高中相對論學(xué)習(xí)情況的調(diào)查研究

袁海泉

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215006)

陳夢姣

(蘇州工業(yè)園區(qū)星灣學(xué)校 江蘇 蘇州 215001)

相對論是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)．新課程標(biāo)準(zhǔn)中，將相對論作為重要的教學(xué)內(nèi)容之一，必然引起中學(xué)物理教學(xué)的重視．由于相對論的很多結(jié)論與日常生活經(jīng)驗不一致，導(dǎo)致相對論的學(xué)習(xí)出現(xiàn)困難．新課程實施幾年來，相對論知識的教學(xué)過程中存在哪些問題？學(xué)生學(xué)習(xí)相對論的情況如何？影響學(xué)生學(xué)習(xí)相對論的主要因素有哪些？我們通過調(diào)查研究試圖回答這些問題．

1 調(diào)查問卷的編制與實施

1.1 調(diào)查問卷的編制

調(diào)查問卷共包含兩部分，分別是基本信息和主體內(nèi)容．

第一部分是調(diào)查學(xué)生的基本信息，包括高考等第、性別、就讀中學(xué)類別、中學(xué)相對論學(xué)習(xí)的課時數(shù)．調(diào)查目的是研究具體學(xué)習(xí)情況與這4個基本因素之間的關(guān)系．其中高考等第是指江蘇省物理學(xué)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(nèi)容．從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)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(xué)生對該陳述所涉及的相對論知識的正確了解與認(rèn)同；“比較同意”意味著學(xué)生對相應(yīng)知識有基本的理解，但認(rèn)知具有一定的模糊性；“不確定”代表學(xué)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(xué)生對該知識點有錯誤認(rèn)識，但不太肯定；“非常不同意”說明學(xué)生對該知識點的認(rèn)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(xì)目表如表1．

表1 調(diào)查問卷雙向細(xì)目表

1.2 問卷調(diào)查的實施

問卷的調(diào)查對象是：蘇州大學(xué)(本一)、蘇州科技學(xué)院(本二)、蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院(本三)的學(xué)生，保證了樣本的全面性和廣泛的代表性．調(diào)查實施的時間為2011級大學(xué)新生未學(xué)習(xí)普通物理、力學(xué)等涉及相對論知識的課程，調(diào)查結(jié)果是中學(xué)相對論的學(xué)習(xí)情況．

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

2 調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計與分析

2.1 調(diào)查對象基本信息的總體分析

表2 調(diào)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(xué)的學(xué)生166人(72.5%)，其他中學(xué)63人(27.5%)．回答中學(xué)相對論教學(xué)的課時數(shù)為不大于6課時和6課時以上的學(xué)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(xué)生問卷的信度進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果顯示問卷所有數(shù)據(jù)的Alpha值為0.823>0.7，說明學(xué)生問卷測量數(shù)據(jù)信度較高．為防止學(xué)生隨機回答問題，使測量結(jié)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(jìn)行兩次測試，形成了配對樣本，其得分的相關(guān)性檢驗結(jié)果如表3.

表3 配對樣本得分的相關(guān)程度

可見，問卷的所測結(jié)果具有一定的信度和效度，可用于分析學(xué)生相對論學(xué)習(xí)情況．

2．3 高中生反映的教師對相對論教學(xué)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(xué)生反映的情況如圖1.

圖1 學(xué)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(xué)知識”

說明中學(xué)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(xué)生問卷施測所得的數(shù)據(jù)，對江蘇省中學(xué)生相對論學(xué)習(xí)情況分析．中學(xué)生物理相對論學(xué)習(xí)情況調(diào)查的總分均分為178.71分，標(biāo)準(zhǔn)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(xué)生在全問卷及各知識點的得分情況，我們統(tǒng)計了題均得分如表4.

