張 玲 黃致新

(華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430079)

肖瀟雨

(華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430079；重慶市八中宏帆初級(jí)中學(xué) 重慶 400030)

近年來(lái)，基于模型的探究式教學(xué)正在成為科學(xué)教學(xué)的一種新范式，其中，心智模型作為重要的理論框架得到廣泛關(guān)注[1].2012年，美國(guó)明確將心智模型寫(xiě)入課程文件,用于指導(dǎo)修訂新一輪科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[2].目前國(guó)內(nèi)教育研究領(lǐng)域?qū)χ袑W(xué)生心智模型的研究整體較少，尤其物理學(xué)科，因此，有必要開(kāi)展相應(yīng)的研究工作.

然而，心智模型有著內(nèi)隱的認(rèn)知結(jié)構(gòu)特質(zhì)，這使得人們只能通過(guò)學(xué)習(xí)者的外在表現(xiàn)間接推知其心智模型發(fā)展情況.這種特質(zhì)和SOLO分類(lèi)理論的評(píng)價(jià)體系是相聯(lián)系的：SOLO分類(lèi)理論最初由比格斯(J. B. Biggs)在皮亞杰發(fā)展階段理論的基礎(chǔ)上提出.該理論指出，一個(gè)人的總體認(rèn)知結(jié)構(gòu)是不可測(cè)的，而當(dāng)一個(gè)人回答某個(gè)問(wèn)題時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)構(gòu)卻是可測(cè)的[3]，在此理論基礎(chǔ)上，按照T.W. Smith的建議[4]，將5個(gè)SOLO層次劃分為淺層學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)兩種水平，前結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)與淺層學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)，關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和抽象擴(kuò)展結(jié)構(gòu)則與深度學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng). 由此，我們可以根據(jù)學(xué)生在某個(gè)具體問(wèn)題所表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)構(gòu)所具有的一致性來(lái)對(duì)心智模型做等級(jí)劃分，建立學(xué)生心智模型與SOLO分類(lèi)層次的聯(lián)系，進(jìn)而開(kāi)展促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的研究，探索科學(xué)教育的新范式,實(shí)現(xiàn)高效教學(xué).

本研究以靜電場(chǎng)為例，具體關(guān)注：學(xué)生有關(guān)靜電場(chǎng)的學(xué)習(xí)中構(gòu)建了哪些心智模型?如何使用SOLO分類(lèi)理論評(píng)價(jià)其科學(xué)化程度?靜電場(chǎng)心智模型的構(gòu)建結(jié)果反映了學(xué)生怎樣的學(xué)習(xí)困難與教學(xué)問(wèn)題？

1 靜電場(chǎng)知識(shí)的心智模型調(diào)查

1.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為W市A中學(xué)、B中學(xué)和C中學(xué)383位高二、高三年級(jí)學(xué)生.為了樣本更具代表，進(jìn)行抽樣的3所學(xué)校層次各異.

1.2 研究方法

本研究參考了目前廣泛應(yīng)用的電磁學(xué)概念測(cè)試卷CSEM和BEMA，編制并使用高中生電學(xué)靜電場(chǎng)概念調(diào)查問(wèn)卷以深入探查高中生有關(guān)靜電場(chǎng)部分物理學(xué)習(xí)的心智模型.結(jié)合個(gè)案訪談，采用質(zhì)性和量化結(jié)合的研究方法進(jìn)行心智模型調(diào)查研究.

問(wèn)卷將靜電場(chǎng)的測(cè)試內(nèi)容劃分為電荷、電場(chǎng)、電場(chǎng)力、靜電平衡、電勢(shì)差5個(gè)維度，在量表改進(jìn)過(guò)程中根據(jù)專家與高級(jí)物理教師的建議對(duì)問(wèn)卷進(jìn)行修訂,最終確定題目由13道選擇題組成，其克倫巴赫系數(shù)為0.790，具有較高信度.

2 心智模型調(diào)查結(jié)果

學(xué)生心智模型從類(lèi)別上可劃分為科學(xué)心智模型和非科學(xué)心智模型.科學(xué)心智模型即專家把科學(xué)概念按照普適化的規(guī)則轉(zhuǎn)化為外界存在的概念模型，對(duì)高中物理來(lái)說(shuō)就是課堂中及課本上所闡述的物理概念、物理推理等.與之相對(duì)的則是非科學(xué)心智模型.根據(jù)問(wèn)卷作答結(jié)果，靜電場(chǎng)知識(shí)的心智模型如表1所示，其中非科學(xué)的心智模型用“”表示區(qū)別.

