有效轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤概念的物理輔導(dǎo)課
——美國(guó)匹茲堡大學(xué)Tutorials

楊筱荻張 燕張 萍

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系北京100875)

摘 要：本文介紹了匹茲堡大學(xué)物理復(fù)習(xí)課中使用的教學(xué)方法——Tutorials，課程基于學(xué)生錯(cuò)誤概念設(shè)計(jì)，采用小組討論的合作學(xué)習(xí)模式，在幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變物理頑固錯(cuò)誤概念、加深概念理解方面效果顯著．

關(guān)鍵詞：復(fù)習(xí)課輔導(dǎo)課錯(cuò)誤概念合作學(xué)習(xí)

作者簡(jiǎn)介：楊筱荻(1990-)，女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論專業(yè)．

通訊作者：張萍(1964-)，女，博士，教授，主要從事高等物理教育研究．

收稿日期：(20150609)

1引言

David[1]以CSEM為測(cè)量工具研究了學(xué)生在電磁學(xué)方面存在的錯(cuò)誤概念，發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)的講授式課堂教學(xué)后，以代數(shù)為基礎(chǔ)的物理課程學(xué)生的正確率從31%上升到47%，以微積分為基礎(chǔ)的物理課程學(xué)生的正確率從25%上升到44%，數(shù)據(jù)說(shuō)明，學(xué)生在接受課堂教學(xué)后仍存有錯(cuò)誤概念，本文稱之為頑固錯(cuò)誤概念，需要通過(guò)復(fù)習(xí)課實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)物理概念的進(jìn)一步理解．然而，傳統(tǒng)的大學(xué)基礎(chǔ)物理課程的復(fù)習(xí)課主要是由主講教師或研究生助教講授，一般先總結(jié)復(fù)習(xí)課程知識(shí)要點(diǎn)、再講評(píng)課后作業(yè)中學(xué)生出現(xiàn)錯(cuò)誤較多的習(xí)題、最后選講一些新的例題，學(xué)生在課上只是抄寫和記憶教師加工好的課程要點(diǎn)和習(xí)題答案，很少有積極思考．匹茲堡大學(xué)的教授Chandralekha Singh及其所在的物理教育研究團(tuán)隊(duì)(University of Pittsburgh Physics Education Research Group)為了幫助學(xué)生有效地轉(zhuǎn)變頑固錯(cuò)誤概念，改革了傳統(tǒng)的以教師講授為主的復(fù)習(xí)課模式，使用以學(xué)生互教互學(xué)為主的“輔導(dǎo)課”(Tutorials)的模式，研究表明：相比傳統(tǒng)的物理復(fù)習(xí)課，輔導(dǎo)課在轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤概念方面更有效．

2輔導(dǎo)課介紹

大班講授模式的傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課上，教師基于以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)推測(cè)學(xué)生可能存在的頑固錯(cuò)誤概念講授課程，講授過(guò)程中沒(méi)有機(jī)會(huì)了解學(xué)生在聽(tīng)課時(shí)到底是如何思考的，存在什么樣的錯(cuò)誤概念，很難取得良好的效果．與此相比，合作學(xué)習(xí)是一種有效地轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤概念的教學(xué)模式．生生互動(dòng)合作學(xué)習(xí)與和教師討論問(wèn)題不同，同學(xué)之間討論問(wèn)題時(shí)，學(xué)生處于沒(méi)有壓力的情境，更愿意表達(dá)自己的觀點(diǎn)、理解問(wèn)題的角度和推理方法，暴露出自己的錯(cuò)誤概念，接受對(duì)方的質(zhì)疑和針對(duì)性的講解，意見(jiàn)不一致的學(xué)生進(jìn)行爭(zhēng)論、辯護(hù)和質(zhì)疑，引發(fā)了認(rèn)知沖突，可以更有效地轉(zhuǎn)變他們的錯(cuò)誤概念．

