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中美大学生物理概念测试分析及对中学物理教育的启示

时间:2023-03-04 理论教育 版权反馈
【摘要】:本文通过力学概念测试对比,发现中美学生的差异,探讨中国物理教育的弊端及对中学物理教育的启示。本次研究选择使用FCI试卷的测试成绩,共收集中美大学生测试有效样本数据360份,其中中国180份,美国180份。

中美大学生物理概念测试分析及对中学物理教育的启示

张轶炳 白明侠 黄 昭

[摘要]最基本的物理概念应该是在中学就建立起来的,但通过测试发现中美大学生对物理概念的掌握并没有达到预期水平,中国学生的测试成绩并不比美国学生高。中国学生在中学阶段学习了五年物理学,对概念的理解并不比最多学习两年的美国学生占优势,这是非常值得我们反思的。本文通过力学概念测试对比,发现中美学生的差异,探讨中国物理教育的弊端及对中学物理教育的启示。

[关键词]物理概念 FCI非参数检验

一、引言

物理概念是物理教学的精髓。物理概念反映物理现象和过程的本质属性的思维方式,是物理事实的抽象。它不仅是物理基础理论知识的一个重要组成部分,而且也是构成物理规律和公式的理论基础。学习物理概念不只是机械式的记忆,而要会用物理概念进行科学的推理,通过科学推理方法去解释一些生活中的现象。

本研究通过对中美大学生力学概念学习情况的调查研究,发现中美大学生存在应用最基本的物理概念解决实际问题的困难,也发现中国学生学习了五年物理学,在一些问题的得分率上还没有美国学生学习两年物理的得分率高,由问题探讨我国物理教育的弊端,以期对中学物理教学给予启示。

二、研究方法

(一)调查工具

美国Hestenes等人在他人基础上开发出一套用于评估学生对牛顿力学理解的测试卷——力学诊断测试(Mechanics Diagnostic test,简称MD),并于1992年发表了改进版(Force Concept Inventory,简称FCI)[1]。FCI在美国被广泛地用来测试学生对牛顿力学基本概念的理解,并据此评价教学效果、革新教学设计,有良好的信度和效度。由于FCI的作用在于甄别个体是否真正掌握了科学的物理概念,因此FCI的分数在80分以上才能认为是掌握了牛顿力学的观点,出现错误说明学生仍然处于前概念水平[2]

本测试以FCI问卷为工具,问卷由30道单项选择题组成,每个题目五个选项。题目涉及内容主要是与力学相关的最基本的概念,包括了运动学、牛顿三大定律、运动合成等。这套试卷的特征之一是题目用到的物理原理非常简单,无需运算。特征之二是题目是一组一组的,每组题目考察几个相关的知识点,题目是循序渐进的序列,也考查学生是否会用前面的题目推理后面的,如FCI第21题考查学生对二维运动合成轨迹的判断,第22题就考查学生根据轨迹判断合速率的变化,第25题考查人推箱子匀速运动受力,第26题考查如果力增加一倍速率的变化。特征之三,题目的每个选项都具有迷惑性,考查学生是否真的理解物理概念而不受其他选项的干扰,那些错误的选项也能反映出学生错误的物理思维模式。因此这套题目主要考查学生是不是建立起牢靠的物理思维,是否能用物理学的原理推理出正确的选项。

(二)调查对象

本次研究选择了中国地处西部的“211大学”宁夏大学和处于美国中西部的俄亥俄州立大学的理工科学生作为研究样本,这些学生在大学也已经修完了大学物理。本次研究选择使用FCI试卷的测试成绩,共收集中美大学生测试有效样本数据360份,其中中国180份,美国180份。

(三)施测与数据统计

以班级为单位集体施测,时间约为40~60分钟。采用SPSS16.0对数据进行分析。

(四)调查结果及分析

1.平均分比较

从平均分对比可以看出,中国学生平均分66.00分,美国学生平均分67.40分。图1是本研究中各分数段的人数分布,由图中可以看出,中美两国学生的各分数段人数分布相似,两国共有115人的分数高于80分,占总测试样本的31.94%,其中中国学生55人,美国学生60人,高于95分的美国学生多于中国学生。