值得一提的是，學(xué)生有時(shí)錯(cuò)選并不是因?yàn)檫x擇了非科學(xué)心智模型，而是由于不當(dāng)應(yīng)用科學(xué)心智模型，這在下文被稱作“不完備的心智模型”.

表1 學(xué)生靜電場(chǎng)知識(shí)的心智模型調(diào)查結(jié)果

3 基于心智模型的深度學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

3.1 心智模型的分析過(guò)程

以考查靜電平衡概念的題為例，介紹分析過(guò)程.(注：例1和例2選項(xiàng)相同)

【例1】空心金屬球?yàn)殡娭行?無(wú)多余電荷)突然將少量負(fù)電荷放置在該金屬球上P點(diǎn)處.如果在幾秒鐘后查看這些多余負(fù)電荷，下列情況中可能發(fā)生的一項(xiàng)是( )

【例2】絕緣空心球?yàn)殡娭行?無(wú)多余電荷)突然將少量負(fù)電荷放置在該空心球上P點(diǎn)處.如果在幾秒鐘后查看這些多余負(fù)電荷，下列情況中可能發(fā)生的一項(xiàng)是( )

A.所有的多余電荷仍分布在P點(diǎn)附近

B.多余的電荷已均勻分布在球體的外表面上

C.多余的電荷已均勻分布在球體內(nèi)、外表面上

D.大部分電荷仍在點(diǎn)P處，但剩余的多余電荷會(huì)擴(kuò)散到球體上

E.這些多余的電荷已不存在

依據(jù)學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查的答案選項(xiàng),結(jié)合訪談得出學(xué)生的心智模型，如表2和表3所示.

表2 例1心智模型

表3 例2心智模型

例1和例2作為“姊妹”題考查學(xué)生對(duì)靜電平衡和導(dǎo)體、絕緣體的知識(shí)理解.

由表2和表3可知，不同學(xué)生選擇相同的選項(xiàng)可能會(huì)構(gòu)建出不同的心智模型.對(duì)選擇例1中選項(xiàng)C的學(xué)生訪談，發(fā)現(xiàn)其思維過(guò)程：電荷放在導(dǎo)體上→引用靜電平衡電荷均勻分布結(jié)論→電荷在內(nèi)外表面均可分布，顯示了對(duì)靜電平衡模型的不完備使用，類(lèi)似的還有例2的選項(xiàng)C；對(duì)例2中選項(xiàng)B，訪談發(fā)現(xiàn)學(xué)生的思維則是：電荷放在絕緣體上→靜電平衡電荷均勻分布結(jié)論，完全忽略介質(zhì)導(dǎo)體/絕緣體的影響.與此相反，部分學(xué)生顯示出獨(dú)立構(gòu)建靜電平衡模型的能力，采用了電場(chǎng)動(dòng)態(tài)疊加模型：電荷放在導(dǎo)體上→電場(chǎng)疊加→電荷受電場(chǎng)力作用，然而，由于對(duì)導(dǎo)體模型的認(rèn)識(shí)差異，帶來(lái)解決例1時(shí)，選擇正確選項(xiàng)B和錯(cuò)誤選項(xiàng)C的區(qū)別.例1和例2考查的另外一個(gè)重點(diǎn)是導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別.一些學(xué)生意識(shí)到多余電荷之間的作用力與反作用力會(huì)導(dǎo)致其相互分離，卻不知道電荷在介質(zhì)中如何運(yùn)動(dòng)，或者忽略了介質(zhì)的影響，或者使用了不完備的導(dǎo)體、絕緣體模型，從而選擇兩題中的選項(xiàng)A和選項(xiàng)D.最后指出，還有很少的學(xué)生概念模糊，無(wú)法正確使用電荷守恒模型.

3.2 心智模型的評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

筆者試圖將學(xué)生在解決問(wèn)題過(guò)程中的思維結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化表征，通過(guò)學(xué)生對(duì)具體問(wèn)題的假設(shè)解釋來(lái)探究其認(rèn)知結(jié)構(gòu)水平.具體方法是采用SOLO分類(lèi)理論評(píng)價(jià)心智模型，并根據(jù)T.W. Smith的建議，分析本文研究對(duì)象的深度學(xué)習(xí)等級(jí).

