張 萍 齊 薇 王媛平 張齊齊

（北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875）

學(xué)生在系統(tǒng)學(xué)習(xí)物理概念之前，頭腦中已經(jīng)存在了一些來(lái)自于生活經(jīng)驗(yàn)的對(duì)物理現(xiàn)象的一般認(rèn)識(shí)，這就是前概念（preconceptions）．由于這些前概念通常不同于科學(xué)概念，也被稱為錯(cuò)誤概念（misconceptions），學(xué)生處于不同學(xué)習(xí)階段的概念水平不同，其錯(cuò)誤表現(xiàn)也不同，這些錯(cuò)誤一方面源于生活經(jīng)驗(yàn)，另一方面來(lái)源于前期課程的學(xué)習(xí)．錯(cuò)誤概念廣泛存在于學(xué)生頭腦中，并會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)生對(duì)物理概念的學(xué)習(xí)，所以研究學(xué)生的錯(cuò)誤概念對(duì)有效教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量有重要意義．

1 Peer Instruction教學(xué)方法與錯(cuò)誤概念的研究

我們使用同伴教學(xué)法（Peer Instruction簡(jiǎn)稱：PI）講授大學(xué)物理課程［1］，要求學(xué)生課前自學(xué)掌握課程基本知識(shí)，上課時(shí)老師不再按部就班地講授全部課程內(nèi)容，而是圍繞課程的核心概念設(shè)計(jì)一些概念測(cè)試題（ConceptTest），讓學(xué)生基于這些問(wèn)題進(jìn)行小組討論，加深對(duì)物理概念的理解［2］，教師基于學(xué)生自學(xué)和相互討論后達(dá)到的學(xué)習(xí)水平，確定課程教學(xué)內(nèi)容，只講重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，幫助學(xué)生完善物理知識(shí)結(jié)構(gòu)．為了設(shè)計(jì)出好的概念測(cè)試題引發(fā)學(xué)生討論，為了瞄準(zhǔn)學(xué)生學(xué)習(xí)困難高效地講授課程，教師必須了解學(xué)生中存在哪些錯(cuò)誤概念，因此，使用PI教學(xué)法要求我們研究學(xué)生的物理錯(cuò)誤概念．同時(shí)，PI教學(xué)方法要求學(xué)生在課堂上基于概念測(cè)試題進(jìn)行小組討論，口頭交流可以使學(xué)生的錯(cuò)誤概念外顯，為教師提供研究學(xué)生錯(cuò)誤概念的機(jī)會(huì)．

2 研究方法

使用PI教學(xué)方法，設(shè)計(jì)概念測(cè)試題（多項(xiàng)選擇題），在課堂上讓學(xué)生先給出個(gè)人答案，然后在小組中討論，教師對(duì)學(xué)生討論進(jìn)行錄音，通過(guò)對(duì)所有小組的錄音進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在討論過(guò)程中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤說(shuō)法，將學(xué)生各種說(shuō)法進(jìn)行分析、歸類、編碼，統(tǒng)計(jì)得出學(xué)生中存在的物理錯(cuò)誤概念．研究設(shè)計(jì)分兩個(gè)步驟，進(jìn)行兩輪研究．第一輪研究的概念測(cè)試題是單選題，學(xué)生選擇自己認(rèn)為正確的答案，在小組討論中說(shuō)明自己選擇的理由，然后相互交流和討論．這一輪的研究設(shè)計(jì)是希望學(xué)生的討論相對(duì)開放，目的是定性地獲得學(xué)生中存在哪些錯(cuò)誤概念．第二輪研究是在第一論研究的基礎(chǔ)上，將第一論研究得出的錯(cuò)誤概念編入原來(lái)概念測(cè)試題的選項(xiàng)中，由于一個(gè)學(xué)生可能同時(shí)存在多個(gè)錯(cuò)誤概念，大多數(shù)測(cè)試題改為多選題，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)生的答案分布可以量化研究這些錯(cuò)誤概念在學(xué)生中存在的程度，由于學(xué)生的討論都圍繞選項(xiàng)中對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤概念進(jìn)行，從而使我們的研究更具針對(duì)性．兩輪研究結(jié)果可以彼此互證和互補(bǔ)，提高研究的信度．

3 研究結(jié)果

為了研究學(xué)生在動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)概念上的錯(cuò)誤，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)題目：一個(gè)是導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中平動(dòng)，另一個(gè)是導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)．為了方便討論，先將動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的公式寫在下面：

3．1 導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中平動(dòng)

我們使用題1－1進(jìn)行第一輪的研究：按照PI教學(xué)方法的規(guī)則要求學(xué)生課前自學(xué)，課上給出概念測(cè)試題，讓學(xué)生先使用Clicker發(fā)送自己的答案，然后小組討論，討論后學(xué)生再次發(fā)送自己的答案．

題1－1：如圖，長(zhǎng)度為l的直導(dǎo)線ab在均勻磁場(chǎng)中以速度v移動(dòng)，直導(dǎo)線ab中的電動(dòng)勢(shì)為：

