基于Peer Instruction教學方法研究大學生物理錯誤概念——以動生電動勢為例

張 萍 齊 薇 王媛平 張齊齊

（北京師范大學物理學系，北京 100875）

學生在系統學習物理概念之前，頭腦中已經存在了一些來自于生活經驗的對物理現象的一般認識，這就是前概念（preconceptions）．由于這些前概念通常不同于科學概念，也被稱為錯誤概念（misconceptions），學生處于不同學習階段的概念水平不同，其錯誤表現也不同，這些錯誤一方面源于生活經驗，另一方面來源于前期課程的學習．錯誤概念廣泛存在于學生頭腦中，并會嚴重影響學生對物理概念的學習，所以研究學生的錯誤概念對有效教學、提高教學質量有重要意義．

1 Peer Instruction教學方法與錯誤概念的研究

我們使用同伴教學法（Peer Instruction簡稱：PI）講授大學物理課程［1］，要求學生課前自學掌握課程基本知識，上課時老師不再按部就班地講授全部課程內容，而是圍繞課程的核心概念設計一些概念測試題（ConceptTest），讓學生基于這些問題進行小組討論，加深對物理概念的理解［2］，教師基于學生自學和相互討論后達到的學習水平，確定課程教學內容，只講重點、難點和關鍵點，幫助學生完善物理知識結構．為了設計出好的概念測試題引發學生討論，為了瞄準學生學習困難高效地講授課程，教師必須了解學生中存在哪些錯誤概念，因此，使用PI教學法要求我們研究學生的物理錯誤概念．同時，PI教學方法要求學生在課堂上基于概念測試題進行小組討論，口頭交流可以使學生的錯誤概念外顯，為教師提供研究學生錯誤概念的機會．

2 研究方法

使用PI教學方法，設計概念測試題（多項選擇題），在課堂上讓學生先給出個人答案，然后在小組中討論，教師對學生討論進行錄音，通過對所有小組的錄音進行轉錄，發現學生在討論過程中出現的各種錯誤說法，將學生各種說法進行分析、歸類、編碼，統計得出學生中存在的物理錯誤概念．研究設計分兩個步驟，進行兩輪研究．第一輪研究的概念測試題是單選題，學生選擇自己認為正確的答案，在小組討論中說明自己選擇的理由，然后相互交流和討論．這一輪的研究設計是希望學生的討論相對開放，目的是定性地獲得學生中存在哪些錯誤概念．第二輪研究是在第一論研究的基礎上，將第一論研究得出的錯誤概念編入原來概念測試題的選項中，由于一個學生可能同時存在多個錯誤概念，大多數測試題改為多選題，通過統計學生的答案分布可以量化研究這些錯誤概念在學生中存在的程度，由于學生的討論都圍繞選項中對應的錯誤概念進行，從而使我們的研究更具針對性．兩輪研究結果可以彼此互證和互補，提高研究的信度．

3 研究結果

為了研究學生在動生電動勢概念上的錯誤，我們設計了兩個題目：一個是導體棒在勻強磁場中平動，另一個是導體棒在勻強磁場中轉動．為了方便討論，先將動生電動勢的公式寫在下面：

3．1 導體棒在勻強磁場中平動

我們使用題1－1進行第一輪的研究：按照PI教學方法的規則要求學生課前自學，課上給出概念測試題，讓學生先使用Clicker發送自己的答案，然后小組討論，討論后學生再次發送自己的答案．

題1－1：如圖，長度為l的直導線ab在均勻磁場中以速度v移動，直導線ab中的電動勢為：

（1）Blv；（2）Blvsinα；（3）Blvcosα；（4）0；（5）其他．

題1－1 用圖

這個題目答題的有效樣本數是133人，第4選項為正確答案，一個看似很簡單的題目只有20%學生答對．選擇選項2和3的學生分別占42%和35%，經過學生的討論后，這道題的正確率上升為89%．我們對學生討論的錄音進行分析得出學生的錯誤，見表1：

表1 關于導體在磁場中平動時產生動生電動勢的錯誤概念

我們把這些錯誤概念外顯出來，編入原題的選項中，設計成題1－2．在第二年的同樣的課程中，使用新的測試題進行錯誤概念的第二輪研究．

題1－2 用圖

題1－2：如圖，長度為l的直導線ab在均勻磁場中以速度v運動，關于直導線ab中的電動勢，以下說法正確的是：

（1）因為磁場是不變的，所以不產生電動勢；

（2）因為沒有形成閉合回路，所以說電動勢為零；

（3）根據動生電動勢的公式，速度和磁感應強度是叉乘關系，電動勢為Blvsinα；

（4）因為導線垂直于磁感應線的有效長度是lcosα，電動勢是Blvcosα；

（5）以上都不對．

這個題目答題的有效樣本數是125人，第5選項為正確答案，有22%學生答對，錯誤選項集中在（3）（27%）、（4）（46%）兩個選項上，70%左右學生在使用公式（1）時，只考慮其中兩個矢量的夾角關系（正確使用動生電動勢必須考慮B、l、v三個矢量之間的運算關系）．經過學生的討論，這道題的正確率為91%．對學生討論的錄音進行分析又發現兩個新的錯誤概念，見表2：