在SOLO分類(lèi)理論的評(píng)價(jià)方法中，需結(jié)合題目線索和學(xué)生思維進(jìn)行分析和編碼.參考《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》，把靜電場(chǎng)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行匯總，作為SOLO分類(lèi)理論的核心關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)象.考慮到某些知識(shí)點(diǎn)是更基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)推導(dǎo)出來(lái)的二級(jí)結(jié)論，用Zfi表示涉及的基本知識(shí)點(diǎn)，其中f代表基礎(chǔ)(fundamental)，Zdi表示已經(jīng)關(guān)聯(lián)過(guò)的結(jié)論性的知識(shí)點(diǎn)，其中d代表推論(deduction)；而將題目的相關(guān)條件作為輔助關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)象，其中顯性條件用Xi表示，而題目未給出的相關(guān)條件或假設(shè)(隱性條件)用Yi表示；用“→”表示對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)，具體的關(guān)聯(lián)素材編碼如表4所示.

表4 SOLO分類(lèi)對(duì)象的素材編碼

根據(jù)不同對(duì)象間的關(guān)聯(lián)程度，劃分學(xué)生部分心智模型的思維結(jié)構(gòu)層次如表5所示.在前結(jié)構(gòu)層次上，學(xué)生不能將素材對(duì)象Xi與調(diào)用對(duì)象Zi(代指Zfi和Zdi)、Yi建立聯(lián)系或者建立了錯(cuò)誤聯(lián)系.單點(diǎn)結(jié)構(gòu)只是將Xi與Zi單一聯(lián)系.多點(diǎn)結(jié)構(gòu)則將Xi與Zi多點(diǎn)機(jī)械式聯(lián)系．關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)則是把Xi和Zi復(fù)合聯(lián)系在一起進(jìn)而形成一個(gè)概念體系．而抽象拓展結(jié)構(gòu)層次則是把Xi，Yi，Zi復(fù)合聯(lián)系起來(lái)并進(jìn)一步綜合其間關(guān)系.

表5 SOLO層次統(tǒng)計(jì)概況及心智模型劃分

續(xù)表5

從表5可以看出，隨著調(diào)用對(duì)象的增多以及關(guān)聯(lián)的復(fù)雜化，學(xué)生的SOLO層次也逐漸提高，實(shí)現(xiàn)了由淺層學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)的過(guò)渡.從表中無(wú)模型到最終的靜電平衡模型的圖示,能直觀知道學(xué)生采用某種心智模型時(shí)所對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)水平以及達(dá)到抽象擴(kuò)展結(jié)構(gòu)所欠缺的因素：調(diào)用對(duì)象和橋接方式，這些因素往往是教師不易察覺(jué)而對(duì)學(xué)生十分重要的.

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

沿用例1和例2的研究方法，針對(duì)靜電場(chǎng)13道題目學(xué)生構(gòu)建的心智模型進(jìn)行可視化表征，統(tǒng)計(jì)了SOLO層次、學(xué)習(xí)水平和該題學(xué)生占比3個(gè)維度的研究數(shù)據(jù). 考查非科學(xué)心智模型以探究影響學(xué)生科學(xué)化建模學(xué)習(xí)的因素，摘選其中7種的深度學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)如表6所示.

表6 非科學(xué)心智模型的深度學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

續(xù)表6

分析發(fā)現(xiàn)：非科學(xué)心智模型基本都處于淺層學(xué)習(xí)水平，反應(yīng)了靜電場(chǎng)對(duì)于學(xué)生而言，在前結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)建科學(xué)心智模型是困難的；同時(shí)，他們對(duì)應(yīng)的SOLO層次處于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)結(jié)構(gòu)階段，這意味著結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，當(dāng)有新的認(rèn)知沖突發(fā)生時(shí)，學(xué)生很容易又構(gòu)建新的心智模型，難以保持一致性.其中有3種心智模型占比突出值得關(guān)注，分別是“抽象介質(zhì)模型”(35.4%)、“電勢(shì)差絕對(duì)值模型”(25.2%)和“距離模型”(24.5%).前者導(dǎo)致學(xué)生在分析靜電平衡這種涉及電荷運(yùn)動(dòng)的題目時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，往往不是因?yàn)闆](méi)有掌握電場(chǎng)相關(guān)的知識(shí)，而是因?yàn)闆](méi)有建立電荷在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的微觀圖像；后兩者則顯示了學(xué)生對(duì)靜電場(chǎng)章節(jié)知識(shí)進(jìn)行抽象綜合時(shí)的能力不足，缺乏對(duì)“電場(chǎng)”的認(rèn)識(shí)，容易將電勢(shì)理解為兩點(diǎn)間增加量，或是將距離與能量消耗的概念遷移進(jìn)行非科學(xué)心智模型構(gòu)建[5,6].