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

題1－1 用圖

這個(gè)題目答題的有效樣本數(shù)是133人，第4選項(xiàng)為正確答案，一個(gè)看似很簡(jiǎn)單的題目只有20%學(xué)生答對(duì)．選擇選項(xiàng)2和3的學(xué)生分別占42%和35%，經(jīng)過(guò)學(xué)生的討論后，這道題的正確率上升為89%．我們對(duì)學(xué)生討論的錄音進(jìn)行分析得出學(xué)生的錯(cuò)誤，見表1：

表1 關(guān)于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中平動(dòng)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的錯(cuò)誤概念

我們把這些錯(cuò)誤概念外顯出來(lái)，編入原題的選項(xiàng)中，設(shè)計(jì)成題1－2．在第二年的同樣的課程中，使用新的測(cè)試題進(jìn)行錯(cuò)誤概念的第二輪研究．

題1－2 用圖

題1－2：如圖，長(zhǎng)度為l的直導(dǎo)線ab在均勻磁場(chǎng)中以速度v運(yùn)動(dòng)，關(guān)于直導(dǎo)線ab中的電動(dòng)勢(shì)，以下說(shuō)法正確的是：

（1）因?yàn)榇艌?chǎng)是不變的，所以不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)；

（2）因?yàn)闆](méi)有形成閉合回路，所以說(shuō)電動(dòng)勢(shì)為零；

（3）根據(jù)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的公式，速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度是叉乘關(guān)系，電動(dòng)勢(shì)為Blvsinα；

（4）因?yàn)閷?dǎo)線垂直于磁感應(yīng)線的有效長(zhǎng)度是lcosα，電動(dòng)勢(shì)是Blvcosα；

（5）以上都不對(duì)．

這個(gè)題目答題的有效樣本數(shù)是125人，第5選項(xiàng)為正確答案，有22%學(xué)生答對(duì)，錯(cuò)誤選項(xiàng)集中在（3）（27%）、（4）（46%）兩個(gè)選項(xiàng)上，70%左右學(xué)生在使用公式（1）時(shí)，只考慮其中兩個(gè)矢量的夾角關(guān)系（正確使用動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)必須考慮B、l、v三個(gè)矢量之間的運(yùn)算關(guān)系）．經(jīng)過(guò)學(xué)生的討論，這道題的正確率為91%．對(duì)學(xué)生討論的錄音進(jìn)行分析又發(fā)現(xiàn)兩個(gè)新的錯(cuò)誤概念，見表2：

由于兩次測(cè)試題目的選項(xiàng)不同，學(xué)生在討論時(shí)涉及的內(nèi)容不同，學(xué)生對(duì)題1－1的討論相對(duì)更開放，表1中的錯(cuò)誤概念分散在各個(gè)小組，每個(gè)組討論時(shí)側(cè)重點(diǎn)不同，不是每個(gè)小組的討論都涉及到表1中的所有內(nèi)容，大多數(shù)小組中的學(xué)生在意識(shí)到導(dǎo)體并沒(méi)有切割磁感應(yīng)線后，得出正確答案，結(jié)束討論．對(duì)題1－2的討論，學(xué)生基本是圍繞題目選項(xiàng)進(jìn)行，即使發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體并沒(méi)有切割磁感應(yīng)線，得出正確答案，還必須依照題目中的各個(gè)選項(xiàng)，逐個(gè)排查表1中所有的錯(cuò)誤，學(xué)生在（3）和（4）兩個(gè)選項(xiàng)的相互爭(zhēng)論和交流中，逐漸地對(duì)公式（1）中B、l、v三個(gè)矢量關(guān)系形成了正確理解．矢量分解、投影和有效長(zhǎng)度等“策略”來(lái)源于學(xué)生以前的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，許多學(xué)生只記住了結(jié)論，不理解其中的物理含義，在新的問(wèn)題情景中單純調(diào)用這些“策略”導(dǎo)致錯(cuò)誤．讓學(xué)生在相互討論中，發(fā)現(xiàn)自己學(xué)習(xí)中的問(wèn)題，教師也應(yīng)借機(jī)告訴學(xué)生：“學(xué)習(xí)物理應(yīng)該致力于理解物理的本質(zhì)，而不是只記住一些解題策略和技巧”．

表2 關(guān)于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中平動(dòng)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的錯(cuò)誤概念（補(bǔ)充）

3．2 導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)

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

表3 關(guān)于導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的錯(cuò)誤概念

題2－1 用圖

題2－1：如圖所示，導(dǎo)體棒AD在均勻磁場(chǎng)B中繞通過(guò)C點(diǎn)的垂直于棒長(zhǎng)且沿磁場(chǎng)方向的軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)（角速度ω與Β同方向），BC的長(zhǎng)度為棒長(zhǎng)的1／3，則（ ）

（1）A點(diǎn)比D點(diǎn)電勢(shì)高．

（2）A點(diǎn)與D點(diǎn)電勢(shì)相等．

（3）A點(diǎn)比D點(diǎn)電勢(shì)低．

（4）有穩(wěn)恒電流從A點(diǎn)流向D點(diǎn)．

依據(jù)第一輪研究發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤概念編制測(cè)試題2－2，由于一個(gè)學(xué)生可能同時(shí)存在多個(gè)錯(cuò)誤概念，這個(gè)題目設(shè)計(jì)為多選題．