續(xù) 表

由表4知：大部分學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)情況最差，其次是質(zhì)能關(guān)系(2.605 9)，說明學(xué)生對質(zhì)能關(guān)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(qū)分(2.200 9)，說明該知識點學(xué)生的學(xué)習(xí)情況較好；第一維度中標(biāo)準(zhǔn)差最高的是速度相加法則(0.951 13)，標(biāo)準(zhǔn)差最低的是廣義相對論(0.575 76)，說明學(xué)生在回答速度相加法則的相關(guān)題目時結(jié)果不穩(wěn)定，差異較大，回答廣義相對論有關(guān)問題的結(jié)果較穩(wěn)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(xué)生對時間間隔相對性的理解．其中第12題的內(nèi)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(guān)于單擺周期測量的相對性問題，本質(zhì)相同．但對這兩題的回答結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，T12和T35兩題的相關(guān)系數(shù)為-0.083，不存在明顯的相關(guān)關(guān)系，說明所得結(jié)果具有隨機性，學(xué)生在單擺問題中有關(guān)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(jìn)程比地面上慢，且物理、化學(xué)過程和生命的進(jìn)程都變慢了”，第32題的內(nèi)容是“飛船上的人認(rèn)為地面上的時間進(jìn)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(jìn)程．統(tǒng)計結(jié)果顯示，學(xué)生對這兩題的認(rèn)知存在較大差異，圖2是學(xué)生在兩題中選擇的具體情況．60.3%的學(xué)生對“地面上的人認(rèn)為飛船上的時間進(jìn)程比地球上慢”持肯定態(tài)度，而只有32.3%的學(xué)生對“飛船上的人認(rèn)為地面上的時間進(jìn)程比飛船上慢”持肯定態(tài)度．可能學(xué)生對時間間隔的相對性的實質(zhì)并不了解，僅是對部分結(jié)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(xué)生的理解情況．其中第14題為“長度收縮是指構(gòu)成尺子的原子結(jié)構(gòu)和原子內(nèi)部的電荷發(fā)生變化”,第41題是“尺縮效應(yīng)是相對的，只是一種時空效應(yīng)，與物質(zhì)本身無關(guān)”，兩道題都是針對學(xué)生對尺縮效應(yīng)本質(zhì)的理解，問題的本質(zhì)是一樣的．對這兩道題的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，T14與T41的相關(guān)系數(shù)為0.130，在0.05水平上可認(rèn)為顯著相關(guān)，說明該結(jié)果可準(zhǔn)確反映學(xué)生對長度的相對性的認(rèn)識．調(diào)查情況表明，近一半的學(xué)生對長度收縮的實質(zhì)存在疑問． 28.4%的學(xué)生能夠肯定長度收縮與原子結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電荷變化無關(guān)，27.9%的學(xué)生對這一觀點有比較模糊的認(rèn)可，29.7%的學(xué)生表示不清楚這兩者是否存在直接聯(lián)系，14%的學(xué)生錯誤認(rèn)為長度收縮實質(zhì)是原子結(jié)構(gòu)及原子內(nèi)部電荷發(fā)生了變化．調(diào)查結(jié)果還表明，19.7%的學(xué)生能夠肯定尺縮效應(yīng)是與物質(zhì)本身無關(guān)，34.5%的學(xué)生比較同意這一觀點，但不能肯定，25.3%的學(xué)生表示不清楚尺縮效應(yīng)與原子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，20.5%的學(xué)生錯誤認(rèn)為長度收縮是物質(zhì)本身發(fā)生了變化．能夠準(zhǔn)確理解長度相對性的實質(zhì)的學(xué)生數(shù)量仍然不多．

第15，18，63三題的調(diào)查內(nèi)容為具體長度測量及實例應(yīng)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(guān)尺子長度測量實例的結(jié)論判斷，學(xué)生回答結(jié)果準(zhǔn)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(xué)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(zhì)能關(guān)系的理解

我們在問卷中，對質(zhì)量和能量的關(guān)系進(jìn)行調(diào)查，各題的均值如表2所示．

表5 “質(zhì)能關(guān)系”的回答情況

統(tǒng)計結(jié)果中，關(guān)于“質(zhì)能關(guān)系告訴我們質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化”的論述判斷中，均值最高，即理解最差．作為中學(xué)生無需對質(zhì)能關(guān)系建立過程做過多了解，因此產(chǎn)生誤解也屬于正常現(xiàn)象，但作者認(rèn)為對于這一錯誤結(jié)論，在教學(xué)中應(yīng)該給予糾正，防止影響學(xué)生今后相對論的學(xué)習(xí)．

(4)不同維度間的相關(guān)性

新課程標(biāo)準(zhǔn)中對相對論提出了三維知識目標(biāo)，在問卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中計算了各個維度之間的相關(guān)性，以此作為依據(jù)判斷學(xué)生在不同維度間的學(xué)習(xí)是否具有相關(guān)性．

