學生對量子論和相對論內容學習情況的調查與分析

涂星火

（深圳第二實驗學校 廣東 深圳 518021）

新課程的內容是否有效實施，最終要著眼于學生的學習情況.學生已有知識準備、學習興趣和主動性，外界對學生學習提供的支持，教師的教學情況，學生對教材的適應性，教學內容的可接受性都會影響學生的學習，從而影響課程的順利實施.量子論和相對論是近代物理學的兩個支柱理論，包含著豐富的科學思想和科學方法，能夠很好地啟發學生思考，提高學生的科學素養，轉變學生的思維觀念，因此，中學生很有必要進行相關內容的學習.新課程已將量子論和相對論內容設置在必修2、選修3-4、選修3-5三個模塊中，對量子論和相對論現象及其規律的認識是人類認識史上的一大飛躍，這些知識已逐漸成為現代物理理論和現代物理技術的基礎，這些技術已逐漸改變著現代人的生活，不可否認這些知識是普通民眾現代科學知識普及的重要內容，對未來有志從事相關研究的學生更是重要的內容.然而，學生對這些內容了解如何呢？是否達到新課程要求呢？為了清楚了解這部分內容的實施情況，筆者已從教師角度就高中生對近代物理知識量子論和相對論內容的可接受性進行了調查、研究和分析［1］.本文試圖通過學生對相關概念的表述、判斷方面進行調查，以了解學生對量子論和相對論內容的實際學習及接受情況，可以得到來自教學一線的材料，為教材編寫人員更有目的、更合乎實際的組織教材內容以及授課教師優化教學方法提供了素材.

1 問卷設計

問卷主要根據《普通高中物理課程標準（實驗）》關于量子論和相對論內容知識點的設置，以及參考人教版、司南版、粵教版和滬科版4套物理新課程教材關于量子論和相對論內容的編寫，同時，參考了英國 G.Ireson（2000）［2］關于量子概念理解情況的調查表，設計了23個涉及量子論和相對論內容的概念表述判斷題（見表1）.問卷旨在通過對學生的概念表述判斷，了解學生對量子論和相對論內容的實際學習及接受情況.相關概念的表述判斷參考了課程專家的意見，并于2006年11月在海口市的部分高中學生進行初測的基礎上修改而成.要求學生根據自己實際的學習情況，對23個概念表述從A（很同意），B（同意），C（既不同意也不反對），D（反對），E（很反對）5個認可程度中選擇一個用來表達自己的觀點.旨在通過概念表述判斷、了解學生對于量子論和相對論內容的實際學習情況，找出學生理解存在困難的知識點，為教師教學的改進或者教材的呈現方式提供借鑒意義.

表1 量子論和相對論相關概念表述調查

續表

2 調查對象

教材的多樣化，決定了不同地區不同學校可以根據自身情況有選擇地使用新教材.通過調查發現，同一個課改省份有使用多版本教材的情況，但是，沒有發現一個省份同時使用4套教材進行教學的情況.為了了解學生學習量子論和相對論內容的實際情況，問卷的調查對象，選取了位于教育水平較高的山東省、經濟水平較高的廣東省、教育和經濟水平相對較低的海南省3個課改省份不同地區、不同層次的14所學校的高三學生.調查的高三年級都是2004年秋季第一批進行新課程教學的年級，到2006年11月份，這些學生都已經學完了高中新課標實驗教材的共同必修2、選修3-4和選修3-5三個模塊中涉及量子論和相對論的內容.調查于2006年11月上旬至12月中旬期間進行，他們親身經歷和感受過量子論和相對論內容的學習，因而，問卷的調查結果能夠真實反映學生學習量子論和相對論內容的實際情況，具有一定的可信度.為使調查結果更有說服力，調查在海南、廣東、山東三地的高三年級同時進行.共收回調查問卷450份，選取有效問卷428份進行統計.同時，對海南省海口市的5所學校部分師生進行了訪談.

