通過“以問題為引導的物理探究實驗”策略測量和轉變未來物理教師的迷思概念——以幾何光學為例

侯 丹

（天津師范大學物理與材料科學學院，天津 300387）

物理教師的專業知識指的是教師所具備的物理學科知識，他們是未來物理教師培養的重要內容之一，且教師教學的所有行為都建立在堅實的學科內容基礎知識之上.而教師專業發展是以職前教師教育為基本途徑的，因此要完成在職后順利、快速的發展，就要在職前形成良好的學科知識基礎.筆者采用問卷調查法對10所師范類院校的預從事物理教學工作的未來教師的概念理解情況作了調查，發現他們對中學物理幾何光學相關的概念理解存在著迷思概念.同時在調查的過程中發現，未來物理教師存在的迷思概念不易被發現，也不易被改變，具有隱蔽性和頑固性的特點.這些隱藏的迷思概念對未來物理教師的教學、知識的進一步學習，特別是對教師專業發展存在著至關重要的影響.因此，探尋新的測量和轉變物理教師迷思概念的方法對未來物理教師的培養是有重要意義的.

1 關于測量未來物理教師迷思概念的方法研究

在本研究中，從被試群體特點和學科特點出發，對未來物理教師迷思概念的測量方法進行設置.在調查研究中發現，未來物理教師有過幾年的系統全面學習物理知識的經驗，因此他們的迷思概念更不易被探測到，因此傳統的測量方法例如個人訪談法、紙筆測試法、概念圖法、計算機診斷法、POE、DOE等方法在測量未來物理教師迷思概念時，均存在著一定的缺陷，不能很好地了解未來物理教師的知識結構及認知結構的特點.此外，物理學是一門實驗學科，它以實驗為基礎，通過物理實驗來驗證物理知識.因此，在教和學的過程中，探究式物理實驗可以更好地還原物理知識的本質問題，在探究的過程中發現自身存在的物理問題.但是，單純的物理實驗探究雖然可以經歷物理知識的發現過程，可學生更多地專注于物理實驗結果的獲得和實驗知識的掌握，不能意識到頭腦中存在的認知沖突，這樣對迷思概念的測量是教師強加給學生的，對概念的轉變不能起到良好的鋪墊作用.因此，需要在探究實驗的過程中對未來物理教師加以適當的引導，而通過教師直接引導則對測量迷思概念有暗示作用，最行之有效的引導方式便是通過“提問”的方式.因此要在實驗的過程中加入適當的“問題”，以便學生發現迷思概念，并在此基礎上進一步轉變迷思概念.

根據以上分析與研究，可知未來物理教師的物理知識結構體系嚴密而完整，待測量知識所屬物理學科本身是一門以實驗為基礎的學科，擬采用以探究實驗操作為測試環境，同時滲透一系列問題的方式對未來物理教師的概念理解情況進行考察，從而達到測量未來物理教師迷思概念的目的.在實驗與問題的設計過程中，應注重知識之間的聯系性、承接性以及問題啟發的程度的適宜度.筆者將此命名為“以問題為引導的物理探究實驗”迷思概念測量策略，該策略操作流程如圖1所示.

圖1 迷思概念測量操作流程圖

2 關于轉變未來物理教師迷思概念的方法研究

對于未來物理教師迷思概念的轉變方法的研究，同樣依據被試群體特點及物理學科特點進行設置，未來物理教師存在的迷思概念比較頑固，難于進行轉變，這就需要教師采用更加有效的方法完成他們迷思概念的轉變.在采用“以問題為引導的物理探究實驗”進行迷思概念測量的過程中發現，學生在通過實驗進行迷思概念測量的過程中，有些頑固的迷思概念也會隨之發生轉變，因此，采取同樣的方法對未來物理教師的迷思概念進行轉變也是一種行之有效的方法.在原有測量迷思概念設置的基礎上，加入有助于轉變學生迷思概念的探究實驗項目和問題，以同樣的方法完成迷思概念的轉變.具體執行過程如圖2所示.

