学生进行了深入的访谈，分析了前概念的特点、 成因，并提出了转变前概念的教学策略。 研究结果表明：1 高师物理学专业学生在电磁学方面均不同 程度的存在前概念，学生通过新课的学习可以有效的纠正部分前 概念并且能有效形成正确的物理概念；后继学科的学习也可以纠 正学生的部分前概念但效果不如新课的学习明显；2 结合问卷调 中学生对答案的解释及对学生的访谈，总结出了学生在电磁学方 面形成前概念的5 个原因：电磁学内容本身的抽象性；对电 磁现象感性认识的不足；前知识的局限性；学生主观认知结 构方面的原因；教师教学的不当。3 通过访谈我们发现传统的 教学使得学生的学习缺乏灵活性，致使很多学生在熟练背诵定理 和应用公式的背后却是对概念的不理解，根深蒂固的前概念在 学生具体运用的时候更容易暴露出来，从而造成学生灵活运用 公式定理解决实际问题能力的低下。 在上述研究基础上结合当前电磁学教学实际，对电磁学教学 提出了几点建议：加强对基本概念、基本规律的教学；重视 实验教学，增强学生的感性认识；利用多媒体技术把抽象的概 念形象化：减少课堂教学中非专业术语的运用。 关键词：高师物理学专业学生；电磁学；前概念； 错误概念；概念理解 i l a b s 缸a c t t h el e 锄e r sa l w a y sc o m p r e h e n dm en e wk n o w l e d g eo nt h eb a s i so ft 1 1 e c x i s t i n gc o 印i t i v e 曲n l c t l l r e s a m o n gm e s e ，s o m ea f e i na c c o r d 觚c e 晰t ht h e s c i e n t i f i cc o n c e p t i o n s ，h o w e 、 o m e r sa r en o t w ec a l l此l 执ro n e s “p r e s c i e 埘f i cc o n c e p t i o n s ( p r e - c o n c e p t i o n s ) i nr e c e n t y e a r s ， m 也e d e v e l o p m e n to ft h ec o 鳓i v es c i e n c e ，p e o p kh a v ea l r e a d yr c a l i z e dt h a t 也e e x i s t i n gp r e c o n c e p t i o n sw o u l dp r e v e n tt h el e a r n e r s 疔o ma c c e p t i n g ，f b r m u l a t i n g ， a i l dd e v c l o p i n gm es c i e n t i f i cc o n c e p t i o n s t h e r e f o r e ，“a t t r a c t sm a l l ys c h o l a r s a n 。n t i o ni i lt h ef i e l do fe d u c a t i o na n dp s y c h o l o g ya th o m ea i l da b m a dt os t u d y t 1 1 el e a m e r s p r e c o n c 印t i o n sa n da d o p tt h eh o m o l o g o u sm e a s u r e st oc h a l l g eu l e t e a c h i l l gm e t l l o d sa c c o r d i n gt ot h ec o g i l i t i v es m l c t u r e st h a tt 1 1 es t 【l d e n t s h a v e a l r e a d yh a d t l l i sr e s e a r c hl l s e s l ec o n 曲m c t i v i s ma sm eg u i d e l i n e ，血eh a n d m a d e q u e s t l o 皿a i r eo ft h en o 哪a 1s 恤d e n t s ，p r e c o n c e p d o n so fe l e c t r o m a g n e d s mm 匈o f i 工1 p h y s i c a la s 也e 证咖珊e m ，心e m g a t e s3 6 6s 扎d e n t s ，a n dg e t2 1 母p i c a l p r e c o n c e p t i o n si i lt l l ed c f 耐矗d no fc h a r g e ，t h cr e l a t i o nb e “v e e nt h e e l e c t r i cf i e l d l i n ea i l d 也ee l e c t r i cf i e l d ，m es t a t i ce l e c t r i