湯 莉 王永紅 唐心懿 陶學(xué)艷 方 偉

(上海師范大學(xué)物理系 上海 200234) (上海師范大學(xué)物理系 上海 200234;上海市星系和宇宙學(xué)半解析研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200234)

1 前言

物理概念是客觀事實(shí)的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人腦中的反映，是物理事實(shí)的抽象.它是整個(gè)物理學(xué)知識體系的基石，是學(xué)生學(xué)好物理的關(guān)鍵，但學(xué)生形成、理解和掌握物理概念是一個(gè)復(fù)雜的認(rèn)識過程[1].從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)的觀點(diǎn)來看，新知識是在已有的知識基礎(chǔ)上建構(gòu)成的，最初的知識便是影響學(xué)習(xí)的因素.離開對新舊經(jīng)驗(yàn)之間沖突的調(diào)整，學(xué)生便無法使新知識真正與已有知識經(jīng)驗(yàn)一體化.近年來，建構(gòu)主義在世界范圍內(nèi)逐漸成為研究物理學(xué)習(xí)和指導(dǎo)物理教學(xué)的主導(dǎo)性理論，這一理論在物理教學(xué)中最直接的體現(xiàn)就是為“概念轉(zhuǎn)變而教”[2].

熱與溫度概念在各個(gè)層次的科學(xué)課程中普遍存在，但在教學(xué)過程中，教師們都會陷入一種困境：即使已對學(xué)生進(jìn)行了概念教學(xué)，且中學(xué)物理教材熱學(xué)部分也對熱量與溫度等相關(guān)概念進(jìn)行了比較科學(xué)的定義與解釋，但在實(shí)際中學(xué)生對這幾個(gè)概念的理解仍極易混淆，很多學(xué)者從熱與溫度的聯(lián)系與區(qū)別的角度出發(fā)進(jìn)行了探討[3].基于日常生活經(jīng)驗(yàn)對物理世界形成的基本理解與信念，被稱為是“前概念”，這些來自生活經(jīng)驗(yàn)的理解與科學(xué)概念往往不一致，稱為“相異概念”.學(xué)生的“相異概念”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱茖W(xué)概念”的過程就是概念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí).研究者通過實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的教學(xué)模式對學(xué)生相異概念的轉(zhuǎn)變作用影響甚微[4].針對這一情況，評估學(xué)生對熱與溫度概念的認(rèn)識，在課堂中形成新的課程與教學(xué)方法，顯得尤為重要.

由俄勒岡大學(xué)(University of Oregon)和馬里蘭大學(xué)(University of Maryland)的Pat Cooney，Karen Cummings，Priscilla Laws，David Sokoloff，Ron Thornton與Edward F. Redish等6名研究人員組成的ABP(Activity-Based Physics)物理教學(xué)研討小組，推出了針對不同物理知識版塊的量表來幫助教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，便于物理教師改進(jìn)教學(xué)方式，定量檢測教學(xué)效果，如力和運(yùn)動(dòng)概念評估(Force and Motion Conceptual Evaluation，F(xiàn)MCE)，矢量評估測試(Vector Evaluation Test，VET)，以及本文要介紹的熱與溫度概念評估量表(Heat and Temperature Conceptual Evaluation，HTCE)[5].

熱與溫度概念評估(HTCE)由David Sokoloff和Ron Thornton于2001年共同研發(fā)，目的是為了評估學(xué)生對熱與溫度概念的掌握程度，量表測試時(shí)間約需40 min，通常還需要結(jié)合訪談.量表評估的對象設(shè)計(jì)為本科生，但由于題目分為8個(gè)知識版塊，對于國內(nèi)實(shí)際情況，經(jīng)過適當(dāng)刪減，也能用于初高中學(xué)生.量表的難度系數(shù)約為0.57，平均區(qū)分度高于0.3，效度都經(jīng)專家審核認(rèn)證，說明HTCE量表是一種有效且可靠的測量工具，能反映出學(xué)生真實(shí)的水平差異，可用于前測與后測[6].目前，國內(nèi)對熱與溫度概念評估量表(HTCE)的研究還未見文獻(xiàn)，本文將就HTCE量表進(jìn)行詳細(xì)剖析，概述近年來的研究進(jìn)展，希望能為讀者研究熱相關(guān)教學(xué)介紹一份測量工具,方便國內(nèi)學(xué)者利用此量表進(jìn)行教學(xué)研究.另外，本文作者研究團(tuán)隊(duì)翻譯了該量表的中文版，并被采納[13].

