中美大學(xué)生靜電學(xué)心智模型的比較研究

張靜，徐大海 （長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

2012年美國頒布的用來指導(dǎo)新一輪科學(xué)課程標(biāo)準修訂的《K－12科學(xué)教育的框架：實踐，跨學(xué)科概念與核心概念》［1］明確將心智模型寫入課程文件，這是美國科學(xué)教育研究領(lǐng)域關(guān)于模型的研究成果在課程文件中的體現(xiàn)，具有重大意義。心智模型的建構(gòu)能夠作為一套與已有知識高度匹配的認知表征，日益在不同的研究領(lǐng)域達成共識。學(xué)術(shù)界并沒有對心智模型的準確定義達成共識?？傮w看來，研究者認為心智模型是長時記憶中的要素與外在情境或刺激物相互作用所產(chǎn)生的內(nèi)在表征，是對事物 （情境或過程）的結(jié)構(gòu)化類比，是個體根據(jù)特定目的所形成的動態(tài)的認知結(jié)構(gòu)。心智模型起源于個體對于自身經(jīng)驗與觀點的操作，可以當(dāng)作是一種解釋與預(yù)測外在世界的工具［2－4］。

在國內(nèi)，物理教學(xué)十分重視模型的教學(xué)及其相關(guān)研究，但卻很少關(guān)注內(nèi)隱于學(xué)生頭腦內(nèi)部的心智模型。而靜電學(xué)是一個具有挑戰(zhàn)性的教學(xué)內(nèi)容，主要原因是其核心概念都十分抽象和復(fù)雜。筆者通過對中美兩國學(xué)生靜電學(xué)心智模型的比較，重點探討以下2個問題：①中美兩國學(xué)生靜電學(xué)心智模型的類型存在哪些異同？②中美兩國學(xué)生心智模型的穩(wěn)定性如何？

1 研究方法

1）樣本選取。美國樣本來自于俄亥俄州立大學(xué)的大一工程學(xué)專業(yè)學(xué)生。采用投票器 （clicker）收集數(shù)據(jù)，因此每題的樣本數(shù)略有差異，大多數(shù)樣本量為40人左右。中國樣本來自長江大學(xué)二年級電信專業(yè)學(xué)生 （未學(xué)習(xí)大學(xué)電磁學(xué)課程），《大學(xué)物理》課程在二年級開設(shè)，樣本量為137人。

2）研究方法。采用紙筆測試和診斷性訪談來確定學(xué)生的心智模型。研究采用了Rasil博士開發(fā)的“電磁學(xué)中基于模型診斷測試題 （A model－based diagnostic instrument in electricity and magnetism）”［5］，僅選擇靜電學(xué)部分試題。靜電學(xué)測試題包括6個主題：（a）靜電學(xué)中的牛頓第三定律 （2題）；（b）靜電感應(yīng)（2題）；（c）電場疊加 （2題）；（d）導(dǎo)體上電荷的分布 （4題）；（e）導(dǎo)體上的電勢 （3題）；（f）接地導(dǎo)體上的電荷分布 （6題），共19題。測試題的特點是多個問題或情境屬于同一個概念主題。因為無法直接調(diào)查學(xué)生頭腦內(nèi)部，該研究的測試題采用二階測試 （Two－stage test），即學(xué)生需要提供得到答案的解釋，通過這種方式將內(nèi)隱于學(xué)生頭腦內(nèi)部的心智模型轉(zhuǎn)化為表達模型。

為了確定2國學(xué)生心智模型的異同，研究采用了2種比較方法：一種是通過各題各選項的百分比分布的比較，采用卡方檢驗來分析2國學(xué)生表現(xiàn)的差異性，并忽略隨機的猜測數(shù)據(jù)，關(guān)注典型分布和主要集中的選項；另一種方法是對學(xué)生的解釋進行定性分析。

2 研究結(jié)果

通過對中美兩國學(xué)生的比較表明，兩國學(xué)生靜電學(xué)心智模型相對一致的主題有 （b）、（c）、（d）、（f），存在差異的主題有 （a）和 （e）。

