學生應對“反例”的策略*
——運用有層次的測評工具測試學生電流概念的學習

張運科(邯鄲市第四中學 河北 邯鄲 056000) 譚利華(廣西師范大學科學教育研究所 廣西 桂林 541004)馮士季(廣西師范大學教育學部 廣西 桂林 541004)

《普通高中物理課程標準(2017)》將物理觀念作為物理學科核心素養要素，并指出“物理觀念的形成和發展需要學生通過物理概念、物理規律等內容的學習及運用才能逐步形成”[1].關于概念學習的研究，自20世紀80年代隨著建構主義思潮的興起，研究者便開始關注學生前概念向科學概念的轉變過程，旨在揭示學生錯誤概念及其轉變的規律，并將其視為科學學習中的核心問題[2].很多學者認為概念轉變的過程就是認知沖突的引發及其解決的過程，引發認知沖突是進行概念轉變的重要條件[3].研究同時表明，即使面對認知沖突，概念轉變也并非常常發生[4].因此，理解學生如何應對與自己觀念相沖突的理論和實驗證據(即“反例”)對于理解學生的概念學習和相應物理觀念的發展非常重要.

本研究設計了一種有層次的測評方法，讓學生經過“陳述模型”“評價理論”和“評價實驗”3個階段，對學生心中的電流模型進行測評，歸類學生面對與自己觀點相矛盾的理論和實驗證據時采用的應對策略.測試結果表明，學完初高中電學的學生中仍然有很大比例持有電流消耗模型.學生在面對與自己模型相矛盾的理論和實驗證據時將采用“忽略他人理論”“用證據來反駁別人的理論”“用自己的理論重新解釋現象”“對原有理論作外圍的改變”“接受他人科學理論”“拒絕他人的理論”等應對策略，其中只有“接受他人科學理論”導致已有理論改變.“評價理論”階段的修改率遠低于“評價實驗”階段，說明實驗事實對于學生物理概念的學習與發展非常重要.在測量學生心中原有概念的基礎上，通過呈現出與學生原有認知相沖突的實驗理論和實驗現象來歸類學生面對此類“反例”時采用的策略和概念轉變情況，以期為我們理解學生物理概念的學習、開展有效教學提供一定啟示.

1 指向理解學生概念學習的試題問卷設計

1.1 測試概念的選擇

電流的概念貫穿中學物理電學的全部內容，電流概念學習與能量、物質等重要物理觀念的發展相關.在生活中，學生有大量使用電器的經驗.許多研究結果表明，無論哪個學段都有一定比例的學生持有電流被消耗模型，即認為電路中的電流在經過燈泡、電阻等元件后會被部分消耗或全部消耗，且該想法難以轉變，影響了學生對物理概念的學習[5].

因此，選用電流概念進行討論，有利于發現學生面對“反例”時的應對策略，以及迷思概念難以轉變的真正原因.

1.2 試題層次的設計

設計有層次性的問卷，讓學生依次經歷如下3個階段：

(1)陳述模型階段.讓學生針對問題陳述自己的想法，了解學生持有的認識情況，挖掘學生電流迷思概念的種類.

(2)評價理論階段.以同學間交流的形式呈現科學的解釋，讓學生對同學的觀點進行評價，通過學生的評價，了解學生在面對非“權威話語”(如來自課本、教師、專家等)的觀點時認知發生的變化和反應，分析學生對待科學理論的方式和特點.

(3)評價實驗階段.通過呈現實驗中的關鍵事實證據，讓學生評價提供的實驗結果，了解學生面對事實證據時認知發生的變化和反應，分析學生對待實驗證據的方式和特點.

通過對學生在上述3個階段作答的分析，我們可比較不同信息材料對學生認識產生的影響，發現學生在面對其他理論和實驗證據的挑戰下所采用應對策略的類型和特點.

1.3 情境及應答形式的設計

情境上，除直接測試“電流”概念外，還設計同層次結構的“電阻”和“電源”試題.研究表明，學生心中的電流模型是學生理解電阻和電源的關鍵[7～9].電阻和電源試題實際上是為考查學生心中電流模型提供了另一種情境.