由于兩次測試題目的選項不同，學生在討論時涉及的內容不同，學生對題1－1的討論相對更開放，表1中的錯誤概念分散在各個小組，每個組討論時側重點不同，不是每個小組的討論都涉及到表1中的所有內容，大多數小組中的學生在意識到導體并沒有切割磁感應線后，得出正確答案，結束討論．對題1－2的討論，學生基本是圍繞題目選項進行，即使發現導體并沒有切割磁感應線，得出正確答案，還必須依照題目中的各個選項，逐個排查表1中所有的錯誤，學生在（3）和（4）兩個選項的相互爭論和交流中，逐漸地對公式（1）中B、l、v三個矢量關系形成了正確理解．矢量分解、投影和有效長度等“策略”來源于學生以前的學習經驗，許多學生只記住了結論，不理解其中的物理含義，在新的問題情景中單純調用這些“策略”導致錯誤．讓學生在相互討論中，發現自己學習中的問題，教師也應借機告訴學生：“學習物理應該致力于理解物理的本質，而不是只記住一些解題策略和技巧”．

表2 關于導體在磁場中平動時產生動生電動勢的錯誤概念（補充）

3．2 導體棒在勻強磁場中勻速轉動

與上面研究方法相同，使用題2－1進行第一輪研究，有效樣本為128人，這道題正確答案是選項（4），討論前有47%學生答對，討論后的正確率為77%，通過錄音分析得出學生相關錯誤見表3：

表3 關于導體棒在勻強磁場中勻速轉動時產生動生電動勢的錯誤概念

題2－1 用圖

題2－1：如圖所示，導體棒AD在均勻磁場B中繞通過C點的垂直于棒長且沿磁場方向的軸OO′轉動（角速度ω與Β同方向），BC的長度為棒長的1／3，則（ ）

（1）A點比D點電勢高．

（2）A點與D點電勢相等．

（3）A點比D點電勢低．

（4）有穩恒電流從A點流向D點．

依據第一輪研究發現的錯誤概念編制測試題2－2，由于一個學生可能同時存在多個錯誤概念，這個題目設計為多選題．

題 2－2： 如 圖 所示，導體棒AD在均勻磁場B中繞通過C點的垂直于棒長且沿磁場方向的軸OO′轉動（角速度ω與B同方向），DC的長度為棒長的1／3，關于A、D兩點的電勢，以下說法錯誤的是（ ）（可多選）

（1）A點的速度比D點大，所以A點的電勢比D點高．

（2）A點到轉軸的距離比D點遠，所以A點的電勢比D點高．

（3）A、D之間沒有電流，所以A點與D點電勢相等．

（4）CA段電流方向是由C指向A，CD段電流方向是由C指向D，所以A點比D點電勢低

（5）因為AD是導體棒，所以平衡的時候A、D等勢．

這道題目答題的有效樣本數是124人，1－5選項都是錯誤的說法，表4是學生答案的分布，未選某選項意味著學生不能指出其中錯誤，說明學生存在相關錯誤．

題2－2 用圖

表4 題2－2學生答案分布

在這個題目中，A點電勢高于D點，選項（1）和（2）中的結論雖然是對的，但是理由并不完整，從學生討論的錄音分析中，發現大約有60%學生在多變量問題中只考慮單一因素的影響；選項（3）數據表明：14%學生存在“導體上沒有電流，導體是等勢體”的錯誤；選項（4）的數據表明：31%學生錯誤地調用穩恒電流無源電路的概念，認為導體棒上有電流，電流從高電勢流向低電勢．選項（5）的數據表明：31%學生在這個問題中錯誤調用靜電平衡導體是等勢體的概念．由于表3中第（6）個錯誤概念不直接與題目問題情景相關聯，所以沒有編入題2－2，然而在對學生討論的錄音分析中，發現35%的學生存在“電動勢的方向是從高電勢指向低電勢”的錯誤概念．

4 討論

（1）物理錯誤概念廣泛地存在于學生中，這些錯誤概念的存在造成新課程學習的障礙．Hestenes、Wells等（1992）研究表明“錯誤概念的存在使得學生聽不懂物理課，從而導致他們強行記憶一些沒有關聯的片段，做著沒有意義的作業，使很多學生有厭學情緒”［3］．

（2）大學生的錯誤概念多源于他們之前的學習經驗，在傳統教學中，學生簡單記憶公式、知識點和題型，很少嘗試多角度理解物理概念的本質，他們缺少面對陌生環境利用所學的概念和定律進行推理的能力，遇到新的問題情景時，學生外顯的還是他們的錯誤概念．

（3）加強學生間的合作學習是轉變學生錯誤概念、構建科學概念的最有效的方法．Clement（1982）認為“通過學生之間的討論，學生說出錯誤概念，通過將自己的錯誤概念和科學概念的比對，意識到錯誤概念的存在，產生認知沖突，可以有效地轉變錯誤概念”［4］．

我們的研究也表明：使用PI教學方法講授大學物理課程，通過學生之間的相互討論可以促使他們產生更多的新思想、新方法、更高層次的推理及更好的知識遷移，從而獲得對物理概念更深刻的理解［5］．

［1］ 張萍，涂清云，等．大學物理課堂互動教學模式的研究——基于“教室應答系統”的構建［J］．中國大學教學，2011，（07）：21－23．

［2］［5］ 張萍，涂清云，等．課堂中的合作學習——同伴教學法對物理概念學習的促進作用［J］．中國大學教學，2012，（06）：56－59．

［3］ Hestenes D，Wells M，Swackhamer G．Force concept inventory［J］．The Physics Teacher，1992，（30）：141－158．

［4］ Clement J．Students’preconceptions in introductory mechanics［J］．The American Journal of Physics，1982，50（1）：66－71．