研究以主題“（a）靜電學(xué)中的牛頓第三定律”為例進行分析，主題 （a）包括2道試題。題1需要學(xué)生比較3庫侖和1庫侖點電荷之間的相互作用力的大小。題2需要學(xué)生比較3庫侖點電荷和1庫侖帶電球體之間的相互作用力的大小。

中美兩國學(xué)生所選選項的百分比分布如表1所示。通過卡方檢驗，得出樣本在題1上的卡方值χ2（1，N＝177）＝36.3，顯著性概率p ＝0.000，小于0.05，即在置信概率95%的情況下，兩國學(xué)生在題1上的選項百分比分布存在顯著差異。但在題2上的卡方值χ2（2，N＝177）＝4.829，顯著性概率p＝0.088，大于0.05，即在置信概率95%的情況下，兩國學(xué)生在題2上的選項百分比分布沒有顯著差異。結(jié)果表明，兩國大多數(shù)學(xué)生能夠選擇正確選項，但對于題1，中國學(xué)生全部正確，而美國學(xué)生尚有26%的學(xué)生選擇錯誤選項。

基于以上統(tǒng)計結(jié)果，對兩國學(xué)生的心智模型進行分析 （見表2）。2題中所包含的情境因素有電荷的電量和球體的尺度，情境因素會影響學(xué)生對相關(guān)概念或規(guī)律的調(diào)用。2試題是用來檢測學(xué)生是否存在電量模型或尺度模型的。研究表明，兩國學(xué)生持有一些相同的心智模型，如電荷直接映射到庫侖定律，而沒有考慮球體上電荷的分布及庫侖定律的使用范圍。兩國學(xué)生也存在一些不同的心智模型。如美國學(xué)生認為帶電體所帶電量不同則2帶電體受力也不同；帶電量多的帶電體受力大，或尺度大的帶電體受力大，即美國學(xué)生持有電量模型和尺度模型，而中國學(xué)生較少持有該模型。大多數(shù)中國學(xué)生之所以選擇正確選項，是因為他們直接調(diào)用了牛頓第三定律。還有部分在題2中選擇錯誤選項的學(xué)生，考慮了靜電感應(yīng)，學(xué)生認為球體上的電荷分布發(fā)生了變化，因此受力也將發(fā)生改變，而美國學(xué)生沒有考慮這一點。

基于以上研究，筆者進一步調(diào)查了學(xué)生心智模型的穩(wěn)定性。以“主題 （f）接地導(dǎo)體的電荷分布”為例，主題 （f）包括6道試題，研究表明學(xué)生的心智模型是情境依賴的。通過對學(xué)生L的訪談發(fā)現(xiàn)，學(xué)生L的初始模型是“接地端電量與大地所帶電量相等”，通過教師一系列問題引導(dǎo)后，學(xué)生L第1次轉(zhuǎn)變了其心智模型，認為“同種電荷排斥到導(dǎo)體遠端”。當(dāng)發(fā)現(xiàn)其心智模型的缺陷之后，他第2次轉(zhuǎn)變其心智模型，認為“接地端電勢為0”。研究表明，在學(xué)生頭腦中同時存在2種不同的心智模型，如果給予某些暗示或更換情境，學(xué)生可能會根據(jù)問題情境的特點來調(diào)用不同的心智模型。該結(jié)果與Rasil博士的研究結(jié)果一致。

表1 中美兩國學(xué)生在主題 （a）上的結(jié)果比較

表2 中美兩國學(xué)生在主題 （a）上心智模型的比較

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

通過中美大學(xué)生靜電學(xué)心智模型的比較研究發(fā)現(xiàn)，兩國學(xué)生靜電學(xué)心智模型所表現(xiàn)出來的共同特征有：在靜電學(xué)中學(xué)生最普遍采用的模型是超距作用模型；學(xué)生均尚未建構(gòu)科學(xué)的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)模型和電場模型；電場和電勢的概念僅僅是以“定義”的形式存在，且不助于形成一套工作模型；對于同一現(xiàn)象的解釋學(xué)生存在2個以上的不同心智模型，且各心智模型之間不存在矛盾；學(xué)生的心智模型是情境依賴的。