應答形式上，第一套卷設置為選擇題或簡答題，要求學生表明自己所持觀點，后兩套卷詢問學生對討論和實驗的看法，說明是否修改自己的觀點及理由.

根據預測試結果進行調整，問卷最終分為試卷A、試卷B、試卷C 3個部分(分別對應陳述模型、評價理論和評價實驗3階段)，每套試卷各3道題目，依次要求學生結合具體題目表達對電流、電阻、電源的認識[10](限于篇幅，這里只呈現電流部分的試題).

【卷A】(1)如圖1所示電路，其中導線A連接電池的正極，電流由導線A通過燈泡后，會( )

圖1 卷A第(1)題插圖件 被點亮的燈泡

A.全部被消耗掉，變成光和熱

B.部分被消耗掉，變成光和熱，剩余的通過導線B回到電池負極

C.通過導線B流向電池負極

D.通過導線A流向電池正極

【卷B】(1)卷A第(1)題小剛選C，他認為在串聯電路中，電流處處相等.如圖2所示就是一個串聯電路，開關閉合后，A，B，C3處電流相同，即燈泡前后的電流應該一樣.由此他推斷卷A第(1)題導線A和B中的電流應該相同，即電流沒有被消耗.

圖2 卷B第(1)題插圖 串聯電路圖

1)你同意他的觀點嗎，理由是什么？

2)現在你是否需要修改卷A第(1)題的答案，如需修改，請在下面寫出你的答案.

【卷C】(1)小剛用兩個相同規格的電流表測量燈泡兩邊導線中的電流，如圖3所示，發現兩個電流表顯示的示數都是0.31 A.

圖3 卷C第(1)題插圖 電流檢測圖

1)看到他的實驗結果，你是否修改卷A第(1)題的答案？如需修改，請在下面作答.

2)“既然小燈泡兩邊的電流一樣，那么電流經過燈泡后沒有被消耗”，你覺得可以得到這個結論嗎？

理由是什么？越詳細越好！

2 測試結果分析

測試對象為廣西桂林市某所完全中學隨機選擇的1個初中班(48人)、2個高中班(85人)的全體學生，進行測試時所有學生均已學完相應的電學內容.測試時，學生依次作答試卷A，B，C.

2.1 陳述模型階段

在陳述模型階段，通過對學生的回答進行分類，歸納出學生所持的電流模型.表 1是正式測試時卷A第(1)題的作答情況.

表1 電流模型分布狀況

可以發現，兩個年級的被試對象持有電流消耗模型的比例均很高，其中高二為91.8%，初三為75%.經非參數的卡方檢驗，兩年級作答該題的正確率存在顯著差異(P=0.000<0.01)，初三正確率明顯優于高二.由此可以推測，高二被試雖然對電學進行了更深入的學習，但未對他們轉變電流消耗模型起顯著作用.

2.2 評價理論階段

當學生作答完試卷A后，開始作答試卷B，即進入評價理論階段，該階段要求學生對別人的觀點(科學理論)進行評價，并表明是否修改自己的觀點.

2.2.1 評價理論階段修改情況

表2是兩個年級中持有電流消耗模型的被試在評價理論階段修改率(即修改自己錯誤想法的人數占持有錯誤想法總人數的比例)，可以發現，當給這些被試提供題干中的科學理論時，兩個年級被試在評價理論階段的修改率基本相近，均都低于20%.是什么原因讓這些被試堅信電流被消耗而不同意題干中的科學解釋呢？

表2 持有電流消耗模型的比例及其修改率

2.2.2 持有電流消耗模型的被試如何評價與自己沖突的理論

文獻[11]提出，學生在處理不支持已有知識理論的數據時可能采用“忽略反例”“拒絕反例”“將反例排除于理論之外”“暫時持有反例”“重新解釋反例”等多種不同的策略.借鑒其分類框架對學生作答的反應方式進行分類，分類結果如表3所示.表中呈現了持有電流消耗模型的被試在評價他人理論時采取的主要策略及其回答樣例與人數分布.下面就各類學生所具有的典型表現進行分析.