3 統計方法

為了了解學生學習量子論和相對論內容的基本情況，文中對學生所做的選項進行整體統計分析和男、女生比較分析.鑒于沒有發現一個省份同時使用4套教材進行教學，教師、學生實際情況不同，沒有對使用不同版本教材的學生進行獨立統計分析.23個概念的表述存在正確和錯誤之分，所以，學生的選擇有對有錯.為了更加直觀地了解學生對相關概念表述的判斷情況，即更加直觀了解學生學習量子論和相對論內容概念的情況，我們采取一定的方法來打分.對表1采用的記分方法是對正確的表述回答A，B，C，D，E分別記2分、1分、0分、－1分、－2分；對錯誤的表述回答A，B，C，D，E分別記－2分、－1分、0分、1分、2分；一題中選擇兩個及以上答案按放棄處理.統計分數時，對表述用的正分數相加，然后除以總人數所得結果稱之為平均分.調查數據統計的結果使用Excel和SPSS11.5軟件進行數據統計.

4 調查結果及分析

為了清楚地觀察學生對相關概念表述判斷的得分情況，以及學生在不同概念表述上所表現出來的差異，我們以題號為自變量，全體學生在各個概念表述上的平均分為因變量，繪制相應的折線圖，如圖1.

圖1 全體學生關于量子論和相對論相關概念表述得分

根據上面確定得分的方法，則每個概念表述的滿分為2分，如果規定取其60%為及格分，也就是規定平均分1.2分為及格分，從圖1可以發現，全體學生在涉及量子論和相對論內容的23個概念表述中，整體統計得分都沒有達到及格分，學生的學習并沒有達到課標的要求.

從圖1看出，量子論部分概念表述得分波動不大，基本在0.8分左右，涉及光電效應的第2個和第4個概念表述得分較高，原因是這一知識點是過去幾年高考的必考內容，教師比較重視也比較熟悉，有一定教學經驗積累，新教材講解也比較詳細，同時，有探究實驗支持，因而，學生印象較深.通過這點也說明對于抽象的概念，如果輔助以實驗，讓學生感知現象，就能促進學生的理解.第9個關于激光原理的表述得分較低，原因是課標要求較低，教師對激光特點和應用講解較多，較少涉及原理教學.第11個關于能級結構的表述得分較低，教師反映這一知識點學生接受適中，一旦和不確定性聯系起來，學生回答錯誤率較高.第13個關于不確定性的表述得分相對較高，分析學生可能不是很好地理解了概念，而是記住了概念.整體看來，即使有一定教學經驗的教師講解量子論內容，由于內容本身的抽象，學生學習起來還是感覺困難，不好理解.

相對論部分概念表述得分波動較大，第15個關于相對性原理的表述得分較低，學生已經接受了經典力學的觀念，對于慣性系中狹義相對性原理還能理解，對于涉及非慣性系的廣義相對性原理，由于觀念沖突，就認為物理規律不適用.第22個關于廣義相對論時空彎曲的表述得分不到0.2分，這一概念改變了傳統的引力觀念，習慣經典力學觀念的學生很難接受.除了滬科版涉及這一重要概念外，其他3套教材均沒有呈現，教師由于自身觀念的局限性，根本沒有進行介紹，是得分較低的原因.第21個關于質速關系的表述得分也較低，原因是經典力學中通常認為物體的質量是不隨物體運動狀態變化而發生變化的，正是這種觀念影響了學生的學習.經典物理學中的物理概念、原理和規律一般都是通過實驗得到，或者能夠通過實驗來驗證，現實生活中應用的事例很多，讓人容易接受.然而，相對論部分的很多觀點處于猜想和假設階段，很難通過實驗進行驗證，學生能夠感知的事例很少.第19個關于相對論速度疊加和第23個關于光線在引力場中的偏轉表述得分相對較高，可能的原因就是學生記住了相關內容，至于是否真正理解不得而知.平時我們也一直強調光速是最大的；而廣義相對論的觀測證據，幾套教材安排的內容很相似，這些觀測證據讓學生無法親身感知，一般還是通過記憶來學習相關內容.

上面是從總體上分析學生對相關概念表述判斷的情況，下面從性別方面對相關概念表述判斷進行簡單比較分析，如圖2.

圖2 男、女生概念表述判斷得分情況

由圖2發現，男、女生得分變化趨勢完全一致.說明性別不同，對概念理解思維方式沒有差別.通過t檢驗發現，除1（Sig.2t＝0.025）、14（Sig.2t＝0.010）兩個表述男、女生得分差異顯著，及2（Sig.2t＝0.009）、4（Sig.2t ＝ 0.000）、6（Sig.2t ＝ 0.002）、11（Sig.2t＝ 0.004）、20（Sig.2t＝ 0.000）、23（Sig.2t＝0.001）5個表述男、女生得分差異極顯著外，其他表述得分男、女生沒有顯著差異.說明男、女生在學習抽象概念時，男生在一定程度上優于女生，但不是絕對的，男生有5個表述得分低于女生，但是差異不顯著.