題 2－2： 如 圖 所示，導(dǎo)體棒AD在均勻磁場(chǎng)B中繞通過(guò)C點(diǎn)的垂直于棒長(zhǎng)且沿磁場(chǎng)方向的軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)（角速度ω與B同方向），DC的長(zhǎng)度為棒長(zhǎng)的1／3，關(guān)于A、D兩點(diǎn)的電勢(shì)，以下說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ）（可多選）

（1）A點(diǎn)的速度比D點(diǎn)大，所以A點(diǎn)的電勢(shì)比D點(diǎn)高．

（2）A點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離比D點(diǎn)遠(yuǎn)，所以A點(diǎn)的電勢(shì)比D點(diǎn)高．

（3）A、D之間沒(méi)有電流，所以A點(diǎn)與D點(diǎn)電勢(shì)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(diǎn)比D點(diǎn)電勢(shì)低

（5）因?yàn)锳D是導(dǎo)體棒，所以平衡的時(shí)候A、D等勢(shì)．

這道題目答題的有效樣本數(shù)是124人，1－5選項(xiàng)都是錯(cuò)誤的說(shuō)法，表4是學(xué)生答案的分布，未選某選項(xiàng)意味著學(xué)生不能指出其中錯(cuò)誤，說(shuō)明學(xué)生存在相關(guān)錯(cuò)誤．

題2－2 用圖

表4 題2－2學(xué)生答案分布

在這個(gè)題目中，A點(diǎn)電勢(shì)高于D點(diǎn)，選項(xiàng)（1）和（2）中的結(jié)論雖然是對(duì)的，但是理由并不完整，從學(xué)生討論的錄音分析中，發(fā)現(xiàn)大約有60%學(xué)生在多變量問(wèn)題中只考慮單一因素的影響；選項(xiàng)（3）數(shù)據(jù)表明：14%學(xué)生存在“導(dǎo)體上沒(méi)有電流，導(dǎo)體是等勢(shì)體”的錯(cuò)誤；選項(xiàng)（4）的數(shù)據(jù)表明：31%學(xué)生錯(cuò)誤地調(diào)用穩(wěn)恒電流無(wú)源電路的概念，認(rèn)為導(dǎo)體棒上有電流，電流從高電勢(shì)流向低電勢(shì)．選項(xiàng)（5）的數(shù)據(jù)表明：31%學(xué)生在這個(gè)問(wèn)題中錯(cuò)誤調(diào)用靜電平衡導(dǎo)體是等勢(shì)體的概念．由于表3中第（6）個(gè)錯(cuò)誤概念不直接與題目問(wèn)題情景相關(guān)聯(lián)，所以沒(méi)有編入題2－2，然而在對(duì)學(xué)生討論的錄音分析中，發(fā)現(xiàn)35%的學(xué)生存在“電動(dòng)勢(shì)的方向是從高電勢(shì)指向低電勢(shì)”的錯(cuò)誤概念．

4 討論

（1）物理錯(cuò)誤概念廣泛地存在于學(xué)生中，這些錯(cuò)誤概念的存在造成新課程學(xué)習(xí)的障礙．Hestenes、Wells等（1992）研究表明“錯(cuò)誤概念的存在使得學(xué)生聽不懂物理課，從而導(dǎo)致他們強(qiáng)行記憶一些沒(méi)有關(guān)聯(lián)的片段，做著沒(méi)有意義的作業(yè)，使很多學(xué)生有厭學(xué)情緒”［3］．

（2）大學(xué)生的錯(cuò)誤概念多源于他們之前的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生簡(jiǎn)單記憶公式、知識(shí)點(diǎn)和題型，很少嘗試多角度理解物理概念的本質(zhì)，他們?nèi)鄙倜鎸?duì)陌生環(huán)境利用所學(xué)的概念和定律進(jìn)行推理的能力，遇到新的問(wèn)題情景時(shí)，學(xué)生外顯的還是他們的錯(cuò)誤概念．

（3）加強(qiáng)學(xué)生間的合作學(xué)習(xí)是轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤概念、構(gòu)建科學(xué)概念的最有效的方法．Clement（1982）認(rèn)為“通過(guò)學(xué)生之間的討論，學(xué)生說(shuō)出錯(cuò)誤概念，通過(guò)將自己的錯(cuò)誤概念和科學(xué)概念的比對(duì)，意識(shí)到錯(cuò)誤概念的存在，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，可以有效地轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤概念”［4］．

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

［1］ 張萍，涂清云，等．大學(xué)物理課堂互動(dòng)教學(xué)模式的研究——基于“教室應(yīng)答系統(tǒng)”的構(gòu)建［J］．中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2011，（07）：21－23．

［2］［5］ 張萍，涂清云，等．課堂中的合作學(xué)習(xí)——同伴教學(xué)法對(duì)物理概念學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用［J］．中國(guó)大學(xué)教學(xué)，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．