图1 百分比分布图

图2 各题平均分分布图

2.各个题目数据比较

为了发掘学生对各个知识点的理解程度,下面对中美学生各个题目的正确率百分比进行比较。见图2和表1。

表1 FCI 30题每个题目纵向统计得分百分比(%)

续表1

从表格数据和各个题目对应的知识点来看,中国学生在抛体运动、牛顿第三定律及受力分析的题目得分率较高,美国学生高分知识点比较分散,但比较明显的是题目中需要借助图形进行判断的题目美国学生占优势。

由于各题成绩的分布不符合正态分布,所以选择非参数检验对各个题目进行进一步的分析。对两个国家的各题成绩采用两个独立样本的非参数检验,其柯尔莫哥洛夫·斯米尔诺夫Z检验如表2所示,由表可以看出,有20道题目的双尾显著性概率均低于0.05,说明中美大学生对物理力学概念的理解有显著性差异。

表2 中美大学生对物理力学概念题目的K-S检验表

中国经历了5年中学和1年大学的物理学习,成绩高于美国应该属于正常现象,但我们也看到一些题目的得分中国学生明显低于美国学生,见表3。

表3 美国学生成绩比中国学生高的题目的K-S检验表

这12个题目中,除了27题,其他都是带图形的题目。分数最低的是第21题,平均分为39分。这12个题目中第6、第7题是一组考察做圆周运动的物体突然失去力后的运动轨迹;第8、第10、第11题是一组利用两个恒定速度的二维运动合成的题目;第19、第20题是一组根据类似打点计时器纸带上物体位置的分布图形推断速度及加速度;第21、第22、第23题是一维恒定速度和另一维加速运动合成的题目;第12题是关于一个大炮射出一个小球的轨迹;第27题是关于推箱子序列题目中的一个,问如果突然撤去力,箱子运动的速率变化。

三、中美大学生力学概念理解差异分析

(一)中美学生出错率分析

表4 中美学生物理概念理解对比表

表4中第一列列出了FCI所涉及的力学概念及对应的题。第二列是相应概念对应的题号,题号如果在几行中有重复说明回答这个问题需要几个物理概念联系起来进行推理,我们发现绝大多数题目均属于几个物理概念组合的题。第三列是通过非参数检验分析出中国学生成绩明显低于美国学生成绩的题目,发现除了自由落体、竖直上抛和牛顿第三定律概念对应的题目外,其他知识点并不明显占优势。第四列是中国180名学生得分率低于60%的题号。第五列是美国学生得分率低于60%的题号。分析发现中国学生对于运动合成的轨迹题目及速度、通过运动位置图像推断速度、加速度及牛顿第二定律应用的题目得分率都低于60%,而美国学生最弱的是受力分析的题目。两国学生正确率都比较低的是第26题,题目的意思是一个受到恒定力而匀速运动的箱子,当力增加到原来力的两倍时,速度将如何变化,有很多学生都选择两倍力速度也增加两倍。

(二)典型错误分析

为了考察学生的典型错误,我们又进行了访谈和要求学生写出回答选项理由的测试,调查得出犯一些典型错误的原因。

1.美国学生的典型错误

美国学生的典型错误是关于受力分析的题目,表现在:(1)总认为运动方向上必有力(第25、第18、第30题);(2)对于运动物体总认为运动方向所受的力大于相反方向,无论是否匀速直线运动(第15、第17题)。

例如第15题:一辆大卡车在路上抛锚了,现被一辆小型汽车从后面推它向城里开去。如图所示。

在小车推大车的速度慢慢增大到一个稳定速度的过程中:

(A)小车推大车的作用力和大车对小车向后的作用力相等;

(B)小车推大车的作用力比大车对小车向后的作用力小;

(C)小车推大车的作用力比大车对小车向后的作用力大;

(D)因为小汽车的发动机工作着,所以它对大卡车有推动作用,但是大卡车的发动机没有工作,所以大卡车对小车没有向后的作用力。大卡车只受到向前的作用力,使它和小车一样运动;