c 时b a l a l l c eo f 也ec 伽d u c t o r ，也e c o u i o m bl a w s ，t h cr c i a t i o nb e 似e e nt l l ee l e c t r i c 蚵p o w e ra n dt h ef i e l ds t r o n g ，a n d m eo r d e ro fg u s si nm ev a c u u m a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a 妇gr e s u l t s ，t h e a u t h o ri n t e r v i e w s4s n j d e n t st h o m u 曲1 y ，a i l a i y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa i l dr e a s o n s o f 血ep r e c o i l c e p t i o l l s ，a 1 1 dp u t sf o n v a r dt om et e a c t l i n gs 仃 壮e g i e so fc h a i l g i n g t h ep r e c o n c e 面o n s t h er e s e a r c hr e s u l t si 1 1 d i c a t em a t ：1 t h en o 肌a ls t u d e n t sm a j o ri np h y s i c s a 1 1e x i s t p r c c o n c 印t i o i l s t od i f ! i e r e n te x t e n t ；血e yc 趾r e 曲命 a p a r to f 弘e c o n c e p t i o n sa n d f b r mt h ec o r r e c tp h y s i c a lc o n c e p t i o n sn l r o u 出t h es y s t e m a 士i c 1 1 l s t u d i e s ；m es u c c e e d i l l g s t u d i e sc a l la l s o r e c t i 毋ap a r c o ft 1 1 es t u d e n t s p r e c o n c e p t i o n s ，b u tt h er e s i l l t sa r cl e s se 访d e n tm a n 廿1 es y s t e m a n cc o u r s e s s t u d i e s ；2 c o m b i n i n gt h ee x p l a i l a t i o no f 也es t u d e n t s q u e s t i o 衄a i r ea 1 1 dt h e i n t c n r i e wo fm e 咖d e m s ，也ea u 血o rs l l i m n 血z c sf i v er e a s o n so ff 6 r i 】1 i n gm e p r e c o n c e p t i o n si ne l e c 仃o m a 弘e t i c s ：t h ee l e c t m m 弛e t i c si n “s e l fi sa b s t r a c t ； b es h o r to f 恤es e n s i t i v er e a l i z a t i o ni 芏1e l e c 们m a 弘e t i c s ；l i 1 i t a t i o n so f血e p r e - k n o w l e d g e ；( d 1 ks t u d e n t s c o 弘m v es 咖c t e sa r es u b j e c t i v c ；t h e t e a c h e r s t e a c h i n gm e t l l o di sn o t 印p m p r i a t e ；3 t h u 业i n t e “i e w i n w e d i s c o v e rt h a t 出e 饿【d m o n a lt e a c h m gm e m o dm a k es t u d e n t s s t u d y1 a c km e a g i j i t y ，c a u s eal o to fs t u d e n t st oe x p o s et or e c i t i n gt h ea x i o m s ，b u t t h e a p p l i c a t i o no ft h ef o r m u l a i so v e r l o o k e da n dt h es t u d e n t s c o u l d n tr e a l l yu n d e r s t a n dt h ec o n c e p t i o n s ，a n ds