高中相對論學習情況的調查研究

袁海泉

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215006)

陳夢姣

(蘇州工業園區星灣學校 江蘇 蘇州 215001)

相對論是近代物理學的基礎．新課程標準中，將相對論作為重要的教學內容之一，必然引起中學物理教學的重視．由于相對論的很多結論與日常生活經驗不一致，導致相對論的學習出現困難．新課程實施幾年來，相對論知識的教學過程中存在哪些問題？學生學習相對論的情況如何？影響學生學習相對論的主要因素有哪些？我們通過調查研究試圖回答這些問題．

1 調查問卷的編制與實施

1.1 調查問卷的編制

調查問卷共包含兩部分，分別是基本信息和主體內容．

第一部分是調查學生的基本信息，包括高考等第、性別、就讀中學類別、中學相對論學習的課時數．調查目的是研究具體學習情況與這4個基本因素之間的關系．其中高考等第是指江蘇省物理學科高考成績排序后，按位比劃分的等第．

第二部分是問卷的主體內容．從知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三方面命題，前69題采用里克特5點量表的形式，通過給予一系列正向或反向的陳述，每一陳述有“非常同意”、“比較同意”、“不確定”、“比較不同意”、“非常不同意”5種選擇．若為正向表述，賦值依次為1分、2分、3分、4分、5分，若為反向表述，反向賦值．對知識類題目而言，“非常同意”意味著學生對該陳述所涉及的相對論知識的正確了解與認同；“比較同意”意味著學生對相應知識有基本的理解，但認知具有一定的模糊性；“不確定”代表學生對該知識點沒有印象，表述對與不對無法判斷；“比較不同意”表明學生對該知識點有錯誤認識，但不太肯定；“非常不同意”說明學生對該知識點的認識是錯誤的．最后3題采用了開放題的形式．問卷編制的雙向細目表如表1．

表1 調查問卷雙向細目表

1.2 問卷調查的實施

問卷的調查對象是：蘇州大學(本一)、蘇州科技學院(本二)、蘇州大學應用技術學院(本三)的學生，保證了樣本的全面性和廣泛的代表性．調查實施的時間為2011級大學新生未學習普通物理、力學等涉及相對論知識的課程，調查結果是中學相對論的學習情況．

問卷的施測在2011年10月份完成，答卷時間為20 min．發放問卷數270，回收問卷數261，有效問卷數229.

2 調查結果的統計與分析

2.1 調查對象基本信息的總體分析

表2 調查對象的高考等第分布

其中男生167人(占72.9%)，女生62人(27.1%)來自四星級中學的學生166人(72.5%)，其他中學63人(27.5%)．回答中學相對論教學的課時數為不大于6課時和6課時以上的學生分別為160和69．

2．2 問卷的信效度分析

利用SPSS分析軟件對學生問卷的信度進行統計，結果顯示問卷所有數據的Alpha值為0.823>0.7，說明學生問卷測量數據信度較高．為防止學生隨機回答問題，使測量結果具有不確定性，因此在問卷不同位置對部分同一知識點進行兩次測試，形成了配對樣本，其得分的相關性檢驗結果如表3.

表3 配對樣本得分的相關程度

可見，問卷的所測結果具有一定的信度和效度，可用于分析學生相對論學習情況．

2．3 高中生反映的教師對相對論教學重視程度

在回答高中時期教師如何看待相對論知識的重要性(T71)時，學生反映的情況如圖1.

圖1 學生反映教師如何看待相對論知識的重要性

注：“1”表示“重要知識點”，“2”表示“一般知識點”，“3”表示“不重要，一帶而過”，“4”表示“自學知識”

說明中學教師對相對論的重視程度一般．

2．4 高中生相對論知識的掌握情況

利用學生問卷施測所得的數據，對江蘇省中學生相對論學習情況分析．中學生物理相對論學習情況調查的總分均分為178.71分，標準差為22.365．由于本問卷采用5點計分，其取值范圍是1～5，中間值為3，得分越低代表同意程度較高，得分越高代表同意程度越低．為便于比較學生在全問卷及各知識點的得分情況，我們統計了題均得分如表4.