(E)两车之间没有相互作用力。

美国的学生正确率是51%,很多学生写选择C项的理由是:If the forces were equal,there would be nomovement.So the carmust push on the truck more than the truck is pushing on the car.”(如果力相等的话,将不会运动,因此小车推卡车的力大于卡车推小车的力)

2.中国学生的典型错误

中国学生的典型错误之一是运动的合成。

第21题:设有一火箭在外太空从a点移动到b点。如图所示。在外太空,火箭不受外力作用。设在b点,火箭的发动机开始工作,产生一个恒定的推力(对火箭的推动力),其方向是与ab连线方向成直角。假设这推动力维持火箭运动到c点。

试问下图中那一条轨迹最好地描述了火箭从b点到c点的运动?

中国学生回答这个题目的正确率仅有38.9%,有26.1%的学生选择了D。有学生回答的理由是:由于惯性,火箭继续沿b方向运动,又因为火箭发动机工作就改变其方向。

中国学生另一类错误就是利用图形推理答案的题目。

第19题:图示为两块石头的运动记录。两石块向右运动。现每隔0.2秒记录下石块的位置,用一带数字标号的小黑正方形标志。

在这个过程中,假设这两块石头的加速度各为常量,两石块的速度是否曾经相同?

(A)不曾相同;

(B)在位置2瞬间两石块速度相等;

(C)在位置5瞬间两石块速度相等;

(D)在位置2和5两处瞬间两石块速度相等;

(E)在位置3到4之间的某一时刻两石块速度相等。

仅有50%的学生回答正确,另有20%的学生选择了D,另有11.7%和12.8%的学生选择了B和C。这些学生认为两个运动物体位置重合点处的速度就相等。

四、测试发现问题及对中国物理教育的启示

我们统计出FCI测试中的一些共性错误如下:(1)运动方向上必有力;(2)恒力意味着恒定速度;(3)二倍力会产生二倍速度;(4)物体脱离圆周后还会保持圆周运动的惯性;(5)击打力是恒定力;(6)两个运动物体位置重合点处速度相同;(7)即使受力物体也会保持原有惯性一段时间。

美国中学是选课制度和学分制,要求高中学生必选3个学分的科学课程,一个学分是一学年的课程,高中科学课程包括了生物、化学、物理、环境科学、地球科学、天文学、解剖学和生理学、地理学等。美国高考入学也不一定要考物理学。我们调查发现美国理工科大学生在中学学过物理的最多是两年。因此美国中学生学习时间短,很多物理概念建立不起来是情有可原的,例如牛顿第三定律及受力分析等。

中国学生经历了初中两年和高中三年的物理学习过程,为了应付中考和高考,做了大量的习题。从以上分析我们发现,中国的题海战术对有些物理概念的建立还是起到作用了,例如自由落体运动、牛顿第三定律、各种受力分析,这类题目中国学生正确率都达到了80%以上,但仅占总题目数的1/5,即还有4/5的题目的正确率均低于80%,这个结论对于经历五年物理学习的中国学生来说好像有些不可思议。

(一)测试反映出的我国中学物理教育的弊端

1.题海战术使学生的思维固化

中国学生在二维运动合成的题目中明显犯的一个错误就是不认真分析题目,直接按照中学训练的模式生搬硬套,例如二维运动合成的这类题目,学生马上想到的就是类平抛运动。调研一些中学老师,他们认为二维运动合成中学典型训练就是类平抛运动。还有些中学物理老师在处理一些固定类型的题目时只要求学生记住结果,而不注重推导过程。按照这种形式训练学生使学生形成僵化的思维模式,也违背了新课标的三维目标的宗旨。

2.对基本概念的理解不透

为了应试,中考、高考主要是训练概念选择题和计算题,致使很多学生死记硬背概念,老师主要训练学生推导计算的技巧,而忽略了用概念和原理进行推理。测试发现对于需要用概念、定律、原理等推理出结果的问题,中国学生明显处于劣势。例如上述分析中第12题和第21题,有些学生总认为即使物体受了力它还会维持原有惯性一段时间才改变运动状态,说明这些学生并没有用牛顿第二定律去推理思考这个问题。虽然学习了那么多物理概念,但思维还处于前概念阶段。

