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)
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].
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
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
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.
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.
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
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.
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.
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.
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
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.
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
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.