o m ed e e p r o o t e d p r e - c o n c e p t i o n s ，a p p e a r i n gi nt h ea c t u a lu t i l i z a t i o n ，r e s u l ti nt h el o w a b i l i t yi nr e s o l v i n gt h ea c t u a lp r o b l e m s o n 也eb a s i so ft 1 1 ea b o v e i r l e i l t i o n c dr e s e a r c 也c o m b i n j n gm ec u r r e n tl e a r l l i n g o fe l e c t r o m a g l l e t i c s 趾dt h et e a c m n g ，w ep r o p o s es o m ep i e c e so fa d v i c e ： s 臼m g 血e nm et e a c l l i n go f 1 eb a s i cc o n c e p t i o n sa 工1 dr e g u l a t i o 璐；p u tm o r e e m p h a s i so nt 1 1 ee x p c r i m e n t a lt e a c h i n g ，s t r e n g t h e i l i n gm es t u d e n t ss e n s i d v e f 如u l t y ；v i s u a l i z et h ea b s t = r a c tc o n c e p t i o nb ym 出n gu s eo f 血em u l t i m e d i a t e c 胁q u e ；e r a d i c a t ec o r n p l e t c l yt 1 1 el l s a g eo fm en o n p r o f c s s i o n a lt e c l l n i c a l t e m si nt h ec l a s s r o o mt e a c l l i n g k e y w o r d ：c o n 咖c t i v i s m ； 也en o 册a ls 砌e n t s m a j o r i n p h y s i c s ； e l e c 廿o m a g n e t i c s ；p r e c o c e p t i o l l s ；面s c o n c 印t i o n ；t h ec o m p r e h e n s i o no ft h e c o n c e p d o n s i v 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 对高师物理学专业学生电磁学前概念的研究 1 前言 1 1 研究背景 随着认知科学的不断发展，人们对学生的学习过程和已有的认知结构日 益关注。特别是在皮亚杰认知发展理论的指导下，人们开始由关注“学生 学会了什么? ”逐步转向关注“学生是怎么学的? ”。美国著名教育心理学 家奥苏贝尔( d p - a u s u b e l ) 在其最有影响的著作教育心理学：认知观的扉 页上写道：“假如让我把全部教育心理学仅仅归纳为一条原理的话，我将一 言以蔽之：影响学习的惟一最重要的因素就是学生己经知道了什么，要探明 这一点，并应据此进行教学。”【l 】苏联心理学家维果斯基也指出：学生在与 社会相互作用中形成的自发概念( 前概念或日常概念) 对正规教育中的科学概 念学习具有重大影响，他认为学生是在摆脱日常概念和科学概念的“张力” 中，形成新的理解、构建新的知识框架的，日常概念和科学概念之间的关系 并不是线性发展，而是交织在一起、彼此影响1 2 j 。在上述理论基础上发展起 来的现代建构主义学派则认为：学习要建构关于事物及其过程的表征，但它 并不是外界的直接引入或翻版，而是通过已有的认知结构对新信息进行加工 而建成的 3 】。在建构主义者看来，教师的作用不仅仅是呈现新的信息、纠正 学生的错误概念、演示技能，他还必须引导学生用新的方法去思考现象和事 情。为了做到这一点，教师必须对学习者的学习经验，即对原有的观点和思 想有所了解。同时，相关研究表明【4 1 1 7 】，学生学习课堂知识时总是试图将新 的信息、观念、经验与最适合的己有知识联系起来。但是，一些学生往往认 识不到课堂中的科学知识与他们自己的观念之间的重要差别，不会在新旧知 识的联系与区别中重建认知结构，而是倾向于在头脑中划分区域，一部分用 来保护自己的原有想法与观念，一部分用来死记硬背科学概念、应付老师的 考试。因此，在实际教学情景中，学生常出现“错误观念屡教不改”、“迅速 遗忘科学概念”、“无法运用所学科学知识解决日常生活、生产问题”的现象， 并且很多学生将非科学观念带到高中、大学阶段，表现出个人观点很难转变 的顽固性。为此，教师要深入了解学生头脑中存在的前概念，做到心中有数， 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 然后在此基础上采取有针对性的教学策略实施教学，这对于提高教学质量、 促进物理教学改革都是大有裨益的。 