表3 持有異類電流模型的學生評價理論階段作答情況

(1)“忽略他人理論”.這類被試忽視了他人的理論，沒有去考慮這些不同理論的合理性.他們認為電流經過用電器或電阻后被消耗是必然的事情，根本不必懷疑.

(2)“用證據來反駁別人的理論”.著名的科學哲學家拉卡托斯認為，科學發展的模式不是一個理論去代替另外一個理論，而是各種理論不斷的競爭，科學的發展就是競爭力強(即有很好的預測力和解釋力)的理論去代替競爭力弱的理論.在這個問題上，這類被試相信自己的理論是正確、完備的，并提出了一些現象作為反駁證據.在他們看來，這些現象用自己的理論可以輕而易舉解釋清楚，別人的理論卻不能，因而能對別人的理論構成嚴峻的打擊.比如他們堅信燈泡亮了就必然消耗電流，如果電流在串聯電路中處處相等就不能說明為何燈泡亮了.

(3)“用自己的理論重新解釋現象”.在這個問題上，這類被試比較詳細地說明了電流是如何被消耗的，保持了他們原有的樸素理論而不涉及或者提起他人的科學理論.“重新解釋現象”與“忽略他人理論”之間的區別是，重新解釋者用自己的理論重新解釋相關現象或者進一步闡述自己的理論，而不是簡單地忽略別人的理論.

(4)“對原有理論作外圍的改變”.拉卡托斯指出，各個理論由“硬核”和“保護帶”兩部分組成.“硬核”是這個理論的核心部分，堅韌和不容反駁.而“保護帶”是理論的外圍彈性地帶，一旦理論遭遇反例，擁護者就會提出種種保護“硬核”免受破壞的輔助性假說，組成“保護帶”來應對反例.對于這個問題，“電流經過用電器或者電阻后被消耗”就是這類被試心中理論的“硬核”.在評價他人科學理論時，這些被試經過思考或者回憶課本上的一些結論性的話語，承認了他人理論中串聯電路電流處處相等的部分，但是仍然堅信電流被消耗.

(5)“接受他人科學理論”.在這個問題上，這類被試在看到他人的理論后，改變了自己原來持有的電流消耗的想法，接受了用電器前后電流是相等的說法.當然，這類被試是否真的完全理解、接受了科學結論，仍值得進一步探討.

(6)“拒絕他人的理論”.這類被試認為他人的理論是錯的或者不全面的，并明確指出錯誤之處，而不會修改自己的理論.在這個問題上，這類被試否認了電流處處相等的說法，或是指出其他的問題.

2.3 評價實驗階段

當學生作答完試卷B后，開始作答試卷C，即進入評價實驗階段.在評價實驗階段，給學生呈現的是一系列針對試卷A的實驗結果，讓學生根據這些實驗事實，來確定自己是否修改試卷A中的原始想法.

事后通過卷C第2)問的追問發現，面對實驗證據，持有電流消耗模型學生的應對策略主要有以下類型：

(1)拒絕反例.面對提供的實驗證據，這些被試意識到實驗事實和自己的想法有沖突了，但他們堅信自己的理論是正確的，他們會尋找各種理由來拒絕這個事實.如有人強調：“燈泡工作需要電，用電就必須消耗電，所以才會出現電池被用完的現象，而兩邊導線中電流相等的現象，只是說明了電流大小相等.”又或是說：“兩個電流表在串聯中測得的是電源電流，而不是小燈泡的.”

(2)暫時持有反例，將其擱置起來不作評論.這類被試遇到反例時，他們并不立即對這些反例給出自己的態度，而是暫時擱置那些反例，再次用自己的理論強調一下自己的看法，保持原有理論不變.當看到呈現的實驗事實時，這類被試只是再次強調了一下“電流被消耗”的想法，而沒有對實驗事實做出什么說明.如強調：“因為小燈泡亮了，就一定會消耗電流.”

