張 玲 黃致新

(華中師范大學物理科學與技術學院 湖北 武漢 430079)

肖瀟雨

(華中師范大學物理科學與技術學院 湖北 武漢 430079；重慶市八中宏帆初級中學 重慶 400030)

近年來，基于模型的探究式教學正在成為科學教學的一種新范式，其中，心智模型作為重要的理論框架得到廣泛關注[1].2012年，美國明確將心智模型寫入課程文件,用于指導修訂新一輪科學課程標準[2].目前國內(nèi)教育研究領域?qū)χ袑W生心智模型的研究整體較少，尤其物理學科，因此，有必要開展相應的研究工作.

然而，心智模型有著內(nèi)隱的認知結構特質(zhì)，這使得人們只能通過學習者的外在表現(xiàn)間接推知其心智模型發(fā)展情況.這種特質(zhì)和SOLO分類理論的評價體系是相聯(lián)系的：SOLO分類理論最初由比格斯(J. B. Biggs)在皮亞杰發(fā)展階段理論的基礎上提出.該理論指出，一個人的總體認知結構是不可測的，而當一個人回答某個問題時所表現(xiàn)出來的結構卻是可測的[3]，在此理論基礎上，按照T.W. Smith的建議[4]，將5個SOLO層次劃分為淺層學習和深度學習兩種水平，前結構、單點結構、多點結構與淺層學習對應，關聯(lián)結構和抽象擴展結構則與深度學習對應. 由此，我們可以根據(jù)學生在某個具體問題所表現(xiàn)出來的結構所具有的一致性來對心智模型做等級劃分，建立學生心智模型與SOLO分類層次的聯(lián)系，進而開展促進學生深度學習的研究，探索科學教育的新范式,實現(xiàn)高效教學.

本研究以靜電場為例，具體關注：學生有關靜電場的學習中構建了哪些心智模型?如何使用SOLO分類理論評價其科學化程度?靜電場心智模型的構建結果反映了學生怎樣的學習困難與教學問題？

1 靜電場知識的心智模型調(diào)查

1.1 研究對象

研究對象為W市A中學、B中學和C中學383位高二、高三年級學生.為了樣本更具代表，進行抽樣的3所學校層次各異.

1.2 研究方法

本研究參考了目前廣泛應用的電磁學概念測試卷CSEM和BEMA，編制并使用高中生電學靜電場概念調(diào)查問卷以深入探查高中生有關靜電場部分物理學習的心智模型.結合個案訪談，采用質(zhì)性和量化結合的研究方法進行心智模型調(diào)查研究.

問卷將靜電場的測試內(nèi)容劃分為電荷、電場、電場力、靜電平衡、電勢差5個維度，在量表改進過程中根據(jù)專家與高級物理教師的建議對問卷進行修訂,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)查結果

學生心智模型從類別上可劃分為科學心智模型和非科學心智模型.科學心智模型即專家把科學概念按照普適化的規(guī)則轉(zhuǎn)化為外界存在的概念模型，對高中物理來說就是課堂中及課本上所闡述的物理概念、物理推理等.與之相對的則是非科學心智模型.根據(jù)問卷作答結果，靜電場知識的心智模型如表1所示，其中非科學的心智模型用“”表示區(qū)別.

值得一提的是，學生有時錯選并不是因為選擇了非科學心智模型，而是由于不當應用科學心智模型，這在下文被稱作“不完備的心智模型”.

表1 學生靜電場知識的心智模型調(diào)查結果

3 基于心智模型的深度學習評價

3.1 心智模型的分析過程

以考查靜電平衡概念的題為例，介紹分析過程.(注：例1和例2選項相同)

【例1】空心金屬球為電中性(無多余電荷)突然將少量負電荷放置在該金屬球上P點處.如果在幾秒鐘后查看這些多余負電荷，下列情況中可能發(fā)生的一項是( )

【例2】絕緣空心球為電中性(無多余電荷)突然將少量負電荷放置在該空心球上P點處.如果在幾秒鐘后查看這些多余負電荷，下列情況中可能發(fā)生的一項是( )

A.所有的多余電荷仍分布在P點附近

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P處，但剩余的多余電荷會擴散到球體上

E.這些多余的電荷已不存在

依據(jù)學生問卷調(diào)查的答案選項,結合訪談得出學生的心智模型，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”題考查學生對靜電平衡和導體、絕緣體的知識理解.