2 熱與溫度概念評估(HTCE)的內(nèi)容分析

HTCE量表共包含28道題目，其中單選題27道，另有一道作圖題.測試的過程大約需要40 min，測試后還需結(jié)合訪談[6]，該量表涵蓋8個(gè)主題：(1)熱與溫度；(2)冷卻速率；(3)量熱法；(4)傳熱速率；(5)感知熱的能力；(6)比熱容；(7)相變；(8)導(dǎo)熱性，這些題目呈現(xiàn)的是生活中常見的情景，非正確選項(xiàng)的設(shè)置并不隨意，包括很多學(xué)生常有的錯(cuò)誤概念，具體版塊如表1所示[7].

表1 HTCE“概念領(lǐng)域”表

2.1 熱與溫度部分

第1～4題，題目設(shè)定兩個(gè)相同的水杯A和B.各題中兩水杯所含液體量不同，所處環(huán)境也不同，為學(xué)生提供4種情景并提問哪個(gè)水杯中熱能的傳遞更多(圖1).

通過對水的質(zhì)量、初溫、所處環(huán)境等方面的改變，利用控制變量法，以溫度的改變量比較熱能轉(zhuǎn)移的大小，將熱與溫度進(jìn)行了聯(lián)系，旨在考查學(xué)生對熱與溫度這一概念的理解情況，以及是否掌握了影響熱能大小的因素等.從國外已有的研究報(bào)告數(shù)據(jù)看來，此版塊的正確率較高，這表明多數(shù)學(xué)生對熱與溫度知識方面掌握情況處于較好水平，但仍有少數(shù)學(xué)生不能區(qū)分溫度和熱量[8].

圖1 熱與溫度部分考查的題目圖示

2.2 冷卻速率部分

冷卻速率的考查分布在第5～7題，給定A和B兩個(gè)相同的水杯，杯中所有液體的容量與溫度均不同，放置于室溫一致的環(huán)境內(nèi)冷卻，讓學(xué)生回答哪一個(gè)水杯的冷卻速度是一開始處于最快的，哪個(gè)水杯又是先達(dá)到最終冷卻溫度的，并指出冷卻速率的曲線圖像(圖2).

圖2 冷卻速率題目圖示

此版塊設(shè)置了3個(gè)考題且難度逐級遞增，不僅直接對學(xué)生進(jìn)行了冷卻速率的考查，還涉及冷卻過程中隨時(shí)間變化的溫度曲線.而在國外已有研究中，學(xué)生對此題的解答正確率較低，表明學(xué)生對于冷卻速率概念的理解程度較低.

2.3 量熱法部分

此版塊的考查出現(xiàn)在第8和第9題，題目中呈現(xiàn)一個(gè)隔熱的容器，即無熱量的轉(zhuǎn)移.將水杯A和B中一冷一熱的液體，倒入隔熱容器中混合.兩道題目的區(qū)分點(diǎn)在于第9題中熱水的質(zhì)量翻了一倍，讓學(xué)生選擇混合后的液體溫度位于哪段區(qū)間，答案設(shè)置了7個(gè)詳細(xì)劃分的溫度區(qū)間.