圖2 迷思概念轉變操作流程圖

3 基于“以問題為引導的探究實驗”迷思概念測量和轉變的策略提出

通過對未來物理教師迷思概念測量和轉變方法的研究，提出“以問題為引導的物理探究實驗”策略，以幾何光學為例對此策略進行說明.在本研究方法中，共設置實驗項目37個，這37個實驗項目中又包含了64個小實驗和130個問題.這些實驗和問題圍繞以下5個要素進行編寫.5個要素為：主試（教師）、被試（未來物理教師）、探究實驗、問題設置、待測概念（包括基本概念和迷思概念）.其中，未來物理教師是被測試的主體，在整個過程中起著主導作用；教師是整個過程的設計者，起著引導的作用；探究實驗和問題設置相互影響，相輔相成，是整個過程的載體和操作平臺；概念既包括待考察概念也包括迷思概念，它是選擇實驗和設置問題的基礎.

整個過程的流程為，教師通過已總結的待測物理知識和已探測到和可能出現的學生具有的迷思概念，選擇或自行設計合適的探究實驗，設置相應的引導問題，滲透在實驗前、中、后，（實驗的選擇和設計以及問題的安排與陳述方式，均請專家進行理論指導，請學生進行實證研究后修改完成），實驗內容來源于生活、選材于生活，以便其符合科學性的同時，更便于學生的理解和應用.實驗準備就緒后，學生進行具體的操作，在操作過程中，回答問題，并可與教師和同組成員進行討論，發現自己的認知沖突，完成迷思概念的轉變和物理學體系的再建構與完善.基于“以問題為引導的探究實驗”迷思概念測量和轉變策略的具體內容如圖3所示.

圖3 迷思概念測量和轉變操作流程圖

4 實證研究結果分析

本次研究中，選擇幾何光學為例，進行測試題目的設置.測試題目分為2大部分5個系列：第1部分，光是什么及光的直線傳播（包括系列1：光的作用；系列2：光的直線傳播；系列3：小孔成像）；第2部分，平面鏡的成像（包括系列4：反射；系列5：平面鏡成像）.在整個研究過程中，筆者選擇了北京師范大學32名未來預成為物理教師的物理專業學生進行實驗（包括本科生和研究生），在測量的過程中，大部分學生認為通過本次學習可以發現自己認知方面存在的問題，這些問題的存在以往并沒有被意識到，同時在迷思概念改變方面，大部分學生也認為具有良好的效果，此外，學生還發現在整個測試過程中，自己在實驗能力的提高方面也有很大的收獲，原本沒有想過的或者認為不能進行的實驗，通過本次學習得以實現和動手操作，并認為在今后的教學活動中，也可以使用相同的實驗方法進行教學.同時在進行研究的過程中，也發現了許多問題，在實驗的過程中逐漸改正，期待能夠把測試題目進一步完善，可以進一步推廣.

4.1 未來物理教師迷思概念測量結果及分析

通過測試與分析，未來物理教師對幾何光學知識的理解情況，存在著一些迷思概念，這些迷思概念如果不通過相應的真實的問題情景設置，他們的迷思概念也是不能夠被輕易探測出的.

這些迷思概念可分為兩類：一類迷思概念是由于未來物理教師對物理概念本質的理解情況出現了偏差，他們雖然記住了這些原理和概念，但是對這些知識的本質并沒有理解，在進行傳統試題解答的過程中不會體現出來的，比如說平面鏡成像的若干知識，這些迷思概念通過簡單的紙筆測試是比較難于探測的；另外一類是未來物理教師自身對知識的理解程度帶來的問題，由于他們具有多年解題和考試能力的培訓，將這些迷思概念掩蓋起來，通過紙筆測試的形式更加難于測試出.

4.1.1 關于未來物理教師“記憶”方面的迷思概念

被測得的迷思概念中，若迷思概念是由于未來物理教師的“記憶”進行隱藏的，則通過實驗操作的過程和中間問題設置的回答得以探測.

迷思概念1：認為人眼是沿著入射光線看下去的，所以是因為入射光線使人看到了物體.

迷思概念2：認為小孔成像中，物體離光源越近影子越小.

迷思概念3：物體通過三角形的小孔進行成像，成像應為三角形，他們認為只有圓形的小孔才能進行小孔成像.

迷思概念4：小孔成像中，小孔的大小是會影響物體通過小孔的成像大小.

迷思概念5：平面鏡成像中，觀察者的位置對成像的位置有所影響的迷思概念.

迷思概念6：物體與平面鏡的距離、人與平面鏡的距離會影響成像的大小.