匹茲堡大學(xué)設(shè)計(jì)使用輔導(dǎo)課教學(xué)模式代替單純講授式的大班教學(xué)復(fù)習(xí)課，每周1 h，每個(gè)班由20～30學(xué)生組成，課堂上2～3名學(xué)生組成一個(gè)小組，每組一份任務(wù)單，學(xué)生以小組討論的形式合作和探究，實(shí)踐表明：輔導(dǎo)課教學(xué)模式在轉(zhuǎn)變學(xué)生的頑固錯(cuò)誤概念方面十分有效．

2.1課程開(kāi)發(fā)基于對(duì)錯(cuò)誤概念的研究

匹茲堡大學(xué)教授Chandralekha Singh等人通過(guò)紙筆測(cè)驗(yàn)和訪談發(fā)現(xiàn)[2～5]，普通物理課程的學(xué)生、物理專業(yè)本科生乃至研究生對(duì)靜電學(xué)存在很多錯(cuò)誤概念，例如,無(wú)法區(qū)分電荷量、電場(chǎng)強(qiáng)度、電通量和靜電力；認(rèn)為只有距離某點(diǎn)最近的電荷才對(duì)其電場(chǎng)有貢獻(xiàn)；電偶極子在電場(chǎng)中一定不受力；應(yīng)用高斯定理時(shí)，不會(huì)進(jìn)行對(duì)稱性的分析；認(rèn)為絕緣體能夠阻隔全部的電相互作用等，其中很多錯(cuò)誤概念經(jīng)過(guò)課堂教學(xué)后依然普遍存在．為了有效地利用輔導(dǎo)課轉(zhuǎn)變學(xué)生這些錯(cuò)誤概念，匹茲堡大學(xué)設(shè)計(jì)使用輔導(dǎo)課教學(xué)模式，并且開(kāi)發(fā)了用于檢測(cè)學(xué)生頑固錯(cuò)誤概念的測(cè)試題目和用于輔導(dǎo)課上學(xué)生合作學(xué)習(xí)的任務(wù)單等課程資源．

2.2課程模式

匹茲堡大學(xué)的輔導(dǎo)課包含預(yù)測(cè)試、課上依照任務(wù)單小組討論和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)3個(gè)主要教學(xué)環(huán)節(jié)．學(xué)生輔導(dǎo)課的成績(jī)按照任務(wù)單小組答案賦值．

2.2.1預(yù)測(cè)試——了解學(xué)生的頑固錯(cuò)誤概念

預(yù)測(cè)試在課堂講授教學(xué)后進(jìn)行，題目涵蓋物理學(xué)基本概念，用于了解學(xué)生的頑固錯(cuò)誤概念，由此編制輔導(dǎo)課上用于小組討論的任務(wù)單．以高斯定理為例，研究表明，學(xué)生在應(yīng)用高斯定理時(shí)不會(huì)進(jìn)行對(duì)稱性分析，則課程設(shè)計(jì)以下題目[6]進(jìn)行測(cè)試．

【預(yù)測(cè)試題目】如圖1所示，無(wú)限長(zhǎng)直線的電荷線密度為λ，4個(gè)假想閉合曲面與其同軸，分別為：

(1)母線長(zhǎng)為L(zhǎng)的空心圓柱體；

(2)直徑為L(zhǎng)的球面；

(3)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方體面；

(4)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的二維平面，帶電直導(dǎo)線與此平面相垂直．

圖1　與帶電線同軸的4個(gè)假想面

以上哪些面可以作為高斯面使用高斯定理求出各P點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大?。?/p>

(1)只有(Ⅰ)

(2)只有(Ⅰ)(Ⅱ)

(3)只有(Ⅰ)(Ⅲ)

(4)只有(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)

(5)(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)(Ⅳ)均可

教師整理預(yù)測(cè)試結(jié)果，了解學(xué)生的頑固錯(cuò)誤概念，并據(jù)此編制任務(wù)單．預(yù)測(cè)試也引發(fā)學(xué)生對(duì)相關(guān)問(wèn)題深入思考，為輔導(dǎo)課上同學(xué)之間的討論做準(zhǔn)備．

