基于三階測(cè)試診斷高中生機(jī)械波迷思概念

郭芳俠 趙 倩

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710119)

1 問(wèn)題的提出

學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中持有一些與既定科學(xué)概念相比不一致但自認(rèn)為合理的認(rèn)識(shí),研究者將這種認(rèn)識(shí)稱為“迷思概念”.迷思概念的存在會(huì)影響學(xué)生對(duì)新概念的正確理解,并且通常難以改變,從而造成學(xué)生學(xué)習(xí)的困難[1].因此,迷思概念的診斷是教育研究中最重要的任務(wù)之一.

關(guān)于高中生對(duì)物理概念的研究主要集中在力學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域,對(duì)機(jī)械波的關(guān)注較少.而波現(xiàn)象無(wú)處不在,與波相關(guān)的想法在物理學(xué)和其他領(lǐng)域都具有普遍性,并且許多學(xué)生發(fā)現(xiàn)波的概念很難理解,因?yàn)樗鼤r(shí)常表現(xiàn)出各種看似違背常理的特性.因此診斷學(xué)生機(jī)械波迷思概念是非常有意義的.

只有準(zhǔn)確地診斷出學(xué)生頭腦中存在的迷思概念,才可以在實(shí)際教學(xué)中幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)物理知識(shí).

目前,診斷學(xué)生迷思概念的常用方法是選擇測(cè)試題.傳統(tǒng)選擇測(cè)試題是在題目之后給出正確選項(xiàng)和若干干擾項(xiàng),讓學(xué)生從中進(jìn)行選擇,它具有高效、客觀、易于使用等優(yōu)勢(shì).但傳統(tǒng)的選擇測(cè)試題掩蓋了學(xué)生的做題思路,學(xué)生有可能是靠猜測(cè)選擇正確答案,表現(xiàn)為假陽(yáng)性(false positives);也有可能已完全掌握相關(guān)知識(shí),由于個(gè)人行為習(xí)慣而選擇錯(cuò)誤答案,表現(xiàn)為假陰性(false negatives)[2].為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)選擇測(cè)試題的缺陷,1988年特萊格斯特(Treagust)[3]提出了二階選擇測(cè)試題的編制方法,即在傳統(tǒng)選擇題的基礎(chǔ)上加入理由階,使學(xué)生的做題思路顯現(xiàn)出來(lái).在測(cè)試時(shí),首先讓學(xué)生在答案階中選擇一個(gè),然后在理由階中選擇自己的理由[4].國(guó)內(nèi)已有研究者使用二階測(cè)試作為各種科學(xué)領(lǐng)域的診斷工具.然而它也有局限性:無(wú)法區(qū)分正確答案的得出是由于猜測(cè)還是真正的理解;難以診斷迷思概念產(chǎn)生的深層次原因.

為了進(jìn)一步提高診斷的科學(xué)性,研究者加入第三階信心指數(shù)來(lái)衡量學(xué)生對(duì)前兩階答案的確定程度,進(jìn)而開(kāi)發(fā)出了三階測(cè)試題(Three-tier Tests).信心指數(shù)在測(cè)試中的應(yīng)用起源于心理學(xué)領(lǐng)域,要求個(gè)體評(píng)估及判斷自己在認(rèn)知任務(wù)中的表現(xiàn)水平,以增加客觀測(cè)試可以獲得的信息量[5].在科學(xué)教育領(lǐng)域,國(guó)外已有不少研究在選擇測(cè)試題中加入了信心指數(shù)[6，7],但我國(guó)相對(duì)較少,尚處于起步階段.