自上个世纪七十年代始，了解学生对各种科学观念的直觉想法，探究学 生认知结构中的前概念以及为增进学生对科学概念的理解而兴起的“概念转 变”教学，已成为国外教育心理研究的热点。英国、美国、法国、澳大利亚 等西方国家的物理教育家和研究者们相继开展了对学生头脑中前概念的深 入研究，研究方法各具特色，内容涉及力、热、光、电以及近代物理、量子 力学等，而尤以力学领域内的研究最为集中和彻底。研究对象已从几岁的儿 童、中学生扩展到大学毕业生、研究生以及教师。通过这些研究，国外物理 教育工作者在此领域取得了比较丰硕的成果，并把这些研究成果及时的运用 到了课程开发和教师培训以及教学改革中去，对学生有效理解物理概念以及 实现前概念的转变做出了巨大贡献。然而，目前国内在这方面的研究还比较 少，已有的研究大多是以国外的相关研究为基础进行的，而更多的研究则还 停留在经验总结的阶段，研究范围也很有限，主要集中在对初、高中学生在 力学、热学、几何光学等方面前概念的研究上，基本上无专门的团体组织或 个人涉足电磁学领域进行系统研究，针对大学生有关电磁学前概念的研究就 更少。 1 2 概念界定 在有关概念及概念转变的文献中，研究者使用了很多不同的名词，其中 比较常用的有“前概念( p r c c o n c e p t i o n ) ”、“错误概念( m i s c o n c e 埘o n ) ”、“相 异构想( a l t e m a t i v e 丘锄1 e w o r k ) ”、“概念框架( c o n c c p t i o n 丹a i i l c w o r k ) ”等， 下面就对它们进行一下说明。 “前概念”有很多种称谓，如“孩子的概念”、“替代的概念”；前苏 联心理学家维果斯基把它称为“日常概念”、“自发概念”【引。它是指“未经 专门教学，在同其他人进行日常交际和积累个人经验的过程中掌握的概念” 【9 1 。 “教学前概念”是指“在进行教学之前学生就己持有的概念”【1 0 】。杜 伊特【l i j ( r d u “) 将其化分为错误概念和前概念两部分，同时，他认为错误 概念是指“学生在以前的正式学习中形成的错误理解”，其中前概念的含义 曲卑师范大学硕士研究生学位论立 与前面的相同。 “相异构想”是指学生头脑中存在的与科学知识或认识不一致的个人前 概念。它是由德瑞弗和依斯利 1 2 1 ( d r j v e r e a s l e y ) 提出来的，当时他们把 儿童围绕“前概念”建立起来的一种特有的知识结构称为“相异构想”；北 京师范大学的王磊老师则将它解释为“与科学概念不一致的理解”。 “概念框架”是指学生对自然现象的认识通常并不是个别的孤立的概 念，而大都是能形成一种结构并且在自然中得到拓展。现有研究的结果充分 地支持了这一观点，学生的概念通常并不是“模糊”观点的集合，而是非常 清晰的，尽管从科学角度来看他们的认识范围十分有限i l 。 从上面的分析说明中我们可以看出，虽然这些概念的称谓有所不同，但 其基本涵义是一致的，都是指由于某种原因而在学生头脑中形成的有关某些 方面的错误理解。本研究旨在探查高师物理学专业学生在电磁学中存在的某 些前概念，所以在研究中主要使用国内出现频率比较高的前概念、错误概念 等名词。同时，我们对在本文中所出现的“概念”、“前概念”、“后继学科” 的涵义分别界定如下： ( 1 ) 本研究中所说的“概念”是广义的物理概念，它包括人们对某一物理 现象的看法和观点。 ( 2 ) 本研究中所说的“前概念”有两部分构成，一部分是指学生在正式学 习之前在生活当中形成的关于某些方面的错误理解，另一部分是指学生在以 往的学习中形成的关于某些方面的错误理解。 ( 3 ) 本研究中说的“后继学科的学习”是指大三学生进行的有关电动力学 的学习。 2 国内外有关前概念研究的概况 近年来“前概念”、“相异构想”及其对于科学概念的学习和科学认识 的形成与建构的影响逐渐成为科学教学和科学教育心理学研究的热点。据 1 9 8 7 年的文献目录表明，约有2 0 0 0 篇关于个人概念的研究文献，而且近几 年还呈上升趋势【”】。 2 1 国外有关前概念的研究概况 2 1 国外有关前概念的研究概况 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 国外关于对物理前概念的研究可追溯到1 9 2 9 1 9 3 0 年皮亚杰的早期工 作，那时他采用临床法研究了儿童对于自然现象的观点和看法【l 6 j ；1 9 4 7 年 奥克斯( o a k e s ) 又对大量有关学生对自然现象的解释的研究进行了综述， 杜伊特( d u “) 甚至认为，这一综述已包括了目前研究学生的科学概念领域 中所讨论的许多观念【“j 。 国外在这方面的大规模研究开始于2 0 世纪7 0 年代中期，在8 0 年代迅 速扩展，召开了多届有关自然科学与数学教育中学生错误观念的国际研讨 会。并且从2 0 世纪7 0 年代起，学者们对该研究开始逐渐多样化并注重实验 数据分析。