表6 不同維度間的相關(guān)性分析

從表6中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，“知識與技能”和“過程與方法”兩個維度間的相關(guān)系數(shù)為0.467，在0.01水平上顯著相關(guān)，即對相對論基礎(chǔ)知識掌握較好的學(xué)生，他們能在認(rèn)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(tài)度與價值觀”的相關(guān)系數(shù)為0.527，在0.01水平上顯著相關(guān)，即學(xué)生在學(xué)好相對論基本理論的同時，也能引起對相對論及相關(guān)科技發(fā)展的濃厚興趣；“過程與方法”和“情感態(tài)度與價值觀”之間的相關(guān)系數(shù)為0.429，在0.01水平上顯著相關(guān)，即學(xué)生掌握相對論發(fā)展過程中研究方法，對學(xué)習(xí)興趣也存在巨大的影響．可見，學(xué)生在相對論學(xué)習(xí)過程中各個維度均顯著相關(guān)，理論知識認(rèn)知、體會科學(xué)方法及產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣三個方面是相互影響和促進(jìn)的．因此，我們可以說，要提高學(xué)生對相對論的認(rèn)知，可以利用生活實際引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生了解相對論發(fā)展歷程中蘊含著豐富的科學(xué)思想和方法．

2.5 物理學(xué)業(yè)成就對相對論學(xué)習(xí)效果的影響分析

我們以高考物理等第作為判斷學(xué)生中學(xué)物理學(xué)業(yè)成就和物理學(xué)習(xí)能力的依據(jù)，調(diào)查學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力與相對論學(xué)習(xí)結(jié)果的關(guān)系．

(1)不同物理學(xué)業(yè)成就的學(xué)生學(xué)習(xí)相對論總體情況的比較

對不同學(xué)業(yè)成就的學(xué)生總體得分的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同學(xué)業(yè)成就的學(xué)生相對論學(xué)習(xí)情況

由圖4可以看出，隨著學(xué)生物理學(xué)業(yè)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(xué)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(xué)業(yè)成就越高的學(xué)生，離散率越高，總成績具有不穩(wěn)定性，但A+和A等級學(xué)生的均值不符合這種趨勢，A等級學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)差反而高于A+等級學(xué)生．

對不同物理學(xué)業(yè)成就影響相對論學(xué)習(xí)情況的顯著性進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的高考等第與問卷總體得分相關(guān)系數(shù)為0.487，計算出的檢驗統(tǒng)計量為0.000<0.05，說明兩者顯著相關(guān)．可以認(rèn)為，學(xué)生相對論知識的學(xué)習(xí)情況與學(xué)生的物理學(xué)業(yè)成就水平有關(guān)．

(2)不同物理學(xué)業(yè)成就的學(xué)生在相對論各維度學(xué)習(xí)的差異

為進(jìn)一步了解不同學(xué)業(yè)成就的學(xué)生在相對論學(xué)習(xí)上的差異，我們還具體考察了不同學(xué)業(yè)成就的學(xué)生在各個知識維度上的均值，結(jié)果如表7所示.

表7 不同學(xué)業(yè)成就的學(xué)生在各維度的回答情況

由表7看出，在知識與技能、情感態(tài)度與價值觀維度上學(xué)生分?jǐn)?shù)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(diào)查結(jié)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(xué)生的平均分較高，不滿足該趨勢，說明該類學(xué)生對相對論知識中蘊含著的科學(xué)思想及方法的了解與知識的掌握情況不一致．B+類學(xué)生屬于中等學(xué)生，由數(shù)據(jù)可知，這類學(xué)生的學(xué)習(xí)方式更傾向于掌握基本理論知識，忽視對科學(xué)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(xué)生的學(xué)業(yè)成就與知識與技能、過程與方法和情感態(tài)度與價值觀三個方面的結(jié)果進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析可知：學(xué)生在知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀上，相對論掌握情況與學(xué)業(yè)成就均在0.01水平上顯著相關(guān)，其中知識與技能部分的相關(guān)性最高，其次是情感態(tài)度與價值觀和過程與方法．間接說明，高考仍偏重于學(xué)生在知識與技能方面的考查，但我們應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的在過程與方法、情感態(tài)度與價值觀方面的學(xué)習(xí)情況和知識與技能的學(xué)習(xí)情況顯著相關(guān)．