續 表

由表4知：大部分學生相對論的知識掌握情況介于比較了解和不清楚之間；第一維度中得分最高的是時間間隔的相對性(2.764 2)，意味著該知識點學生的學習情況最差，其次是質能關系(2.605 9)，說明學生對質能關系理解僅次于時間間隔的相對性，得分最低的是兩種時空觀的區分(2.200 9)，說明該知識點學生的學習情況較好；第一維度中標準差最高的是速度相加法則(0.951 13)，標準差最低的是廣義相對論(0.575 76)，說明學生在回答速度相加法則的相關題目時結果不穩定，差異較大，回答廣義相對論有關問題的結果較穩定．

(1)時間間隔的相對性的理解

針對時間間隔的相對性，用4道(12,13,32,35)陳述題測量學生對時間間隔相對性的理解．其中第12題的內容是“在做高速勻速運動的火車中有一單擺，火車上的人和地面上的人測出的周期是相同的”，第35題是“地面上有一單擺，做高速勻速運動的火車上的人測得的周期比地面上的人測得的周期小”，這兩題都是關于單擺周期測量的相對性問題，本質相同．但對這兩題的回答結果進行相關性分析，T12和T35兩題的相關系數為-0.083，不存在明顯的相關關系，說明所得結果具有隨機性，學生在單擺問題中有關時間間隔的相對性理解較差．

其中第13題為“在地面觀察，飛船上的時間進程比地面上慢，且物理、化學過程和生命的進程都變慢了”，第32題的內容是“飛船上的人認為地面上的時間進程比飛船上的慢，因為地面正以同樣的速度朝相反方向運動”．這兩題是在不同參考系中觀察另一參考系中的時間間隔，飛船在運動過程中，相對于地面靜止和相對于飛船靜止時觀察對方的時間進程．統計結果顯示，學生對這兩題的認知存在較大差異，圖2是學生在兩題中選擇的具體情況．60.3%的學生對“地面上的人認為飛船上的時間進程比地球上慢”持肯定態度，而只有32.3%的學生對“飛船上的人認為地面上的時間進程比飛船上慢”持肯定態度．可能學生對時間間隔的相對性的實質并不了解，僅是對部分結論和解釋的記憶，也間接反映教師對這方面的要求可能較低．

圖2 T13和T32的具體回答情況

(2)長度相對性的理解

針對長度的相對性，我們用5道陳述題(14，15，18，41，63)測量中學生的理解情況．其中第14題為“長度收縮是指構成尺子的原子結構和原子內部的電荷發生變化”,第41題是“尺縮效應是相對的，只是一種時空效應，與物質本身無關”，兩道題都是針對學生對尺縮效應本質的理解，問題的本質是一樣的．對這兩道題的調查結果進行相關性分析，T14與T41的相關系數為0.130，在0.05水平上可認為顯著相關，說明該結果可準確反映學生對長度的相對性的認識．調查情況表明，近一半的學生對長度收縮的實質存在疑問． 28.4%的學生能夠肯定長度收縮與原子結構及內部電荷變化無關，27.9%的學生對這一觀點有比較模糊的認可，29.7%的學生表示不清楚這兩者是否存在直接聯系，14%的學生錯誤認為長度收縮實質是原子結構及原子內部電荷發生了變化．調查結果還表明，19.7%的學生能夠肯定尺縮效應是與物質本身無關，34.5%的學生比較同意這一觀點，但不能肯定，25.3%的學生表示不清楚尺縮效應與原子結構之間的關系，20.5%的學生錯誤認為長度收縮是物質本身發生了變化．能夠準確理解長度相對性的實質的學生數量仍然不多．

第15，18，63三題的調查內容為具體長度測量及實例應用．回答的具體情況如圖3所示.

圖3 T15，T18和T63的具體回答情況

由圖表分布可以看出，對有關尺子長度測量實例的結論判斷，學生回答結果準確性較高且具有一致性．可能有實際問題作為載體的相對論問題學生易于記憶和理解，然而理論性的概念辨別仍具有抽象性，難以理解．

(3)質能關系的理解

我們在問卷中，對質量和能量的關系進行調查，各題的均值如表2所示．

表5 “質能關系”的回答情況

統計結果中，關于“質能關系告訴我們質量和能量可以相互轉化”的論述判斷中，均值最高，即理解最差．作為中學生無需對質能關系建立過程做過多了解，因此產生誤解也屬于正?，F象，但作者認為對于這一錯誤結論，在教學中應該給予糾正，防止影響學生今后相對論的學習．