1 9 7 3 年d 南e r 在做博士论文时就采取了比较系统和细致的观察 方法，详细记录了四所初中学生做实验时和课堂上的讨论，发现学生对被动 力的理解有很大的困难。 8 0 年代，对前概念的研究达到了一个高峰，在这期间不仅研究报告多， 而且研究课题广泛，并且开始注重了前概念的原因分析和教学策略的研究。 1 9 8 1 年，j c l e m e n t 【1 8 】研究了学生在力学中力与加速度的关系，发现学生头脑 中原有的前概念难以改变并且与伽利略时代的哲学家们的想法相似：1 9 8 5 年，h e s t e n e s 等人在前人研究的基础上精心设计了一份力学概念理解的测试 问卷力的诊断测试( m e c h a m c sd i a 朗o s t i ct e s t ) ，简称m d ，并于1 9 9 2 年发表了它的改进版力的概念测量表( f o r c ec o n c e p ti n v c n t o r y ) ，简称 f c i ，该问卷由2 9 道选择题组成，分六个方面，主要是与牛顿力学有关的概 念，包括运动学、牛顿三大定律、力的叠加原理、力的种类等，错误的选项 都是从问卷调查中提炼出来的学生最常见的前概念i l9 】。1 9 8 0 年新西兰的研 究者s t e a d 和o s b o m e 利用事象面接法( h 1 ：t e ：r v i e wa b o u te v e n t s ) 进行的儿童对 光的本质认识的研究口0 】：其后，w 砒s ( 1 9 8 5 ) 口”、g o l d b e r g ( 1 9 8 6 ) 1 2 2 】、g a l i l i ( 1 9 9 6 ) 【列、g a l i l i 和l a v r n ( ( 1 9 9 8 ) 1 2 4 l 等分别从不同的侧面对光进行了研 究。1 9 9 8 年，国际物理教育委员会出版了一本书名为物理教育研究与师资 培训相结合的电子著作，该著作综述了近十几年来物理教育研究领域的主 要研究成果，其中包括学生对力学、热学、电学中主要概念的理解等方面的 研究【2 ”。2 0 0 1 年，d a v i d 【2 6 瞎人在前人研究的基础上，设计出一份电场和磁 场概念理解的调查问卷一一恤ec o n c e p t u a ls l l r v e yo fe l e c t r i c 时a 1 1 d 4 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 m a 蛆e t i s m ，简称c s e m ，该调查问卷由3 2 个选择题组成，主要包括电荷在 导体和绝缘体上的分布、库仑定律、电荷的受力、电场线的涵义、等势面与 场强之间的关系等方面的内容：该问卷历经四年的修订过程中，有3 0 所学 校的5 0 0 0 多名学生参与了测试，最后研究者对每个知识点给予讨论和分析， 并提出了相应的教学建议。 2 2 国内有关前概念的研究概况 国内有关前概念的研究起步较晚，但是近年来有关学生前概念的研究越 来越引起了大批物理教育工作者的关注和投入，近年来的研究主要有以下几 个方面。1 9 9 3 年，广西师大物理系的郭平生等对1 1 8 名物理系大一学生和 3 5 名化学系大一学生在力学方面存在的前概念进行了调查研究，得出了不同 于科学概念的1 3 个力学概念点，并提出了相应的教学转变策略阿。1 9 9 4 年 郭平生等又对大学生有关光学的前概念进行了研究，总结出了1 2 种常见的 前概念，并对教材的改革提出了建议【2 8 】。1 9 9 9 年河北师大的孟秀兰、鲁增 贤对中美两国中学生在物理电路部分存在的典型错误概念进行了研究，并比 较了中美两国学生在相同知识点上存在错误概念的异同 2 9 】。2 0 0 0 年，华南 师大黄敏兴利用自编的测试卷对广州两所中学的9 4 名( 其中高二6 3 人，初 三3 1 人) 学生进行了有关磁场前概念的调查研究，得出了学生在磁场方面 存在的前概念主要表现形式并分析了其产生原因【3 0 】。2 0 0 2 年杜军义对高中 学生在学习摩擦力、惯性、分子热运动、电流、路端电压、光、自感、人造 卫星、力矩等方面进行了研究，揭示了学生形成各种相异构想的原因，明确 了学生学习相关知识存在的困难，并提出了相应的教学策略【3 ”。2 0 0 3 年王 玉风利用自编的问卷对高中学生在摩擦力、惯性、分子热运动、电流、路端 电压、光、自感现象、人造卫星、力矩等方面进行了研究，分析了学生存在 诸多前概念的原因【3 2 】。2 0 0 4 年沈金林利用自己编制的问卷对高中学生有关 分子运动理论的前概念进行了调查研究，总结出了典型的前概念，并通过与 学生的访谈总结出了学生产生前概念的原因 3 3 1 。 