其中迷思概念1是關于“光是什么”中人眼的可視性的迷思概念，概念2、概念3和概念4是關于“光的直線傳播”中應用部分的小孔成像的迷思概念，概念5和概念6是關于“平面鏡成像”的迷思概念.在研究過程中發現，關于平面鏡成像的理解，未來物理教師的迷思概念均屬于這一類，他們基本都是通過記憶定理和原理對生活中的實際現象和問題進行解答，而對其本質的理解通過實驗過程的觀察并沒有完全理解.對于迷思概念1，如果不通過實驗和相應的問題設置，未來物理教師不會考慮自身在對物體可視的情況下是沿著入射光線看下去的，還是逆著反射光線的方向在觀察.而對于小孔成像方面的迷思概念，未來物理教師對其的理解有一些也限于用記憶去解決實際問題，沒有對其本質獲得深入的理解.

4.1.2 關于未來物理教師“理解”方面的迷思概念

被測得的迷思概念中，若迷思概念是由于未來物理教師的理解問題產生的，則通過未來物理教師對問題的回答得以探測.

迷思概念1：認為只要是狹縫發出的光就均為平行光，忽略了光是沿四面八方以直線的方式傳播的.

迷思概念2：認為狹縫太窄了，人眼就不能夠看到小燈泡，忽略了人眼可以看到物體的條件，物體本身發出的光或反射的光射入人眼既能夠看到物體，只要有光線射入人眼就能夠觀察到物體.

迷思概念3：對能夠看到小燈泡的位置范圍判斷過大，同樣也是忽略了人眼可以看到物體的條件，物體本身發出的光或反射的光射入人眼既能夠看到物體，在沒有光線射入人眼的位置是看不到物體的.

迷思概念4：認為白光照射在某一顏色的物體上，由于白光是七色光，所以不知道物體會呈現什么顏色，因為某些顏色會混合.

迷思概念5：認為物體吸收了它自身顏色波長的光才會顯現出該顏色.

迷思概念6：分不清上弦月和下弦月什么時候出現.

迷思概念7：認為小孔成像所成的像會隨燈泡方向的移動而移動.

迷思概念8：小孔成像中，如果成像物體是涂有白粉，看不到燈絲的燈泡，那么它的成像將與小孔形狀相同，將燈泡看成了光源，忽略了它也是一個物體.

迷思概念9：人眼的觀測點不知道該如何尋找，認為只要光源在鏡中成像，只要人不擋住孔，就能夠觀測到對面孔中光源的成像.

上述迷思概念中：迷思概念1、迷思概念2和迷思概念3是關于“光是什么”中，視覺產生的原因的迷思概念，迷思概念4和迷思概念5是“光是什么”中關于物體如何呈現自身顏色的迷思概念，概念6是關于“光沿直線傳播”的應用中的月相形成的迷思概念；概念7和概念8是關于“光的直線傳播的應用”中小孔成像的迷思概念，概念9是關于“平面鏡成像”中的觀察平面鏡成像觀察點的范圍的迷思概念.

這些迷思概念是未來物理教師在平時的習題和日常生活中沒有注意到的自身存在的問題，對于迷思概念1，如果不經過仔細思考，是不會考慮狹縫出來的光線仍然應該是梯形的，而通過前面的面光源的對比，可以清晰地得出這個答案；對于迷思概念2和迷思概念3是通過實驗過程的觀察有效地判斷出的；迷思概念4和迷思概念5是通過實驗探究與問題的分析和總結得出的迷思概念；迷思概念6、迷思概念7和迷思概念8如果不通過探究實驗，未來物理教師是不能夠發現存在的問題的；迷思概念9在相應的實驗情境的設置下，才能得以更好地體現其認知沖突的存在，完成探測的目的.

4.2 未來物理教師迷思概念轉變情況及分析

在對未來物理教師迷思概念轉變情況的研究中，發現有些概念轉變是發生在“發現迷思概念”的過程中的，即學生發現了自身迷思概念的過程中，他們的迷思概念即已經發生了轉變；還有一些概念轉變是發生在“發現迷思概念”之后的，這些迷思概念通過探究實驗得以發現，再通過進一步的實驗探究得以轉變.