5 原因與反思

認知心理學認為，知識的獲得過程既受個人先天傾向的影響，同時也受個人已獲得知識的影響［3］；奧蘇貝爾（1960）［4］認為，影響學習的唯一最重要的因素就是學生已經知道了什么，并應據此進行教學.因為先行組織者是在講課之前給予學生的概念或觀念，主要用于提供認知結構，為新的學習提供基礎.通過調查后的跟蹤訪談結果顯示，學生學習量子論和相對論內容前，對相關內容了解甚少，即使了解，主要途徑也是課外書.但跟教師和學生交流發現，目前適合中學生閱讀的相關書籍很少，報刊、雜志涉及相關內容不多，學生看報時間更少，網絡上可以查找的相關資源也很少，學校提供的相關圖書資料幾乎沒有，因此，學生學習前很難過多了解相關內容，知識準備不足，導致學生學習困難.

教學中，教師雖然能對教學過程和方法做精心準備，但是對相關概念理解一般，近代物理知識存在缺陷.由于量子論和相對論內容抽象，需要使用現代實驗和教學手段，幫助學生創建感知情境，因為感知是從物理現象開始的，選擇合適的實驗，或通過媒體課件展示實驗過程，有利于抽象知識的教學，將抽象的內容形象化地展示出來，讓學生可以感知現象和實驗.由于多數學校所能提供的實驗器材很少，媒體課件不能滿足這部分內容的教學要求，而廣大鄉鎮中學還沒有配備多媒體資源；高考涉及相關內容很少，教師不愿意花費時間和精力去查找資料.教師的不重視導致學生學習這部分內容時不積極、不主動，課后也很少查找相關資料幫助理解，因而學生能夠感知的現象少；同時，提出的問題教師經常講不清楚，學生寧愿跟同學討論，也很少找教師幫助解決，師生之間缺少交流，因而，對這部分內容學習興趣不高.續佩君說過：我國大部分學生基本處于以物理習題的解題思維代替物理學科學思維的狀態［5］.然而，量子論和相對論部分內容沒有列入高考必考內容，教學要求不高，教師一般要求學生處理課后習題，但除了學習主動的學生做過課后習題外，多數學生都不主動接觸，因而，多數學生不清楚課后習題是否難，所以，學習只停留在對書本表面知識的了解，近代物理思維方法的訓練就更少.

教材是學生學習的重要資源.教材編選有很多制約因素，尤其要考慮學生的心理特點及知識水平.學生是教材的使用者，教材怎么樣，好不好，他們最有發言權［6］.對于量子論和相對論內容，有學生反映教材呈現的內容抽象，缺少可以觀察的實驗，而且教材缺少理論應用的實例，內容沒有貼近學生生活.雖然教材呈現較多的圖表和各種特色欄目，能在一定程度上幫助學生理解相關內容，但多數學生認為教材可讀性一般.

無論是從課程設計的知識完整性來說，還是從科學思想和科學方法的培養來說，學習量子論和相對論內容都是有必要的.然而，學生實際學習情況都不理想，為了促進這部分內容的教學，筆者認為，（1）將量子論和相對論部分知識點列入高考內容，可以降低考試要求，提高教師對這部分內容的重視程度；（2）物理教師需要加強專業知識的學習，教師是課程實施的最直接的參與者，教師的知識面過窄將會影響課程的順利實施［7］；（3）繼續改進教材的編寫及多編寫適合中學生閱讀的相關圖書；（4）各級教育行政部門應加大對相關實驗器材硬件設施和課件媒體開發的財政投入.

1 涂星火.物理知識點學生可接受性調查與分析——量子論和相對論.物理通報，2009（12）：7～9

2 G.Ireson.The quantum understanding of pre-university physics students.Phys.Educ.2000，35（1）：15～21

3 梁建寧.當代認知心理學 .上海：上海教育出版社，2003.184

4 皮連生.學與教的心理學（修訂本）.上海：華東師范大學出版社，1997.253

5 續佩君.“高中生物理學習心理調查”的簡要報告.學科教育，2000（4）

6 程福蒙.關于基礎教育課程改革問題的反思.當代教育科學，2006（2）

7 張二慶，馬云鵬.教師素質是成功實施新課程的關鍵.教育探索，2005（11）