4 研究結(jié)論及建議

通過(guò)以上調(diào)查研究的結(jié)果分析，并結(jié)合我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中的反饋信息和實(shí)踐效果，得出以下結(jié)論和建議：

(1)大多數(shù)學(xué)生構(gòu)建的心智模型處于淺層學(xué)習(xí)的水平,表明學(xué)生通過(guò)現(xiàn)有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)來(lái)發(fā)展科學(xué)的靜電場(chǎng)心智模型存在困難.一方面電場(chǎng)、電勢(shì)、介質(zhì)等概念對(duì)于初學(xué)者而言是抽象、全新的，很難通過(guò)遷移、類(lèi)比構(gòu)建知識(shí)框架；另一方面，教師已經(jīng)熟悉物理語(yǔ)言而容易忽視自己與學(xué)生認(rèn)知水平的差異，難以把握重難點(diǎn).特別地，本文發(fā)現(xiàn)3種心智模型：“抽象介質(zhì)模型”“電勢(shì)差絕對(duì)值模型”和“距離模型”在靜電場(chǎng)的教學(xué)中需要特別重視.

(2)不同層次的心智模型可以用來(lái)解決相同試題.比如例2的正確答案選項(xiàng)A，采用“作用力與反作用力模型+絕緣體模型”是正確的解答方法，達(dá)到了SOLO分類(lèi)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的層次，屬于深層學(xué)習(xí)等級(jí)；但是同樣可以采用“抽象介質(zhì)模型”把介質(zhì)的絕緣體屬性抽象為一種題目條件而不加以理解物理內(nèi)涵，即“絕緣體中電荷不能移動(dòng)”，也能得出正確答案，但后者只屬于多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的淺層學(xué)習(xí)水平.傳統(tǒng)賦分法很難克服這種局限性，甚至帶來(lái)教學(xué)活動(dòng)中對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)層次的誤判，而SOLO分類(lèi)評(píng)價(jià)理論則能直觀看到思維的結(jié)構(gòu)層次，為我們提供了一個(gè)可行的改進(jìn)方案.

(3)心智模型的構(gòu)建是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過(guò)程，學(xué)生不會(huì)機(jī)械式被動(dòng)地接收外界輸送的信息，而是要經(jīng)歷一個(gè)認(rèn)知偏差、主動(dòng)矯正的過(guò)程.在這個(gè)過(guò)程中，或者由于關(guān)鍵知識(shí)要素的丟失，或者由于矯正過(guò)程的學(xué)生偏好，或者由于模型重構(gòu)時(shí)客觀存在的多種可能，造成多樣的心智模型的出現(xiàn).比如：“電荷量幾何疊加模型”丟失了電場(chǎng)的矢量性；“抽象介質(zhì)模型”選擇將導(dǎo)體/絕緣體當(dāng)作導(dǎo)電/不導(dǎo)電的題目條件進(jìn)行簡(jiǎn)單處理；“電場(chǎng)自作用模型”認(rèn)為點(diǎn)電荷激發(fā)的場(chǎng)也會(huì)對(duì)自身產(chǎn)生作用，這雖然不被場(chǎng)的觀點(diǎn)排斥，但卻不是真實(shí)的電磁場(chǎng)遵循的物理規(guī)律.如何對(duì)學(xué)生的這種主動(dòng)性加以引導(dǎo)以完成科學(xué)的模型構(gòu)建，需要更進(jìn)一步的研究.

在科學(xué)建模教學(xué)中，對(duì)學(xué)生的心智模型采用SOLO分類(lèi)方法進(jìn)行深度學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，分析模型建構(gòu)過(guò)程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從而進(jìn)行反饋指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)高效教學(xué)，本文或許可以作為一個(gè)參考.