(4)不同維度間的相關性

新課程標準中對相對論提出了三維知識目標，在問卷數據統計過程中計算了各個維度之間的相關性，以此作為依據判斷學生在不同維度間的學習是否具有相關性．

表6 不同維度間的相關性分析

從表6中的統計數據來看，“知識與技能”和“過程與方法”兩個維度間的相關系數為0.467，在0.01水平上顯著相關，即對相對論基礎知識掌握較好的學生，他們能在認識相對論過程中較好地了解相對論的研究方法；“知識與技能”和“情感態度與價值觀”的相關系數為0.527，在0.01水平上顯著相關，即學生在學好相對論基本理論的同時，也能引起對相對論及相關科技發展的濃厚興趣；“過程與方法”和“情感態度與價值觀”之間的相關系數為0.429，在0.01水平上顯著相關，即學生掌握相對論發展過程中研究方法，對學習興趣也存在巨大的影響．可見，學生在相對論學習過程中各個維度均顯著相關，理論知識認知、體會科學方法及產生學習興趣三個方面是相互影響和促進的．因此，我們可以說，要提高學生對相對論的認知，可以利用生活實際引起學生的學習興趣并適當地引導學生了解相對論發展歷程中蘊含著豐富的科學思想和方法．

2.5 物理學業成就對相對論學習效果的影響分析

我們以高考物理等第作為判斷學生中學物理學業成就和物理學習能力的依據，調查學生物理學習能力與相對論學習結果的關系．

(1)不同物理學業成就的學生學習相對論總體情況的比較

對不同學業成就的學生總體得分的均值和標準差進行統計，結果如圖4所示.

圖4 不同學業成就的學生相對論學習情況

由圖4可以看出，隨著學生物理學業成就水平的降低，問卷總分的平均值處于不斷升高的趨勢，意味著學生相對論知識的掌握情況越來越差，從離散程度來看，物理學業成就越高的學生，離散率越高，總成績具有不穩定性，但A+和A等級學生的均值不符合這種趨勢，A等級學生的標準差反而高于A+等級學生．

對不同物理學業成就影響相對論學習情況的顯著性進行雙變量相關分析，發現學生的高考等第與問卷總體得分相關系數為0.487，計算出的檢驗統計量為0.000<0.05，說明兩者顯著相關．可以認為，學生相對論知識的學習情況與學生的物理學業成就水平有關．

(2)不同物理學業成就的學生在相對論各維度學習的差異

為進一步了解不同學業成就的學生在相對論學習上的差異，我們還具體考察了不同學業成就的學生在各個知識維度上的均值，結果如表7所示.

表7 不同學業成就的學生在各維度的回答情況

由表7看出，在知識與技能、情感態度與價值觀維度上學生分數的分布與總分分布基本一致，隨著高考等第越來越低，平均分越來越大，即該維度掌握情況越差．從過程與方法的調查結果來看，隨著高考等第由A+向C變化的過程中，平均分總體呈上升的趨勢，然而，B+類學生的平均分較高，不滿足該趨勢，說明該類學生對相對論知識中蘊含著的科學思想及方法的了解與知識的掌握情況不一致．B+類學生屬于中等學生，由數據可知，這類學生的學習方式更傾向于掌握基本理論知識，忽視對科學思想和方法的深入了解，可能需要更多時間和精力來理解知識．

分別對學生的學業成就與知識與技能、過程與方法和情感態度與價值觀三個方面的結果進行雙變量相關性分析可知：學生在知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀上，相對論掌握情況與學業成就均在0.01水平上顯著相關，其中知識與技能部分的相關性最高，其次是情感態度與價值觀和過程與方法．間接說明，高考仍偏重于學生在知識與技能方面的考查，但我們應該關注學生的在過程與方法、情感態度與價值觀方面的學習情況和知識與技能的學習情況顯著相關．

2.6 幾個因素對學生相對論學習情況的影響

由于相對論知識與經典物理學知識相比更具抽象性，因此按照正常思維，男生的學習情況應優于女生．前面我們已經分析了中學學校類別不同對相對論教學的課時及重視程度沒有顯著差異，那么學校類別不同是否會導致學生相對論學習情況的不同也是值得考慮的．因此，為了弄清這幾個因素對相對論學習的影響，我們對性別、學校類別與學生相對論學習情況的相關性進行分析．