由表2和表3可知，不同學生選擇相同的選項可能會構建出不同的心智模型.對選擇例1中選項C的學生訪談，發(fā)現(xiàn)其思維過程：電荷放在導體上→引用靜電平衡電荷均勻分布結論→電荷在內(nèi)外表面均可分布，顯示了對靜電平衡模型的不完備使用，類似的還有例2的選項C；對例2中選項B，訪談發(fā)現(xiàn)學生的思維則是：電荷放在絕緣體上→靜電平衡電荷均勻分布結論，完全忽略介質(zhì)導體/絕緣體的影響.與此相反，部分學生顯示出獨立構建靜電平衡模型的能力，采用了電場動態(tài)疊加模型：電荷放在導體上→電場疊加→電荷受電場力作用，然而，由于對導體模型的認識差異，帶來解決例1時，選擇正確選項B和錯誤選項C的區(qū)別.例1和例2考查的另外一個重點是導體和絕緣體的區(qū)別.一些學生意識到多余電荷之間的作用力與反作用力會導致其相互分離，卻不知道電荷在介質(zhì)中如何運動，或者忽略了介質(zhì)的影響，或者使用了不完備的導體、絕緣體模型，從而選擇兩題中的選項A和選項D.最后指出，還有很少的學生概念模糊，無法正確使用電荷守恒模型.

3.2 心智模型的評價設計

筆者試圖將學生在解決問題過程中的思維結構進行可視化表征，通過學生對具體問題的假設解釋來探究其認知結構水平.具體方法是采用SOLO分類理論評價心智模型，并根據(jù)T.W. Smith的建議，分析本文研究對象的深度學習等級.

在SOLO分類理論的評價方法中，需結合題目線索和學生思維進行分析和編碼.參考《普通高中物理課程標準(2017年版)》，把靜電場的知識點進行匯總，作為SOLO分類理論的核心關聯(lián)結構對象.考慮到某些知識點是更基礎知識點推導出來的二級結論，用Zfi表示涉及的基本知識點，其中f代表基礎(fundamental)，Zdi表示已經(jīng)關聯(lián)過的結論性的知識點，其中d代表推論(deduction)；而將題目的相關條件作為輔助關聯(lián)結構對象，其中顯性條件用Xi表示，而題目未給出的相關條件或假設(隱性條件)用Yi表示；用“→”表示對象之間的關聯(lián)，具體的關聯(lián)素材編碼如表4所示.

表4 SOLO分類對象的素材編碼

根據(jù)不同對象間的關聯(lián)程度，劃分學生部分心智模型的思維結構層次如表5所示.在前結構層次上，學生不能將素材對象Xi與調(diào)用對象Zi(代指Zfi和Zdi)、Yi建立聯(lián)系或者建立了錯誤聯(lián)系.單點結構只是將Xi與Zi單一聯(lián)系.多點結構則將Xi與Zi多點機械式聯(lián)系．關聯(lián)結構則是把Xi和Zi復合聯(lián)系在一起進而形成一個概念體系．而抽象拓展結構層次則是把Xi，Yi，Zi復合聯(lián)系起來并進一步綜合其間關系.

表5 SOLO層次統(tǒng)計概況及心智模型劃分

續(xù)表5

從表5可以看出，隨著調(diào)用對象的增多以及關聯(lián)的復雜化，學生的SOLO層次也逐漸提高，實現(xiàn)了由淺層學習到深度學習的過渡.從表中無模型到最終的靜電平衡模型的圖示,能直觀知道學生采用某種心智模型時所對應的學習水平以及達到抽象擴展結構所欠缺的因素：調(diào)用對象和橋接方式，這些因素往往是教師不易察覺而對學生十分重要的.