3.实验观察能力弱

例如学生在回答上面第19题时,选择答案B、C、D的学生有近50%,这些学生认为两个物体位置重合点处的速度就相同,说明学生并没有建立起速度是位移的变化率的概念。而这个题目美国学生正确率远远高于中国学生。通过分析中美中学教材和教学模式,我们也发现美国中学非常注重科学方法的培养,注重培养学生观察实验,并根据实验现象作图,再利用图形进行推理的能力。这是我们中学教学所欠缺的。统计发现,FCI题目中涉及用图形进行推理的题目,美国学生的得分率均比中国学生的高。

4.组合推理能力有待提高

对一些需要用几个物理概念组合进行推理答案的题目,学生的出错率较高,说明学生建立起来的物理概念是离散的,没有形成一种关联进行组合推理。例如二维运动合成的题目,首先需要确定两个相互垂直方向上的受力,其次由牛顿第二定律推得速率变化规律,再进行二维运动速率合成,最后由速率变化规律推得轨迹形状。这是将几个概念进行组合推理,一环扣一环,任何一个环节出错都会导致答案错误。

(二)对中学物理教学的启示

1.应该注重培养学生的科学的物理推理能力

国家级考试采用标准化测试是为了阅卷时能减少阅卷人的主观因素,考试具有公平性。但如果学生在初学物理时也用标准化测试评价学生,很难发现学生会犯什么样的推理错误。针对测试发现的普遍问题,我们调查了一些中学物理教师,他们也说不清楚学生为什么会犯此类错误。如果我们的教师不知道学生在用什么样的思想方法去思考问题,就不可能做到有的放矢地教学。因此就用题海战术去全面轰炸,使得中国的中学生苦不堪言,做了成千上万的题目也没有取得好的效果。

因此,在学习物理学新的概念原理时,应该让学生多回答问题,作业多做简答题,训练学生如何利用所学的概念去推理出结论,培养一种严谨的物理思维。不要急于求成一开始就做计算题,计算题只会导致学生套公式,而忽略了物理学习的本质。

2.注重科学素养的培养

一天我在一个桥上,听到一个小男孩问他妈妈:“一个胖子和一个瘦子落水,哪个先掉进水里?”妈妈回答说:“当然是胖子了。”科学素养反映了全民素质,也影响着下一代人科学世界观的形成。高中物理新课程标准课程提到高中物理课程的性质是“旨在进一步提高全体高中学生的科学素养”。学习物理学不是为了做题,而是为了根除经验的思维定势,建立科学的物理思维,会用物理概念原理去思考和解决问题,这种思维应该从最基本的概念开始建立。调查发现大学不同年级物理基本概念测试成绩并没有显著差异,说明在中学建立起来的物理思维在大学很难再改变。这些概念是科学素养的重要组成部分,因此中学的主要任务不是高考,而是提高人的科学素养,为科学的世界观打基础。

五、结束语

物理学习困难已经是一个世界性的难题,到底为了什么学习物理学?学会用物理思维进行推理还是仅仅是推导计算?中国学生在有些物理概念理解上的错误和组合推理能力的欠缺使教育者不得不反思我国中学物理教育的弊端,应试教育、题海战术并没有达到物理学习的主要目的,物理学基本概念是科学素养的重要组成部分,为了提高学生的科学素养,形成科学的世界观,中学物理教学一定要重视基本概念的学习及应用基本概念进行科学推理能力的培养。

(张轶炳、白明侠系宁夏大学物理电气信息学院教师;

黄昭系宁夏大学教育学院教师)

【注释】

[1]D.Hestenes,M.Wells and G.Swackhamer. Force Concept Inventory. Phys. Teach30,1992. 141~158.A Mechanics Baseline Test.Phys.Teach,30,1992.159~166

[2]潘江洪.大中学生对一些物理概念理解的研究[D]:[学位论文].桂林:广西师范大学,2003

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