將冷熱液體進(jìn)行混合，在沒有溫度計(jì)的情況下讓學(xué)生感知混合液體的溫度并進(jìn)行量熱，充分考查了學(xué)生對熱的感知與計(jì)量能力.從國外已有的研究報(bào)告數(shù)據(jù)看來，此類題目的解答正確率較高，學(xué)生對量熱概念的理解能力較好.

2.4 傳熱速率部分

第10和第11題為傳熱速率考查版塊，兩個(gè)相同的水杯A和B有同樣多的水，杯中均放置一個(gè)加熱器.設(shè)定A杯中的液體為45 ℃，B杯中為35 ℃.將它倆放置在室溫為25 ℃的環(huán)境中，為維持杯中液體的溫度，加熱器一直處于工作狀態(tài).先讓學(xué)生比較A杯和B杯的加熱速率，判斷孰大孰小.后將B杯從設(shè)定中刪去，留下A杯假設(shè)分別放置在5 ℃的室外與25 ℃的室內(nèi)這兩個(gè)環(huán)境里，再讓學(xué)生判斷A杯在室內(nèi)外的熱量傳遞速率孰大孰小(圖3).

此版塊通常為整個(gè)測試中學(xué)生錯(cuò)誤率最高的部分.事實(shí)上，傳熱速率概念和冷卻速率的概念有異曲同工之處，而傳熱與冷卻是生活中常見的熱現(xiàn)象，因此錯(cuò)誤率極高可能是受到生活中錯(cuò)誤經(jīng)驗(yàn)的影響.可見還需教師為“概念轉(zhuǎn)變而教”，以消除學(xué)生頭腦內(nèi)的錯(cuò)誤概念并建立正確概念.

據(jù)國防大學(xué)研究成果：我國各領(lǐng)域的軍民融合度僅30%左右，尚有巨大潛力可挖掘。應(yīng)深刻理解生產(chǎn)力和戰(zhàn)斗力、市場和戰(zhàn)場的內(nèi)在聯(lián)系，使軍民融合真正落地。改革低效的國有軍工體系，推動(dòng)設(shè)施與信息等資源共享，人才與機(jī)制各要素深度融合，既發(fā)揮軍民統(tǒng)領(lǐng)的制度優(yōu)勢，又發(fā)揮市場競爭環(huán)境的活力，抓住全球化帶來的機(jī)遇，推動(dòng)科技自主創(chuàng)新。

圖3 傳熱速率題目圖示

2.5 感知熱的能力部分

第12～15題，以棉花、木頭、金屬材料為例.前兩道題目是將三者長時(shí)間的放在低溫室外，試問哪個(gè)物體摸起來觸感最寒冷？哪個(gè)物體的溫度又是最低的？后兩道題是將三者放入90 ℃的烤箱內(nèi)進(jìn)行加熱，試問哪個(gè)物體的觸感是最熱的？哪個(gè)物體的溫度應(yīng)該最高？從整體而言，此版塊的題干簡潔、無需圖示，從已有的研究報(bào)告看來正確率也是頗高.對學(xué)生感知熱的能力的考查，實(shí)際上也是對物體傳熱能力概念的一種判斷.

2.6 比熱容部分

比熱容的考查在第16～19題，比熱容作為一個(gè)基本的概念，學(xué)生在初、高中及大學(xué)的學(xué)習(xí)里都有密切接觸.16題中，在一裝有水且絕熱的水杯內(nèi)放置加熱器，一開始水溫與室溫一致.加熱后，水溫處于上升狀態(tài)但未達(dá)沸騰，設(shè)熱量以恒定速率傳遞到杯中，問熱量傳遞時(shí)水的溫度隨時(shí)間變化的曲線是怎樣的.答案設(shè)置了6個(gè)不同形狀的溫度曲線.17～19題依次改變16題中的一個(gè)條件，再與16題進(jìn)行溫度升高大小的比較，條件分別是：水質(zhì)量相同熱量轉(zhuǎn)移了兩倍、一半質(zhì)量的水和相同的熱量轉(zhuǎn)移、質(zhì)量相同熱量轉(zhuǎn)移也相同,但液體被更換為比熱容僅為水的一半的物質(zhì).