2.6 幾個因素對學(xué)生相對論學(xué)習(xí)情況的影響

由于相對論知識與經(jīng)典物理學(xué)知識相比更具抽象性，因此按照正常思維，男生的學(xué)習(xí)情況應(yīng)優(yōu)于女生．前面我們已經(jīng)分析了中學(xué)學(xué)校類別不同對相對論教學(xué)的課時及重視程度沒有顯著差異，那么學(xué)校類別不同是否會導(dǎo)致學(xué)生相對論學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)的影響，我們對性別、學(xué)校類別與學(xué)生相對論學(xué)習(xí)情況的相關(guān)性進(jìn)行分析．

(1)性別對相對論學(xué)習(xí)的影響

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

(2)學(xué)校種類對相對論學(xué)習(xí)的影響

進(jìn)一步檢驗可知，不同學(xué)校學(xué)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(xué)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(xué)校學(xué)生間存在顯著差異，且普通中學(xué)的平均分高于四星級中學(xué)，說明在知識與技能方面四星級學(xué)校學(xué)生的學(xué)習(xí)水平高于普通中學(xué)的學(xué)生；從情感態(tài)度與價值觀這一維度來看，學(xué)校的種類不影響對學(xué)生學(xué)習(xí)相對論的興趣的培養(yǎng)；從過程與方法來看，不同學(xué)校學(xué)生在相對論學(xué)習(xí)過程中對科學(xué)思想及方法的掌握不存在顯著差異．

3 結(jié)論與建議

3.1 學(xué)生反映的教師教學(xué)情況

經(jīng)過調(diào)查結(jié)果的分析，由于新課程標(biāo)準(zhǔn)對相對論知識的要求較低，且在高考中出現(xiàn)的頻率較低，難度不高，因此在江蘇省高中物理教學(xué)中相對論知識沒有受到足夠的重視．多數(shù)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(xué)過程中僅是一帶而過．教學(xué)課時數(shù)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(xué)生相對論知識的學(xué)習(xí)情況

(1)江蘇省中學(xué)生相對論的學(xué)習(xí)總體情況處于中等水平．由于相對論是愛因斯坦思辨的結(jié)果，知識內(nèi)容比較抽象，且沒有足夠的生活經(jīng)驗和實驗來驗證結(jié)論，學(xué)生較難理解，江蘇省中學(xué)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(tài)度與價值觀三個維度間的學(xué)習(xí)情況顯著相關(guān)，說明理論知識認(rèn)知、體會科學(xué)方法及產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣三個方面是相互影響和促進(jìn)的．

(3)學(xué)生相對論知識的學(xué)習(xí)情況與學(xué)生的物理學(xué)業(yè)成就水平有關(guān)．隨著學(xué)生物理學(xué)業(yè)成就水平的降低，學(xué)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(xué)業(yè)成就越高的學(xué)生，離散率越高，總成績具有不穩(wěn)定性．從各維度來看，學(xué)生分?jǐn)?shù)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(xué)習(xí)的總體情況不存在性別差異，在情感態(tài)度與價值觀上具有顯著性差異，且男生對相對論學(xué)習(xí)的興趣高于女生．

(5)普通高中學(xué)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(xué)生的水平高于普通中學(xué)的學(xué)生；從情感態(tài)度與價值觀這一維度來看，學(xué)校的種類不影響對學(xué)生相對論的興趣的培養(yǎng)；從過程與方法這一維度來看，不同學(xué)校學(xué)生在相對論學(xué)習(xí)過程中對科學(xué)思想及方法的掌握不存在顯著差異．

3.3 相對論的教學(xué)建議

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

(2)注重培養(yǎng)相對論學(xué)習(xí)興趣．調(diào)查結(jié)果表明相對論學(xué)習(xí)中理論知識認(rèn)知、體會科學(xué)方法及產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣三個方面是相互影響和促進(jìn)的，培養(yǎng)學(xué)生對相對論的興趣、介紹物理學(xué)史中豐富的科學(xué)思想和方法有利于提高學(xué)生對知識的理解程度，反之，若學(xué)生對相對論知識沒有產(chǎn)生興趣，或者單純是結(jié)論的記憶，將影響學(xué)生對知識的理解．

(3)對重點中學(xué)學(xué)習(xí)興趣濃厚的學(xué)生，可以開設(shè)相對論專題研修性的校本課程，及時發(fā)現(xiàn)抽象邏輯思維能力強、對物理學(xué)習(xí)興趣濃厚的人才，為學(xué)生的未來發(fā)展確立方向．

參考文獻(xiàn)

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