3.3 評價結果及分析

沿用例1和例2的研究方法，針對靜電場13道題目學生構建的心智模型進行可視化表征，統(tǒng)計了SOLO層次、學習水平和該題學生占比3個維度的研究數(shù)據(jù). 考查非科學心智模型以探究影響學生科學化建模學習的因素，摘選其中7種的深度學習評價如表6所示.

表6 非科學心智模型的深度學習評價

續(xù)表6

分析發(fā)現(xiàn)：非科學心智模型基本都處于淺層學習水平，反應了靜電場對于學生而言，在前結構基礎上構建科學心智模型是困難的；同時，他們對應的SOLO層次處于單點結構和多點結構階段，這意味著結構的不穩(wěn)定性，當有新的認知沖突發(fā)生時，學生很容易又構建新的心智模型，難以保持一致性.其中有3種心智模型占比突出值得關注，分別是“抽象介質(zhì)模型”(35.4%)、“電勢差絕對值模型”(25.2%)和“距離模型”(24.5%).前者導致學生在分析靜電平衡這種涉及電荷運動的題目時出現(xiàn)錯誤，往往不是因為沒有掌握電場相關的知識，而是因為沒有建立電荷在介質(zhì)中運動的微觀圖像；后兩者則顯示了學生對靜電場章節(jié)知識進行抽象綜合時的能力不足，缺乏對“電場”的認識，容易將電勢理解為兩點間增加量，或是將距離與能量消耗的概念遷移進行非科學心智模型構建[5,6].

4 研究結論及建議

通過以上調(diào)查研究的結果分析，并結合我們在教學實踐中的反饋信息和實踐效果，得出以下結論和建議：

(1)大多數(shù)學生構建的心智模型處于淺層學習的水平,表明學生通過現(xiàn)有的認知結構來發(fā)展科學的靜電場心智模型存在困難.一方面電場、電勢、介質(zhì)等概念對于初學者而言是抽象、全新的，很難通過遷移、類比構建知識框架；另一方面，教師已經(jīng)熟悉物理語言而容易忽視自己與學生認知水平的差異，難以把握重難點.特別地，本文發(fā)現(xiàn)3種心智模型：“抽象介質(zhì)模型”“電勢差絕對值模型”和“距離模型”在靜電場的教學中需要特別重視.

(2)不同層次的心智模型可以用來解決相同試題.比如例2的正確答案選項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，達到了SOLO分類關聯(lián)結構的層次，屬于深層學習等級；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”，也能得出正確答案，但后者只屬于多點結構的淺層學習水平.傳統(tǒng)賦分法很難克服這種局限性，甚至帶來教學活動中對學生學習層次的誤判，而SOLO分類評價理論則能直觀看到思維的結構層次，為我們提供了一個可行的改進方案.

(3)心智模型的構建是一個動態(tài)發(fā)展的過程，學生不會機械式被動地接收外界輸送的信息，而是要經(jīng)歷一個認知偏差、主動矯正的過程.在這個過程中，或者由于關鍵知識要素的丟失，或者由于矯正過程的學生偏好，或者由于模型重構時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”丟失了電場的矢量性；“抽象介質(zhì)模型”選擇將導體/絕緣體當作導電/不導電的題目條件進行簡單處理；“電場自作用模型”認為點電荷激發(fā)的場也會對自身產(chǎn)生作用，這雖然不被場的觀點排斥，但卻不是真實的電磁場遵循的物理規(guī)律.如何對學生的這種主動性加以引導以完成科學的模型構建，需要更進一步的研究.

在科學建模教學中，對學生的心智模型采用SOLO分類方法進行深度學習評價，分析模型建構過程的關鍵節(jié)點，從而進行反饋指導，實現(xiàn)高效教學，本文或許可以作為一個參考.