(3)重新解釋反例.當實驗事實呈現時，這類被試并沒有意識到這個事實和自己的電流消耗想法有什么沖突.他們覺得電流表兩邊的電流一樣太正常了，因為串聯電路中電流處處相等是他們學習到的科學規律，他們承認這個規律，但并不認為這能說明電流沒有被消耗.被試沒有感到任何認知沖突，也根本沒有改變理論的需求.如有人說：“因為電流通過小燈泡時，有一部分電能會轉化為光能和熱能釋放出來，但因為這是一個串聯電路，所以在串聯電路中電流處處相等，所以燈泡兩邊的電流表示數相同，電流被消耗了.”或是說：“因為串聯電路中，電流處處相等，但不能說明電流沒有被消耗.”

(4)理論外圍改變.面對提供的實驗事實，這類學生承認這個實驗事實，并且也意識到了事實和自己的想法有沖突，在有沖突的情況下，他們會把這個事實吸收到自己的理論體系中，使理論更加精致，更加具有解釋力.如有的學生說：“因為在串聯電路中，各處電流相等，所以就算有消耗，電路中的電流大小也是一樣的.”又有人說：“因為電流通過燈泡被消耗了一部分，而電源源源不斷供給電流.”他們對理論的外圍進行了改變，但“電流經過用電器或者電阻后被消耗”這個理論的“硬核”極難被突破.

2.4 理論和實驗兩階段修改率的差別

表4是初三和高二兩年級持有電流消耗模型的被試依次經歷評價理論和評價實驗階段時的修改率情況.

表4 持有電流消耗模型的被試在兩階段修改率

可以發現，當那些經歷了理論階段但仍持有電流消耗模型的被試看到提供的實驗事實后，與評價理論階段相比修改率發生了明顯的提高，初三被試的修改率從評價理論階段的16.7%上升到53%(16/30)，而高二的被試則由15.4%上升到48%(31/66).對初三年級和高二年級在兩階段的修改率進行非參數的卡方檢驗，sig值分別為0.007和0.000，遠小于0.05，可見兩個年級被試在評價理論階段和評價實驗階段的修改率有顯著差別.

3 思考與討論

就本次測試而言，學習完初中和高中電學的學生中仍然有很大比例的學生持有電流消耗模型.如果僅僅告訴他們串聯電路中電流處處相等，電流經過用電器后沒有被消耗，學生大多不會放棄自己的原始想法；如果再給呈現一些實驗事實，則他們的修改率會有明顯提高.由此可見，在物理教學中，實驗事實對于學生理解物理概念具有很大的作用.面對學生難以理解的問題，只采用講授法，其效率可能很低.

電流消耗的想法之所以難以轉變，是因為學生自己構建了一套符合邏輯和經驗的電學概念系統：電池是提供恒定電流的裝置；電路閉合時，電流像水流一樣從電池的正/負極流出來，沿著導線逐步覆蓋電路；電流到達燈泡后，燈泡消耗掉部分的或者全部的電流從而發光發熱，這樣回到電池負極的電流就少了；故電池中的電流會被慢慢消耗掉，所以平時電池用久了總會用完，需要不時更換.在這套系統中，電流的物質觀念和能量觀念是混淆的.建構正確電流模型的關鍵是要讓學生理解燈泡發光發熱消耗掉的不是由電荷形成的電流，而是電荷攜帶的能量(電能).

學生在面對與自己原有理論相沖突的理論和事實時，采用的策略是多種多樣的，體現了學生概念發展過程和認知特點的多樣性.對于學生科學概念的形成，機械的講述是無效的，通過實驗事實與證據的呈現更有利于學生概念學習和科學思維的發展.在教學中，教師應該關注學生思維的過程：盡管拒絕了所謂“正確”的理論和實驗事實，但部分學生的思維方式和應對策略一定程度上“復演”了科學史中某些理論的發展.正如有的學者所言，對于科學教育而言，教育重演論具有特殊的意義[12].

人類認識的初始水平往往就是學生認識的起點水平，某些學生的“錯誤認識”或許正是科學史上認識事物曲折過程的反映，突破過去便能進一步把握概念的本質，使其對上位的物理觀念有更深刻的理解.而在這個通過基于實驗證據進行反思、辯論的過程中，學生的科學思維也得到了一定發展，這是我們每位教師所樂見的.