但兩國學(xué)生也存在一些差異：中國學(xué)生更習(xí)慣采用數(shù)學(xué)模型和程序規(guī)則，因此相對美國學(xué)生而言，情境對中國學(xué)生的影響更?。恢袊鴮W(xué)生通常應(yīng)用已有模型或教師告知的模型，學(xué)生很少在新情境中自主建構(gòu)模型；中國學(xué)生較少考慮模型的適用范圍，只要能成功解決問題 （但不一定正確），學(xué)生則不再進行心智運作。

3.2 建議

1）需加強實物物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和電場模型的教學(xué)。研究表明學(xué)生在涉及電介質(zhì)、導(dǎo)體中的電荷移動（包括接地問題）、電荷分布問題，及金屬導(dǎo)體上的電場強度和電勢問題上均存在較多的與科學(xué)模型相異的心智模型，其根本原因在于學(xué)生尚未建立起清晰的實物物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)模型和電場模型，教學(xué)中應(yīng)強化這些靜電學(xué)核心模型的建構(gòu)。

2）教師應(yīng)避免過早的應(yīng)用數(shù)學(xué)模型和物理術(shù)語。傳統(tǒng)的物理教學(xué)和評價，使得學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中建立起了很好的公式、符號的模型表征，但學(xué)生并未真正理解物理概念模型。因此，教學(xué)時應(yīng)在學(xué)生對物理對象模型、過程模型及概念模型建立之后再建立數(shù)學(xué)模型。而測試也應(yīng)該減少定量計算問題的考察，多設(shè)計考察學(xué)生在真實物理情境中建構(gòu)模型的試題。大量研究已表明學(xué)生即使會算題，也并不意味著學(xué)生建構(gòu)了物理概念，并能解決實際問題。且在教學(xué)初期應(yīng)盡量避免物理術(shù)語的使用，因為學(xué)生對“物理術(shù)語”的理解可能存在誤解。

3）在教學(xué)和測試中應(yīng)為學(xué)生提供機會來表征和交流他們的心智模型。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指出，學(xué)生的學(xué)習(xí)是基于其已有認知的。因此，教師只有充分了解學(xué)生初始的心智模型，才能在此基礎(chǔ)上有效的開展教學(xué)。而教師要想了解學(xué)生的初始模型，就應(yīng)在教學(xué)和測試中給予學(xué)生表征自己心智模型并與同伴交流的機會。

4）采用多種教學(xué)策略來幫助學(xué)生建構(gòu)和應(yīng)用模型。要促進學(xué)生建構(gòu)和應(yīng)用科學(xué)模型，必須要讓學(xué)生親身經(jīng)歷模型的建構(gòu)過程。而對于學(xué)生的不同初始模型狀態(tài)，在教學(xué)中可以采用不同的教學(xué)策略來有效實現(xiàn)學(xué)生心智模型建構(gòu)，如架橋策略、認知沖突策略、圖示策略等。

［1］ Achieve.The Next Generation Science Standards－AppendixA ［EB／OL］.http：／／www.nextgenscience.org／sites／ngss／files／APPENDIXAConceptual Shiftsinthe Next Generation Science Standards.pdf，2013－04－16.

［2］ Norman D A.Some observation on mental models：Mental Models［M］ .Hillasdale：Erlbaum，1983：7－14.

［3］ Vosniadou S，Brewer W F.Mental models of the Earth：A Study of Conceptual Change in Childhood ［J］ .Cognitive Psychology，1992，24：535－585.

［4］ Chi M T H.International handbook of research on conceptual change ［M］ .Hillsdale，NJ：Erlbaum，2008：61－82.

［5］ Warnakulasooriy R.Students’models in some topics of electricity ＆ magnetism ［D］.Ohio State University，2003.