可見，基于比熱容概念的難理解程度，題目的設(shè)置十分詳細(xì).從已有研究報(bào)告而言，4個(gè)題目的正確率不算太高，究其原因是對基礎(chǔ)概念的錯(cuò)誤理解，如傳熱速率概念等.

2.7 相變部分

對相變的考查集中在第20～25題中，是量表中題目數(shù)量最多的部分.在完全隔熱的水杯中放入質(zhì)量均為50 g的冰和水，最初杯內(nèi)溫度處于0 ℃，室溫為25 ℃.在杯中放置加熱器，對混合物一直進(jìn)行攪拌，熱以穩(wěn)定的速率傳遞.以此選出冰正在融化但還未全融、冰已經(jīng)全部融化、冰完全融化了但液體還未沸騰與液體已經(jīng)沸騰的4種情形下的溫度變化曲線.另有一題則是詢問3壺開水，分別是劇烈沸騰、沸騰許久、微弱沸騰3種情形，問哪一壺的溫度是最低的，或者你是否認(rèn)為它們的溫度相同.

相變過程較為復(fù)雜，此部分錯(cuò)誤率很高.多數(shù)學(xué)生表示不理解這段時(shí)間內(nèi)溫度變化的概念，一些學(xué)生認(rèn)為冰在融化、水在沸騰時(shí)，溫度會改變，能量用來改變溫度，這也表明學(xué)生對相變概念的理解情況不盡人意.

2.8 導(dǎo)熱性部分

最后，導(dǎo)熱性能相對應(yīng)的題目是第26～28題.題目給出6根完全相同且側(cè)面隔熱的金屬桿，它們兩端的溫度差異不同(圖4)，試問哪一根金屬桿熱流動(dòng)的速率是最慢、哪一根金屬桿又是最快、哪一根桿熱流動(dòng)速率與桿A相同，或它們的速率都一樣.學(xué)生解答這一部分的正確率是比較高的，整體情況較好，少數(shù)學(xué)生不能選出正確答案甚至認(rèn)為它們材料相同熱流動(dòng)速率也是相同的.

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)題目圖示

3 國內(nèi)外研究狀況

HTCE量表的研發(fā)歷經(jīng)數(shù)年，早期研究主要集中在對學(xué)生關(guān)于熱與溫度的理解和認(rèn)識，Lewis等人于1994年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)人將知識孤立成“學(xué)校知識”和“日常知識”，持有許多不正確的直覺觀念[1].1995年Thomaz等人的研究表明，對熱與溫度概念的錯(cuò)誤認(rèn)識表現(xiàn)在5個(gè)方面：

(2)不能區(qū)分溫度與熱量，認(rèn)為溫度是熱量的量度.

(3)將對物體的體感知覺與溫度混淆，認(rèn)為不同的體感對應(yīng)不同的溫度.

(4)認(rèn)為加熱總能導(dǎo)致物體的溫度升高，不認(rèn)為物質(zhì)兩相轉(zhuǎn)變過程中的溫度是物質(zhì)的一個(gè)特性.

(5)對加熱過程中的相變溫度認(rèn)識存在錯(cuò)誤理解等[14,15].盡管該結(jié)論是對小學(xué)生調(diào)研后得到的，但其大部分觀點(diǎn)也為諸多未學(xué)過科學(xué)的大眾所持有.