2.2.2任務(wù)單——引發(fā)討論，轉(zhuǎn)變學(xué)生的頑固錯(cuò)誤概念

教師根據(jù)預(yù)測(cè)試結(jié)果編制相應(yīng)任務(wù)單進(jìn)行輔導(dǎo)課教學(xué)．輔導(dǎo)課上每組學(xué)生一份任務(wù)單，任務(wù)單題目只要求定性分析而很少涉及定量計(jì)算．各小組同學(xué)需要根據(jù)任務(wù)單進(jìn)行討論．學(xué)生輪流表達(dá)自己的觀點(diǎn)之后，不同觀點(diǎn)的學(xué)生相互說(shuō)服，最終達(dá)成一致的意見(jiàn)，在任務(wù)單上謄寫一份小組答案．任務(wù)單題目均為問(wèn)答題，內(nèi)容編排遵循“暴露錯(cuò)誤概念-引發(fā)認(rèn)知沖突-解決認(rèn)知沖突”的流程．有些題目還使用學(xué)生對(duì)話的形式顯現(xiàn)出學(xué)生的錯(cuò)誤概念，引導(dǎo)學(xué)生討論．針對(duì)上文預(yù)測(cè)試中學(xué)生在應(yīng)用高斯定理時(shí)關(guān)于對(duì)稱性分析暴露的錯(cuò)誤概念，設(shè)計(jì)的任務(wù)單(部分)如下：

【任務(wù)單】如圖2所示為4個(gè)不能極化的中空絕緣體，帶電荷量均為+Q且電荷在表面均勻分布．

(1)立方體面

(2)球面

(3)長(zhǎng)為L(zhǎng)的中空?qǐng)A柱面

(4)不規(guī)則形狀的物體

圖2　形狀不同的4個(gè)帶電體

(1)若把以上各帶電體分別用相同的球狀高斯面圍起來(lái)，且高斯面的球心與形狀規(guī)則的物體的幾何中心重合，則能夠用高斯定理直接求出球狀高斯面上任意一點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度大小的是哪個(gè)物體？請(qǐng)解釋．

(2)請(qǐng)閱讀以下約翰和瑪麗的對(duì)話：

1)約翰：“能求出球狀高斯面上任一點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度大小的只有電荷分布均勻的球面．”

2)瑪麗：“但球面、立方體面和圓柱面都是對(duì)稱的形狀且電荷均勻分布，應(yīng)該能夠用高斯定理直接求出這3個(gè)物體外的球狀高斯面上任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小．”

關(guān)于以上兩個(gè)同學(xué)的看法，你是否同意？請(qǐng)解釋原因．

可以看出，任務(wù)單題目的編制均針對(duì)研究所得學(xué)生的錯(cuò)誤概念．先使用一個(gè)練習(xí)題讓學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)做出選擇，然后使用學(xué)生對(duì)話的形式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入思考，對(duì)話中提供學(xué)生的常見(jiàn)的觀點(diǎn)，這些觀點(diǎn)有些錯(cuò)誤，有些部分正確，有些正確，目的是引起學(xué)生之間的認(rèn)知沖突，進(jìn)行全面地討論和深度論證，從而排除各種錯(cuò)誤建構(gòu)正確概念．

有的任務(wù)單是根據(jù)學(xué)生在解題的推理過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)的，對(duì)于同樣的問(wèn)題給出不同的推理或論證方法，讓學(xué)生判斷．學(xué)生在小組討論過(guò)程中，持不同觀點(diǎn)的學(xué)生之間必須相互說(shuō)服對(duì)方，他們對(duì)任務(wù)單中給出的各種解決方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出其中的問(wèn)題，修正其中的錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)變或完善自己的概念．

2.2.3教學(xué)評(píng)價(jià)——促進(jìn)小組合作和自主學(xué)習(xí)

學(xué)生參與預(yù)測(cè)試時(shí)，提示學(xué)生測(cè)試的目的是反饋學(xué)生中存在的錯(cuò)誤概念，有效地組織下一個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)，因此測(cè)試不針對(duì)學(xué)生答案正確與否評(píng)分；輔導(dǎo)課要求每個(gè)學(xué)習(xí)小組最終提交一份報(bào)告，獲得團(tuán)隊(duì)分?jǐn)?shù)，小組成員無(wú)論水平高低、貢獻(xiàn)大小都獲得相同的分?jǐn)?shù)，目的是激勵(lì)學(xué)生的小組合作學(xué)習(xí)，深度討論，達(dá)到共識(shí)；為了鼓勵(lì)每個(gè)學(xué)生都能積極參與輔導(dǎo)課上討論，并且在課后還對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究，在期末考試中還會(huì)涉及到任務(wù)單中的問(wèn)題．