近年来，国内很多高校研究生也加入到了有关前概念的研究行列，其中 在广西师大罗星凯教授的指导下罗海军【3 4 】、柳福提【3 5 】、朱喜香【3 6 l 、杨小红【3 7 】、 罗运文【3 8 、吴娴】等分别对沉浮现象、分子运动论、电学概念、几何光学中 5 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 的某些概念、热胀冷缩现象、密度概念的发展及其影响因素等进行了深入的 研究；在首都师大邢红军教授的指导下高雪峰【4 0 1 对高中力学方面存在的前概 念进行了研究：在曲阜师大陈万平教授的指导下范应元h l j 对高中学生在几何 光学方面存在的前概念及教学转变策略进行了深入研究；在苏州大学吴永熙 教授的指导下王明怡【4 2 对学生力学概念建构的现状与影响因素进行了分析 研究；在罗维治、黄生训教授的指导下杨进琼1 4 3 】对中学生有关力学部分存在 的前概念进行了研究。另外南京师大刘炳升教授、北京师大郭玉英教授等也 都从不同角度对有关前概念问题进行了深入研究。 2 3 已有研究的不足及本研究的意义 从国内外已有的有关前概念的研究中可以看出存在如下问题：国内 研究以理论探究或经验介绍为主，缺少就某一问题( 课题) 的深入研究，尤 其在电磁学方面。国内外学者在研究学生的前概念时，对初高中生的研 究较多，而对于大学生的研究较少。国内外的研究中多以调查、转变为 主，而缺少就某一问题深层次的探讨研究。因此，本研究试图通过问卷测试 和访谈相结合的方法对高师物理学专业学生在电磁学中普遍存在的前概念 进行细致分析，揭示出学生普遍存在的各种前概念，使我们能对高师物理学 专业学生有关电磁学概念掌握的现状有一个总体认识，了解他们物理概念建 构的水平和层次。进而深入分析产生前概念的原因，最后在研究结果的基础 上有针对性地提出一些教学建议，以期能为电磁学教学改革做一些基础性工 作。 3 对高师物理学专业学生电磁学某些前概念的调查研究 本部分试图通过问卷调查的方式，总结出高师物理学专业学生在电磁学 部分存在的前概念及典型表现形式，并分析年级、后继相关学科的学习等因 素对学生前概念的影响。 3 1 研究方法 根据研究目的及具体的研究条件，本研究以问卷调查法为主，并辅以个 别访谈法对高师物理学专业学生有关电磁学前概念进行研究。问卷中的试题 为单项选择题，要求学生不仅要选出答案，而且要说明所做出选择的理由， 6 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 以期获取学生产生错误推理、错误概念的原因等有用信息。最后根据问卷调 查中出现的典型问题，选取不同年级回答具有代表性的个别学生进行访谈。 3 2 研究内容 由于电磁学涉及的内容较为广泛，在有限的时间内要全面细致研究是不 现实的。本研究在阅读相关研究文献基础上，结合电磁学部分的教学内容和 要求，具体设置了：电荷、电场线与电场之间的关系、导体的静电平衡、库 仑定律、电势与场强之间的关系、真空中的g u s s 定理6 个方面的内容。 3 3 问卷的编制 3 3 1 问卷的初步编制 参考程守洙，江之永的普通物理学嗍、赵凯华，陈熙谋的电磁学 4 卯、陈秉乾，舒幼生，胡望雨的电磁学专题研究】、张静江的电磁学 问题一一分析与思考f 4 刀、苏铁力，马德录的电磁学基本概念学习指导 【4 8 】以及四川师范学院电磁学教研室的电磁学思考题分析与解答【4 9 1 等材料， 并参照戴维德( d a v i d ) 等人的电场和磁场概念理解调查问卷( m ec o n c e 口m a l s u r v e y o f e l e c m c 时a 1 1 d m a 印e t i s m ) 的设计模式，结合长期从事电磁学一线 教学的教师、物理课程教学论专家以及教育心理学家的建议，编制了包含3 0 个题目的初始调查问卷。 3 3 2 问卷的修订 研究者在广泛征求教育心理学家、物理教学论专家和电磁学一线教师意 见的基础上，从不同角度对每一个知识点进行审查，并从不同侧面对测试题 提出了修改意见。选择题的题干部分多是创设一定的物理情境，选择项则尽 可能多地包含了学生可能存在的前概念。 3 3 3 问卷的试测与再修订 在征求专家和一线教师对问卷修订的基础上，2 0 0 5 年9 月1 0 日，我们 随机抽取曲阜师范大学物理工程学院2 0 0 2 级物理教育学专业一班和二班各 4 0 名学生进行了试测。经过对试测结果的统计分析，并结合长期从事电磁学 7 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 教学的一线教师的意见和教学论专家的意见，对问卷进行再次修订，删去了 7 个题耳，新增4 个题基，并对部分题且的选项进行了调整积修改。 在上述试测、修订的基础上，2 0 0 5 年1 0 月1 4 日，我们又随机抽取了曲 阜师范大学物理工程学院2 0 0 2 级物理教育学专业一班和二班没有参加2 0 0 5 年9 月1 0 日试测的4 9 名学生进行了试测。根据对再次试测的结果统计分析 结合一线教师的意见，再次对问卷进行了修订，又删去了2 个题目，并修改 了个别题目的选项。 3 3 4 问卷的形成 在上述工作的基础上，我们最终形成了电磁学前概念调查问卷( 见附 录一) 。该调查问卷包含2 5 个选择题，每个选择题有4 个选择项，其中只有 一个为正确选项，选对记1 分，选错记o 分，满分2 5 分，整个问卷的答题 时间为5 0 分钝。这稗客观往溅试题可在较短时圆穴测试出较多的内容，有 明确的评分标准，可以客观评分，但由于它有固定的答案，在一定程度上限 制了被试者的独立发挥。