2 三階測(cè)試原理

2.1 三階測(cè)試題的構(gòu)成

三階測(cè)試的每道題目均由三階構(gòu)成,第一階(答案階)可以理解為傳統(tǒng)的選擇題,考查學(xué)生對(duì)描述性知識(shí)的理解;第二階(理由階)要求學(xué)生選擇第一階答案的理由,評(píng)估學(xué)生對(duì)解釋性知識(shí)的理解;第三階(信心指數(shù))要求學(xué)生對(duì)自己前兩階答案的確定性程度做出評(píng)價(jià),即0%(完全靠猜測(cè))—100%(完全有把握),目的在于區(qū)分學(xué)生出錯(cuò)的原因是由于迷思概念的存在還是知識(shí)缺失,也可區(qū)分正確答案的得出是猜測(cè)還是真正理解.

2.2 三階測(cè)試的診斷方法

參考Caleon[8]和Haki[9]的標(biāo)準(zhǔn),信心指數(shù)值以50%為分界,當(dāng)學(xué)生對(duì)自己選擇的答案進(jìn)行相應(yīng)的信心指數(shù)評(píng)價(jià)時(shí),診斷方法如表1.

表1 三階測(cè)試的診斷方法

注: “√”表示選答正確,“×”表示選答錯(cuò)誤.

3 研究?jī)?nèi)容及施測(cè)對(duì)象

3.1 診斷試卷

本研究使用的測(cè)試題是在Caleon[10]機(jī)械波診斷測(cè)試題翻譯的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)高中物理實(shí)際表述習(xí)慣,在文字上稍作修改,共12道三階題目,主要考查的內(nèi)容和對(duì)應(yīng)的題號(hào)如表2所示.測(cè)試題通過(guò)2位中學(xué)物理教師和1位課程與教學(xué)論專業(yè)教授的審查以保證內(nèi)容翻譯正確.

表2 考查內(nèi)容及題目分布

3.2 施測(cè)對(duì)象

施測(cè)選擇示范高中、標(biāo)準(zhǔn)化高中、普通高中3所學(xué)校,在高二年級(jí)隨機(jī)抽取7個(gè)班進(jìn)行測(cè)試.共計(jì)發(fā)放測(cè)試題325份,回收316份,回收率97.23%.空白卷或未標(biāo)注信心指數(shù)的問(wèn)卷視為無(wú)效問(wèn)卷,其中有效樣本297份,有效率93.99%.

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 測(cè)試題質(zhì)量分析

所有數(shù)據(jù)利用Excel和SPSS軟件進(jìn)行錄入與統(tǒng)計(jì)分析.全體被試學(xué)生的二階得分在0分和12分之間,平均得分為6.47分,難度指數(shù)為0.54,說(shuō)明該測(cè)試題對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)相對(duì)較難.由于測(cè)試題目全部是客觀題,采用庫(kù)德—理查遜信度公式,可得信度指數(shù)為0.75,說(shuō)明這份測(cè)試題可靠性較好.

4.2 診斷結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)問(wèn)卷的分析,得到測(cè)試題一階正確率和二階正確率分布,如圖1所示.

圖1 各題的正確率分布

從圖1可以看出,12道題的一階正確率均高于二階正確率,這表明部分學(xué)生是通過(guò)猜測(cè)選擇了正確答案,并沒(méi)有真正理解相關(guān)知識(shí)或者是頭腦中存在著迷思概念.顯然單憑一階的診斷是無(wú)法識(shí)別出來(lái)的,這樣就難免出現(xiàn)高估學(xué)生學(xué)習(xí)水平的情況.而三階測(cè)試因加入了“理由階”和“信心指數(shù)”,需要學(xué)生給自己的答案作出解釋,同時(shí)需要對(duì)前兩階答案給出自己的確定程度,這可以有效的區(qū)別學(xué)生假陰性、假陽(yáng)性以及知識(shí)缺失的比率分布情況,各題的診斷結(jié)果如圖2所示.

圖2 假陰性、假陽(yáng)性及知識(shí)缺失的比率分布

由圖2可以看出,對(duì)于第1、2、6道題目,假陽(yáng)性比例偏高.這說(shuō)明學(xué)生可以通過(guò)猜測(cè)或從記憶中獲取相關(guān)的內(nèi)容知識(shí)來(lái)得到正確答案,但很難選擇正確的理由;對(duì)于第4、7、10道題目,假陰性比率偏高.這說(shuō)明學(xué)生通常可以利用課本中的定義、定律或理論很容易地從理由階選擇正確的理由,但是難以應(yīng)用它選擇正確的答案.