(1)性別對相對論學習的影響

為了解不同性別學生在學習相對論過程中是否存在差異，對不同性別學生總成績及各維度成績進行獨立樣本T檢驗，發現總分與性別之間無顯著性差異，說明學生在相對論總體學習情況與性別無關．在知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個維度上，僅有情感態度與價值觀方面有顯著性差異，Sig.(雙側)=0.003<0.05,男生的均值小于女生，即男生對相對論學習的興趣高于女生．

(2)學校種類對相對論學習的影響

進一步檢驗可知，不同學校學生相對論的總成績的平均值有顯著差異，且普通高中的均值高于四星級高中，說明普通高中學生的相對論掌握水平低于四星級高中；而知識與技能這一維度上，不同學校學生間存在顯著差異，且普通中學的平均分高于四星級中學，說明在知識與技能方面四星級學校學生的學習水平高于普通中學的學生；從情感態度與價值觀這一維度來看，學校的種類不影響對學生學習相對論的興趣的培養；從過程與方法來看，不同學校學生在相對論學習過程中對科學思想及方法的掌握不存在顯著差異．

3 結論與建議

3.1 學生反映的教師教學情況

經過調查結果的分析，由于新課程標準對相對論知識的要求較低，且在高考中出現的頻率較低，難度不高，因此在江蘇省高中物理教學中相對論知識沒有受到足夠的重視．多數教師把本章知識視為一般知識點甚至是不重要的知識點，教學過程中僅是一帶而過．教學課時數與建議課時相比偏少，平均課時僅4個課時左右，與建議的6個課時相差較多．

3.2 學生相對論知識的學習情況

(1)江蘇省中學生相對論的學習總體情況處于中等水平．由于相對論是愛因斯坦思辨的結果，知識內容比較抽象，且沒有足夠的生活經驗和實驗來驗證結論，學生較難理解，江蘇省中學生相對論的知識掌握情況一般．

(2)知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個維度間的學習情況顯著相關，說明理論知識認知、體會科學方法及產生學習興趣三個方面是相互影響和促進的．

(3)學生相對論知識的學習情況與學生的物理學業成就水平有關．隨著學生物理學業成就水平的降低，學生相對論知識的掌握情況越來越差，從離散程度來看，物理學業成就越高的學生，離散率越高，總成績具有不穩定性．從各維度來看，學生分數的分布與總分分布基本一致，隨著高考等第越來越低，掌握情況越差．

(4)相對論學習的總體情況不存在性別差異，在情感態度與價值觀上具有顯著性差異，且男生對相對論學習的興趣高于女生．

(5)普通高中學生的相對論掌握水平低于四星級重點高中．從知識與技能這一維度來看，四星級學生的水平高于普通中學的學生；從情感態度與價值觀這一維度來看，學校的種類不影響對學生相對論的興趣的培養；從過程與方法這一維度來看，不同學校學生在相對論學習過程中對科學思想及方法的掌握不存在顯著差異．

3.3 相對論的教學建議

(1)中學物理教師要提高相對論教學的重要性的認識，同時把握教學內容的難度，重視相對論定性知識的理解方式和教學方式的研究．

(2)注重培養相對論學習興趣．調查結果表明相對論學習中理論知識認知、體會科學方法及產生學習興趣三個方面是相互影響和促進的，培養學生對相對論的興趣、介紹物理學史中豐富的科學思想和方法有利于提高學生對知識的理解程度，反之，若學生對相對論知識沒有產生興趣，或者單純是結論的記憶，將影響學生對知識的理解．

(3)對重點中學學習興趣濃厚的學生，可以開設相對論專題研修性的校本課程，及時發現抽象邏輯思維能力強、對物理學習興趣濃厚的人才，為學生的未來發展確立方向．

參考文獻

1 黃曉,胡炳元.普通物理相對論教學的幾點思考. 浙江師范大學學報(自然科學版),2008

2 陳夢姣，袁海泉,朱國斌.大學生相對論學習準備的調查研究.物理與工程,2011,21(5)

3 陳夢姣.江蘇省優秀中學生“相對論”學習情況的調查與分析.蘇州大學學報(工科版),2010

4 陳鋼，袁海泉.新課程相對論內容“引入”解讀.物理教師,2009(5)

5 袁海泉，陳鋼.中學物理教師“相對論”知識的理解狀況調查與分析.國際物理教育通訊,2008(42)