輔導(dǎo)課過(guò)程助教教師并不對(duì)學(xué)生表達(dá)的觀點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，而是作為合作學(xué)習(xí)的輔導(dǎo)者．助教教師不直接回答學(xué)生的問(wèn)題，而是通過(guò)蘇格拉底式提問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，避免學(xué)生輕易獲得正確答案后不再深入思考．

3教學(xué)效果

迄今為止，匹茲堡大學(xué)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了全套靜電學(xué)輔導(dǎo)課的任務(wù)單，共5套：任務(wù)單Ⅰ，Ⅱ涉及在電荷連續(xù)和非連續(xù)分布的情境下運(yùn)用庫(kù)侖定律、疊加原理、對(duì)稱性；任務(wù)單Ⅲ用來(lái)區(qū)別電通量與電場(chǎng)；任務(wù)單Ⅳ，Ⅴ用來(lái)處理對(duì)稱性和高斯定理的關(guān)系．教學(xué)實(shí)踐表明，和傳統(tǒng)的復(fù)習(xí)課相比，輔導(dǎo)課模式在轉(zhuǎn)變學(xué)生頑固錯(cuò)誤概念方面取得了較好的效果．ZeynepIsvan，Chandralekha Singh和Jing Li的研究表明，參加輔導(dǎo)課完成高斯定理部分任務(wù)單的3個(gè)班級(jí)在相關(guān)概念測(cè)試的成績(jī)?cè)鲆婷黠@高于傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課班級(jí)，如表1所示；研究也表明，這種課程模式不僅僅對(duì)學(xué)困生的錯(cuò)誤概念轉(zhuǎn)變有幫助，優(yōu)等生通過(guò)輔導(dǎo)課的學(xué)習(xí)，相關(guān)知識(shí)的測(cè)驗(yàn)成績(jī)也有所提高[7，9]．

表1　輔導(dǎo)課班與傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課班前、后測(cè)成績(jī)對(duì)比

本文所介紹的匹茲堡大學(xué)物理輔導(dǎo)課課程模式體現(xiàn)的是以學(xué)生為中心的教育理念，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、組內(nèi)合作，通過(guò)討論和探究的方式內(nèi)化物理知識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力、合作能力和解決問(wèn)題的能力．希望能夠給國(guó)內(nèi)教師在探索復(fù)習(xí)課教學(xué)模式改革時(shí)提供參考．

參 考 文 獻(xiàn)

1Maloney D P,O′Kuma T L,Hieggelke C J,et al.Surveying students′ conceptual knowledge of electricity and magnetism.American Journal of Physics,2001,69(S1):S12～S23

2Singh C.Student understanding of symmetry and Gauss′s law of electricity.American journal of physics,2006,74(10):923～936

39 Isvan Z,Singh C.Improving Student Understanding of Coulomb's Law and Gauss′s Law//2006 Physics Education Research Conference.AIP Publishing,2007,883(1):181～184

48 Bilak J,Singh C.Improving Students′ Conceptual Understanding of Conductors and Insulators.Physics Education Research Conference,2007,951

57 J.Li,Improving Students′ Understanding of Electricity and Magnetism,Ph.D.,University of Pittsburgh,2012

6http://www.per-central.org/filingcabinet/share.cfm?FID=33190&code=6B3429446B

Physics Coaching Curriculum on Changing

Students Misconceptions Effectively

——Tutorials at the University of Pittsburgh

Yang XiaodiZhangYanZhang Ping

(Department of Physics,Beijing Normal University,Beijing100875)

Abstract:This paper introduces a new form of recitation at the University of Pittsburgh - Tutorials in Introductory Physics, where students cooperate and discuss in groups. The research-based tutorials are effective to minimize students’ stubborn misconceptions and to expand their understanding of physics.

Key words:recitation;tutorials;misconceptions;cooperative learning