測(cè)試題第4題的假陰性比率達(dá)到32.78%,這說(shuō)明大約有98名學(xué)生出錯(cuò),他們?cè)谧R(shí)別縱波振幅的含義時(shí)并沒(méi)有什么大的問(wèn)題,但是在應(yīng)用這個(gè)含義來(lái)定位圖中的縱波振幅時(shí)卻不如人意，更深層次來(lái)說(shuō),學(xué)生并沒(méi)有真正理解縱波振幅概念的本質(zhì).這有可能是由于在課堂討論和教科書中對(duì)橫波的重視程度高于縱波.第6題的假陽(yáng)性比率達(dá)到了19.06%,即大約有57名學(xué)生可能是通過(guò)猜測(cè)得到第一階問(wèn)題的正確答案,但當(dāng)選擇理由時(shí),卻不知道真正的原因,實(shí)際上說(shuō)明這部分學(xué)生對(duì)波速的理解存在偏差,并沒(méi)有對(duì)機(jī)械波相關(guān)知識(shí)完全掌握.

通過(guò)對(duì)問(wèn)卷的分析,表3列舉出此次測(cè)試診斷出的 8個(gè)迷思概念,其中7個(gè)表現(xiàn)為信心指數(shù)高于50%的真性迷思概念，另外1個(gè)表現(xiàn)為信心指數(shù)低于50%的假性迷思概念.

表3 機(jī)械波迷思概念情況

注: 選項(xiàng)C A 表示答案階選擇C,理由階選擇A,其他類似.

從表3可以看出,在機(jī)械波考查內(nèi)容上,學(xué)生主要是在振動(dòng)圖像和波形圖的識(shí)別以及波長(zhǎng)、波速和頻率之間的關(guān)系這兩個(gè)方面存在迷思概念，具體分析如下.

對(duì)于第1題,學(xué)生難以識(shí)別在位移-時(shí)間(y-t)圖像中呈現(xiàn)的波屬性,大約有19.53%的學(xué)生認(rèn)為y-t圖像中相鄰波峰之間的距離是波長(zhǎng)而不是周期,且信心指數(shù)高達(dá)92.41%.這說(shuō)明部分學(xué)生對(duì)圖像的每個(gè)坐標(biāo)軸代表的含義不是很明確,在他們腦海里傾向于將位移-時(shí)間(y-t)圖像認(rèn)為就是波形圖.對(duì)于第7題,45.12%的被試學(xué)生選擇了圖1,他們認(rèn)為無(wú)論波源如何振動(dòng),質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都遵循正弦規(guī)律,并且信心指數(shù)達(dá)到了72.99%,這可能是由于教科書中普遍用正弦圖像來(lái)代表波形圖造成的.因?yàn)檎覉D像是大家通常所熟悉的,其他兩個(gè)圖像很少看到.這說(shuō)明部分學(xué)生根本沒(méi)有認(rèn)識(shí)到質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)必須依賴于波源的振動(dòng)方式.對(duì)于第10題,6.40%的學(xué)生認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度等于波的傳播速度.這部分學(xué)生可能誤以為質(zhì)點(diǎn)隨著機(jī)械波的傳播而前進(jìn),而實(shí)際上機(jī)械波在傳播過(guò)程中,每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都只做上下振動(dòng).對(duì)于第11題,23.57%的學(xué)生認(rèn)為波從較小質(zhì)量的介質(zhì)傳播到較大質(zhì)量的介質(zhì)時(shí),波的頻率將降低,且信心指數(shù)達(dá)到了60.86%.這一部分學(xué)生認(rèn)為質(zhì)量較大的介質(zhì)具有更大的慣性,這使得通過(guò)介質(zhì)傳播更少的波,從而減小了波的頻率，他們錯(cuò)誤地認(rèn)為波的頻率與介質(zhì)有關(guān),即波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí),頻率會(huì)發(fā)生改變,而沒(méi)有意識(shí)到實(shí)際上頻率只與波源有關(guān).