在此研究基礎(chǔ)上，Thorton與Sokoloff于2001年共同研制了本文所述的量表——HTCE，為研究學(xué)生對熱與溫度概念的理解提供了一個(gè)有力的測量工具.而同年Shelley Yeo和Marjan Zadik在對已有文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)之后，設(shè)計(jì)了熱力學(xué)概念測試題，簡稱為TCE[10].2006年有研究提出另外一份類似的問卷HTCT[11](Heat and Temperature Concepts Test) ，在該文中，作者列出了19個(gè)常見的學(xué)生所持有的有關(guān)熱與溫度的迷思概念，除了前面提到的5點(diǎn)外，還有諸如：兩液體混合，末溫為混合前兩液體溫度之和；相同環(huán)境下，液體溫度比固體低；溫度依賴于物質(zhì)的量的多少，等等.不過HTCT的應(yīng)用性沒有HTCE廣泛.總體來說，TCE與HTCE屬同一范疇，考查內(nèi)容大致相同，但各有千秋.如TCE比較關(guān)注學(xué)生有關(guān)熱與溫度的日常經(jīng)驗(yàn)，而HTCE有3個(gè)問題考查了溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系圖，而TCE則沒有這方面的圖.HTCE量表在國外多所大學(xué)超過1 000名學(xué)生中進(jìn)行過測試，信效度較好，且應(yīng)用研究還在持續(xù)增長中[4, 7, 9, 12,16].

關(guān)于物理教學(xué)中學(xué)生的“相異概念”以及轉(zhuǎn)變的研究，我國主要集中在力學(xué)和電磁學(xué)部分，對于熱學(xué)相異概念方面的研究很少[9].由此HTCE量表在我國對熱與溫度概念的研究方面有極大的運(yùn)用空間，利用HTCE考查我國學(xué)生在學(xué)習(xí)熱與溫度概念的情況，通過對相異概念的特點(diǎn)和形成過程分析，找出學(xué)生學(xué)習(xí)困難的原因，可更好地促進(jìn)學(xué)生此方面知識的掌握，提出相應(yīng)的教學(xué)方法及策略.

4 教學(xué)實(shí)驗(yàn)與啟發(fā)

我們在2020年春季學(xué)期伊始利用HTCE中文版問卷在《熱學(xué)》課程上對本校2019級物理系本科生(物理學(xué)師范51人，應(yīng)用物理學(xué)55人)進(jìn)行過測試，其結(jié)果如圖5所示.

為了比較，我們列出施測對象為國外大學(xué)物理系或理工科學(xué)生的結(jié)果(圖6)，圖6(a)和圖6(b)分別摘自文獻(xiàn)[12]和[7].從圖可以簡單地得出兩點(diǎn)結(jié)論：一是國內(nèi)學(xué)生平均得分要高于國外學(xué)生，二是盡管8個(gè)版塊得分有所差異，但正確率的趨勢比較類似，特別是最高分和最低分所在版塊沒有差異，這說明關(guān)于熱與溫度的迷思概念，在國內(nèi)外的學(xué)生中具有相通性.當(dāng)然，這個(gè)數(shù)據(jù)的樣本只來源于個(gè)別學(xué)校的學(xué)生，只能管中窺豹，不具廣泛的代表性.

圖5 筆者2020年春季學(xué)習(xí)的測試結(jié)果

圖6 國外某校的測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一個(gè)熱與溫度概念評估的量表：HTCE，并對其近年來的研究作了綜述，簡單敘述了其與類似量表(TCE，HTCT)的異同，并將筆者課上的初測結(jié)果與國外的結(jié)果進(jìn)行了簡單的比較.后續(xù)需要結(jié)合課堂教學(xué)模式的改革，基于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的前后測試結(jié)果，進(jìn)行更細(xì)致的數(shù)據(jù)分析和研究.

筆者關(guān)于熱與溫度概念評估量表的介紹以及分析和研究，其目的是充分了解學(xué)生對熱與溫度、比熱容及相變等相關(guān)概念理解掌握的程度，從而發(fā)現(xiàn)問題，以此為準(zhǔn)制定更合適和有效的教學(xué)計(jì)劃，在教學(xué)過程中更有針對性地強(qiáng)調(diào)熱與溫度、比熱容及相變等相關(guān)概念的區(qū)別和聯(lián)系，促使學(xué)生突破難點(diǎn)，收到更好的教學(xué)效果.