不能全面反映被试者的想法，所以在测试时为更多 获得学生错误的推理、错误的概念等有用信息我们让学生在试卷上说明所做 出选择的理由。这样我们正式形成了关于高师物理学专业学生电磁学前概念 的调查问卷，具体分类情况参见表1 。 表1 测查的内容及题目分布 l测查内容题号 电荷 l23 电场线与电场之间的关系 45 67 导体的静电平衡 89 1 0 1 11 2 1 3 库仑定律 1 81 92 02 12 2 电势与场强关系 2 32 4z 5 真空中的o u s s 定理 1 4 1 51 6 1 7 3 4 问卷的评价 3 4 1 问卷的信度( 重测信度) 重测信度是指用同测验内容在不同时间对同一群体施测两次，这两次 测验分数的致性( 通常用相关系数来表示) 即是重测信度系数，它是衡量 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 一个测验的结果是否可靠的标准。我们分别于2 0 0 5 年1 0 月1 7 号和1 1 月2 0 号抽取蓝阜师范大学物理工程学院2 0 0 2 物理教育学专业一班1 、2 、3 小组 的2 8 名同学和二班l 、2 、3 小组的3 0 名学生利用自己编制的大学生电磁 学前概念调查问卷进行了测试，测试时间为5 0 分钟。2 0 0 5 年1 0 月1 7 号， 收回有效问卷4 8 份；2 0 0 5 年1 1 月2 0 号收回有效问卷5 0 份。 利用s p s s l o o 统计软件，我们求出两次均有效的调查问卷得分的皮尔 逊积差相关系数，并用该系数表示该问卷的重测信度，求得= o 8 0 2 ，根据 心理测量学的要求，问卷信度分数大于o 7 即可接受，可以看出该问卷的稳 定性较好、重测信度较高，是可靠的。 3 4 2 问卷的效度 ( 1 ) 内容效度：内容效度是测验内客对所要测量的内容的代表性程度。 问卷是在征求长期从事电磁学教学的一线教师和物理教学论专家的基础上 确定的，他们一致认为该问卷中的试题具有一定的代表性，能够测查出学生 学习电磁学时存在的前概念。 ( 2 ) 构想效度：按照理论构想学生在学习电磁学时存在着严重的前 概念，在征求长期从事电磁学教学的一线教师和物理教学论专家的基础上确 定了电荷、电场线与电场之间的关系、导体的静电平衡、库仑定律、电势与 场强之间的关系、真空中的g u s s 定理作为研究内容。 3 5 被试的选取 本研究旨在探查高师物理学专业学生在电磁学中存在的某些前概念。考 虑到电磁学的具体教学时间、学生的具体情况以及论文的进展情况，我们选 择了曲阜师范大学物理工程学院2 0 0 3 、2 0 0 4 、2 0 0 5 ( 简称0 3 、0 4 、0 5 ) 级 物理教育专业的部分学生作为被试。其中，0 3 级同学已学完电磁学课程一年， 并且进行了后继学科电动力学相关部分的学习；0 4 级学生刚刚学习电磁学中 有关测试部分的内容，还未进行后继学科电动力学的学习；0 5 同学刚刚升入 大学，在高中阶段学过电磁学的初步知识，但还未进行要求更高的电磁学的 学习。此外，为了深入了解学生的理解情况，根据学生对问卷的回答情况， 我们抽取了本校物理教育专业0 3 、0 4 、0 5 级学生中回答具有代表性的学生 9 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 进行个人访谈。样本的具体情况如表2 所示。 袭2 抽取的蛔卷调查样本 年级男生 女生合计 0 57 0 3 41 0 4 0 48 15 7 1 3 8 0 36 46 0 1 2 4 总计2 1 5 1 5 43 6 6 3 6 问卷的测试 2 0 0 5 年1 1 月2 4 号，我们对上述3 个年级同时进行了测试，测试时有各 年级辅导员作为监考人员，测试时间为5 0 分钟，本次测试问卷的回收情况 见表3 。 表3 问卷回收情况 年级回收男生有效问卷回收女生有效问卷 合计 0 55 53 l8 6 0 47 64 91 2 5 0 35 55 51 1 0 总计1 8 61 3 53 2 l 注：在数据统计中，将回答率低于8 0 【0 3 、0 4 级学生为2 0 个，0 5 级为1 6 个) 的问 卷视为无效问卷。 3 7 数据统计及结果分析 为进一步分析高师物理学专业学生在电磁学中存在的某些前概念，我们 对问卷调查结果进行了统计分析。 3 7 1 学生对全部测试题回答情况的统计 表4 全部澍试题回答情况统计表 题号正确回答率( 人数)含前概念回答率( 人数)放弃率( 人数) 14 4 5 ( 1 4 3 )5 2 6 ( 1 6 9 )2 9 ( 9 ) 、 28 6 6 ( 2 7 8 )1 2 4 ( 5 6 )1 0 ( 3 ) 3 7 9 7 ( 2 5 6 )1 7 4 ( 5 6 )2 9 ( 9 ) 4 5 7 6 ( 1 8 5 )3 9 5 ( 1 2 7 ) 3 0 ( 1 0 ) 56 9 5 ( 2 2 3 ) 2 7 7 ( 8 9 ) 2 8 ( 9 ) 6“5 ( 1 4 3 )5 2 7 ( 1 6 9 )2 8 ( 9 ) 1 0 