研究結(jié)果顯示,學(xué)生的迷思概念有一半是關(guān)于對(duì)波速本質(zhì)的理解.第5題,21.21%的學(xué)生認(rèn)為波的頻率增加將導(dǎo)致波速增加.第6題,22.56%的學(xué)生優(yōu)先考慮頻率的影響,如果頻率不變,波速將不會(huì)改變;而6.06%的學(xué)生優(yōu)先考慮振幅的影響,認(rèn)為振幅變大,質(zhì)點(diǎn)會(huì)需要更長(zhǎng)的時(shí)間上下振動(dòng),波速將減小.此外,對(duì)于第8題,當(dāng)學(xué)生被問(wèn)及如何使波更快速地傳播時(shí),有42.09%的學(xué)生認(rèn)為要使波速增大,必須更快更用力地?fù)u動(dòng)繩子,即波的頻率和振幅必須增大.這可能與學(xué)生對(duì)公式v=λf的誤用有關(guān),似乎這些學(xué)生認(rèn)為v是一個(gè)變量,它隨著f的變化而變化.雖然振幅沒(méi)有出現(xiàn)在公式中,但是按照常理來(lái)分析,也有學(xué)生會(huì)認(rèn)為振幅變化,波速也將隨之變化.長(zhǎng)此以往,學(xué)生就會(huì)形成“波速隨著頻率和振幅的變化而變化”的錯(cuò)誤思維模式.

對(duì)各題的二階正確率與答對(duì)的平均信心指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表4.

表4 各題的二階正確率與答對(duì)的平均信心指數(shù)(%)

如表4所示,測(cè)試題第7題正確率最低,僅為7.02%,但是學(xué)生的平均信心指數(shù)卻達(dá)到了75.24%,這說(shuō)明當(dāng)學(xué)生給出錯(cuò)誤的答案時(shí),他們表現(xiàn)得過(guò)分自信.學(xué)生二階答對(duì)的平均信心指數(shù)介于61.8%—90.4%,說(shuō)明學(xué)生即使選擇正確答案,但是仍表現(xiàn)出對(duì)自己的選擇沒(méi)有完全把握,自信心不足.在實(shí)際教學(xué)中,教師應(yīng)給予這部分學(xué)生更多的關(guān)注和鼓勵(lì).

5 研究結(jié)論和建議

在信心指數(shù)的幫助下,三階測(cè)試題不僅可以了解學(xué)生的做題思路,同時(shí)更深入地顯示出學(xué)生迷思概念的類型,還可以診斷出假陰性、假陽(yáng)性以及知識(shí)缺失的情況.因此三階測(cè)試在一定程度上提高了選擇測(cè)試題的評(píng)價(jià)效果,能夠提供更為可靠的診斷結(jié)果.

本研究通過(guò)機(jī)械波三階測(cè)試題診斷出8個(gè)迷思概念,其中7個(gè)是表現(xiàn)為高信心指數(shù)的真性迷思概念,1個(gè)是表現(xiàn)為低信心指數(shù)的假性迷思概念.它們存在時(shí)間持久且比較頑固,會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.因此在實(shí)際教學(xué)中,教師可以采取“以問(wèn)題為引導(dǎo)的物理探究實(shí)驗(yàn)”策略[11],通過(guò)三階測(cè)試診斷出的迷思概念,選擇或自行設(shè)計(jì)合適的探究實(shí)驗(yàn),設(shè)置相應(yīng)的引導(dǎo)問(wèn)題.在實(shí)際操作過(guò)程中,讓學(xué)生回答問(wèn)題,并與同組成員進(jìn)行討論,發(fā)現(xiàn)自己的認(rèn)知沖突,完成迷思概念的轉(zhuǎn)變,從而幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)的物理概念.

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