4.2.1 迷思概念的發現和轉變“同步”進行的概念轉變例證分析

小孔成像系列實驗，共有8個實驗項目，通過至上而下的實驗安排，對小孔成像原理、影響小孔成像所成像大小的因素、多個物體同時通過小孔成像以及不同形狀、不同大小小孔對成像影響的情況進行探究和分析.整個實驗過程中通過問題的回答和實驗的完成完成迷思概念的測量和轉變.例如，在進行小孔成像是否受小孔形狀影響的實驗探究中，學生可以將模板上的小孔換成三角形、五角星形或其他形狀（這些小孔均由未來物理教師自己在黑色的模板紙上刻出），探究物體成像形狀，通過實驗結果的觀察，未來物理教師會發現自己的迷思概念同時轉變這些迷思概念.

4.2.2 迷思概念的轉變發生在發現迷思概念之后的概念轉變例證分析

關于光的直線傳播的探究過程，我們采用的實驗設置和問題設置方式如下：實驗裝置圖如圖4所示；實驗器材為燈箱、帶有3個粗細相等狹縫的擋光片、帶有1個狹縫的擋光片、A4白紙1張，實驗在暗室里進行.實驗的過程是，將1張A4白紙放置于桌上，將裝有燈泡的燈箱放置在白紙前緣，用鉛筆標識好燈箱的位置.首先對將要形成的光線進行觀察，并記錄下光線的行進范圍，回答光線是在什么范圍內行進的.這時候未來物理教師將發現光線是細錐形的（如圖5所示），這就與學生原本認為的“光線沿直線傳播”，因此出來的光線應該是長方形而非細錐形相矛盾，從而產生認知沖突.這時再通過問題和實驗步驟引導學生進行下一步的探究.

圖4 實驗裝置圖

圖5 光線記錄圖

將3縫擋光片放在燈箱燈泡前端的凹槽里，將燈箱放在白紙邊緣，記錄它的位置.接上電源，記錄3縫擋光板中間光束的傳播路徑，我們將其稱為中央光束.在擋光板前方8cm處放置1個單縫擋光板，且單縫放置位置恰好可以讓中央光束從單縫中通過.記錄單縫擋光板的位置，畫出形成光線的路徑圖.比較光束的行徑與沒有放單縫擋光板之前的異同之處.這個時候學生會發現，現在的光線看著更細更亮（見圖5），但是為什么狹縫是一樣寬的，會出現這種現象呢，這時又進一步產生認知沖突.學生通過仔細觀察會發現，燈箱里面發出的光并不是平行光，我們平時給大家看光沿直線傳播的實驗，會選擇激光或由平行光組成的光學系統，而本次探究選擇的光源，是向四周發散的光，正是由于光沿直線傳播，所以通過狹縫之后自然就會產生錐形的光束.再通過單狹縫放在其前端進行進一步的探究，光線通過了狹縫，形成了更細銳的光線，這也進一步說明了光沿直線傳播的現象.

5 小結

對于基于“以問題為引導的探究實驗”未來物理教師迷思概念測量和轉變策略設計的測試題目的實證研究可以發現，該策略可以有效地測量未來物理教師頭腦中已經存在的、隱藏在其對科學的概念、原理或規律的記憶下面的迷思概念，也可以有效地測量未來物理教師原有的、已經建構好的知識體系中的頑固的迷思概念.此外，通過基于“以問題為引導的探究實驗”未來物理教師迷思概念測量和轉變策略進行學習的學生能夠更深入地對物理學原理和概念的本質進行理解，并更易應用這些知識解決身邊的問題.學生在進行實驗探究的過程體會物理知識探索的過程，熟悉了物理學科產生和發展的歷史知識，以促使未來教師能夠從科學發展和科學史觀的角度進行教學，這些都促使未來物理教師完善了自身的物理學科知識體系，在知識理解方面達到從科學本質上理解物理知識；從不同的方面全面理解物理知識；從可持續發展的角度學習物理知識.

1 McDermott L C and the Physics Education Group at the University of Washington，Physics by inquiry［M］，Wiley，New York，1996：110－189.

2 顧江鴻.物理演示實驗教學策略的理論與實踐——基于學生實驗觀察認知特點的POE、POAA［D］.北京師范大學，2010（04）：81－122.

3 楊薇，郭玉英.PCK對美國科學教師教育的影響及啟示［J］.當代教師教育，2008：6－10.

4 陳燕.問題互動式情景教學設計——以“電場強度”教學為例［J］.物理教師，2013（10）：14－15.