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 74 8 6 ( 1 5 6 ) 4 7 o ( 1 5 1 )4 4 ( 1 4 ) 86 2 6 ( 2 0 1 )3 4 6 ( 1 1 1 )2 8 ( 9 ) 96 7 6 ( 2 1 7 )3 0 8 ( 9 9 )1 7 ( 5 ) 1 06 2 5 ( 2 7 5 )3 42 ( 1 5 1 )3 3 ( 1 5 ) 1 l4 2 4 ( 1 3 6 )5 0 6 ( 1 6 2 )3 3 ( 1 0 ) 1 26 7 7 ( 2 1 7 )3 0 ，6 ( 9 8 )1 7 ( 5 ) 1 36 3 3 ( 2 0 3 )3 1 7 ( 1 0 2 )5 o ( 1 6 ) 1 4 + 5 l - 7 ( 1 0 9 )4 5 0 ( 9 5 )3 3 ( 7 ) 1 5 +5 8 7 ( 1 2 4 )4 0 _ 3 ( 8 5 ) 1 o ( 2 ) 1 6 +4 3 7 ( 9 2 ) 5 1 7 ( 1 0 9 )4 6 ( 1 0 ) 1 7 5 2 6 ( 1 1 1 )4 4 5 ( 9 4 )2 9 ( 6 ) 1 87 0 5 ( 2 2 6 )2 8 7 ( 9 2 )o 8 ( 3 ) 1 95 7 1 ( 1 8 3 )3 8 9 ( 1 2 5 ) 4 0 ( 1 3 ) 2 0 6 4 6 ( 2 0 7 )3 2 5 ( 1 0 4 )2 9 ( 9 ) 2 t 5 4 5 ( 1 7 5 )4 3 5 ( 1 4 0 )2 0 ( 6 ) 2 28 0 4 ( 2 5 8 )1 8 7 ( 6 0 )0 9 ( 3 ) 2 35 4 5 ( 1 7 5 )4 2 7 ( 1 3 7 )2 8 ( 9 ) 2 44 0 5 ( 1 3 0 )5 7 - 3 ( 1 8 4 )2 2 ( 7 ) 2 55 7 9 ( 1 8 6 )4 0 5 ( 1 3 0 )i 6 ( 5 ) 注：带星号的4 个题目是测查学生在高斯定理方面存在的前概念，由于0 5 级学生还未 学习高斯定理，所以在统计时我们仅统计了0 4 、0 3 级学生的回答情况。 为深入了解学生在电磁学问题上存在的前概念，我们统计出了学生在各 个题目上的正确回答率( 见表4 ) 口可以看出，2 5 个题目中，正答率在8 0 以上的2 个，7 0 一8 0 的2 个，6 0 一7 0 的7 个，5 0 一6 0 的8 个，5 0 以下的6 个。以上结果表明，学生在电磁学问题上普遍存在前概念，而且个 别问题上的前概念相当严重。 3 7 2 不同年级学生的得分率及差异性比较 为比较不同年级学生的得分率，我们对其进行了统计分析并作出了相应 的柱形图，具体情况如图l 、图2 所示。由于0 5 级学生还未接触过高斯定理， 所以我们对除有关高斯定理方面的题目进行了三个年级之间的对比分析( 在 以后的讨论中，如无特别指出均是对除高斯定理以外的有关概念的讨论) ， 对有关高斯定理的4 个题目进行了0 3 、0 4 两个年级之间的对比分析。 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 从图1 我们可以看出：随着年级的增长，学生的平均得分率有所提高， 但从大二到大三学生得分率的提高幅度要小于大一到大二之间的提高幅度， 这说明新课教学对一部分前概念的纠正和科学概念的形成是有效的，能够在 一定程度上提高学生的成绩，同时后继学科的学习也能在一定程度上减少学 生的前概念、提高学生的学习成绩，但效果不如新课教学明显。从图2 我们 可以看出：学生在高斯定理方面的平均得分也随年级的增长而提高，且增幅 略高于学生在其它方面随年级增长而提高的幅度。这也说明通过后继学科的 学习能在一定程度上减少学生的前概念，提高学生的学习成绩。为进一步分 0 3 、0 4 、0 5 级学生平均得分率 0 3 、0 4 级学生有关高斯定理题目的得分率 图l 图2 析不同年级学生在前概念方面的差异，我们利用s p s s l o o 统计软件进行了 单因素方差分析( o n e w 蚵a n o 、a ) ，考察了学生得分的年级差异显著性水 平( 见表5 ) 。由于本次测试的时间安排在0 5 级学生刚刚入学还没进行电磁 学的学习，仅仅在高中阶段接触过相关知识；0 4 级学生刚刚学习电磁学中有 关测试部分的内容，还未进行后继学科电动力学的学习；0 3 级学生已进行完 后继学科电动力学相关内容的学习，所以通过对0 5 、0 4 级之间的差异性比 较可以分析新课教学对于纠正学生头脑中的前概念、形成科学物理概 念的效果，通过对0 4 、0 3 之间的差异性比较可以分析后继学科对于 纠正学生头脑中的前概念的效果。 曲阜师范大学硕士研究生学位论文 表5 不同年级学生年级平均成绩差异性比较( 除高斯定理题目外) 差异性比较 年级平均分 0 50 40 3 0 51 0 8 7 50 0 0 8 车半 0 4 1 3 1 6 7o 0 2 牛 0 3 1 4 5 7 4 从表5 我们可以看出，0 5 和0 4 年级之间的存在及其显著的差异， 这说明通过新课教学可以有效的纠正学生头脑