有效轉變學生錯誤概念的物理輔導課——美國匹茲堡大學Tutorials

有效轉變學生錯誤概念的物理輔導課
——美國匹茲堡大學Tutorials

楊筱荻張 燕張 萍

(北京師范大學物理學系北京100875)

摘 要：本文介紹了匹茲堡大學物理復習課中使用的教學方法——Tutorials，課程基于學生錯誤概念設計，采用小組討論的合作學習模式，在幫助學生轉變物理頑固錯誤概念、加深概念理解方面效果顯著．

關鍵詞：復習課輔導課錯誤概念合作學習

作者簡介：楊筱荻(1990-)，女，在讀碩士研究生，研究方向為物理課程與教學論專業．

通訊作者：張萍(1964-)，女，博士，教授，主要從事高等物理教育研究．

收稿日期：(20150609)

1引言

David[1]以CSEM為測量工具研究了學生在電磁學方面存在的錯誤概念，發現使用傳統的講授式課堂教學后，以代數為基礎的物理課程學生的正確率從31%上升到47%，以微積分為基礎的物理課程學生的正確率從25%上升到44%，數據說明，學生在接受課堂教學后仍存有錯誤概念，本文稱之為頑固錯誤概念，需要通過復習課實現學生對物理概念的進一步理解．然而，傳統的大學基礎物理課程的復習課主要是由主講教師或研究生助教講授，一般先總結復習課程知識要點、再講評課后作業中學生出現錯誤較多的習題、最后選講一些新的例題，學生在課上只是抄寫和記憶教師加工好的課程要點和習題答案，很少有積極思考．匹茲堡大學的教授Chandralekha Singh及其所在的物理教育研究團隊(University of Pittsburgh Physics Education Research Group)為了幫助學生有效地轉變頑固錯誤概念，改革了傳統的以教師講授為主的復習課模式，使用以學生互教互學為主的“輔導課”(Tutorials)的模式，研究表明：相比傳統的物理復習課，輔導課在轉變學生錯誤概念方面更有效．

2輔導課介紹

大班講授模式的傳統復習課上，教師基于以往的教學經驗推測學生可能存在的頑固錯誤概念講授課程，講授過程中沒有機會了解學生在聽課時到底是如何思考的，存在什么樣的錯誤概念，很難取得良好的效果．與此相比，合作學習是一種有效地轉變學生錯誤概念的教學模式．生生互動合作學習與和教師討論問題不同，同學之間討論問題時，學生處于沒有壓力的情境，更愿意表達自己的觀點、理解問題的角度和推理方法，暴露出自己的錯誤概念，接受對方的質疑和針對性的講解，意見不一致的學生進行爭論、辯護和質疑，引發了認知沖突，可以更有效地轉變他們的錯誤概念．

匹茲堡大學設計使用輔導課教學模式代替單純講授式的大班教學復習課，每周1 h，每個班由20～30學生組成，課堂上2～3名學生組成一個小組，每組一份任務單，學生以小組討論的形式合作和探究，實踐表明：輔導課教學模式在轉變學生的頑固錯誤概念方面十分有效．

2.1課程開發基于對錯誤概念的研究

匹茲堡大學教授Chandralekha Singh等人通過紙筆測驗和訪談發現[2～5]，普通物理課程的學生、物理專業本科生乃至研究生對靜電學存在很多錯誤概念，例如,無法區分電荷量、電場強度、電通量和靜電力；認為只有距離某點最近的電荷才對其電場有貢獻；電偶極子在電場中一定不受力；應用高斯定理時，不會進行對稱性的分析；認為絕緣體能夠阻隔全部的電相互作用等，其中很多錯誤概念經過課堂教學后依然普遍存在．為了有效地利用輔導課轉變學生這些錯誤概念，匹茲堡大學設計使用輔導課教學模式，并且開發了用于檢測學生頑固錯誤概念的測試題目和用于輔導課上學生合作學習的任務單等課程資源．

2.2課程模式

匹茲堡大學的輔導課包含預測試、課上依照任務單小組討論和學習評價3個主要教學環節．學生輔導課的成績按照任務單小組答案賦值．

2.2.1預測試——了解學生的頑固錯誤概念

預測試在課堂講授教學后進行，題目涵蓋物理學基本概念，用于了解學生的頑固錯誤概念，由此編制輔導課上用于小組討論的任務單．以高斯定理為例，研究表明，學生在應用高斯定理時不會進行對稱性分析，則課程設計以下題目[6]進行測試．

【預測試題目】如圖1所示，無限長直線的電荷線密度為λ，4個假想閉合曲面與其同軸，分別為：

(1)母線長為L的空心圓柱體；

(2)直徑為L的球面；

(3)邊長為L的正方體面；

(4)邊長為L的二維平面，帶電直導線與此平面相垂直．

圖1　與帶電線同軸的4個假想面

以上哪些面可以作為高斯面使用高斯定理求出各P點的電場強度大小？

(1)只有(Ⅰ)

(2)只有(Ⅰ)(Ⅱ)

(3)只有(Ⅰ)(Ⅲ)

(4)只有(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)

(5)(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)(Ⅳ)均可

教師整理預測試結果，了解學生的頑固錯誤概念，并據此編制任務單．預測試也引發學生對相關問題深入思考，為輔導課上同學之間的討論做準備．

2.2.2任務單——引發討論，轉變學生的頑固錯誤概念

教師根據預測試結果編制相應任務單進行輔導課教學．輔導課上每組學生一份任務單，任務單題目只要求定性分析而很少涉及定量計算．各小組同學需要根據任務單進行討論．學生輪流表達自己的觀點之后，不同觀點的學生相互說服，最終達成一致的意見，在任務單上謄寫一份小組答案．任務單題目均為問答題，內容編排遵循“暴露錯誤概念-引發認知沖突-解決認知沖突”的流程．有些題目還使用學生對話的形式顯現出學生的錯誤概念，引導學生討論．針對上文預測試中學生在應用高斯定理時關于對稱性分析暴露的錯誤概念，設計的任務單(部分)如下：

【任務單】如圖2所示為4個不能極化的中空絕緣體，帶電荷量均為+Q且電荷在表面均勻分布．

(1)立方體面

(2)球面

(3)長為L的中空圓柱面

(4)不規則形狀的物體

圖2　形狀不同的4個帶電體

(1)若把以上各帶電體分別用相同的球狀高斯面圍起來，且高斯面的球心與形狀規則的物體的幾何中心重合，則能夠用高斯定理直接求出球狀高斯面上任意一點電場強度大小的是哪個物體？請解釋．

(2)請閱讀以下約翰和瑪麗的對話：

1)約翰：“能求出球狀高斯面上任一點電場強度大小的只有電荷分布均勻的球面．”

2)瑪麗：“但球面、立方體面和圓柱面都是對稱的形狀且電荷均勻分布，應該能夠用高斯定理直接求出這3個物體外的球狀高斯面上任一點的電場強度大小．”

關于以上兩個同學的看法，你是否同意？請解釋原因．

可以看出，任務單題目的編制均針對研究所得學生的錯誤概念．先使用一個練習題讓學生根據自己的經驗做出選擇，然后使用學生對話的形式引導學生對問題進行深入思考，對話中提供學生的常見的觀點，這些觀點有些錯誤，有些部分正確，有些正確，目的是引起學生之間的認知沖突，進行全面地討論和深度論證，從而排除各種錯誤建構正確概念．

有的任務單是根據學生在解題的推理過程中出現的錯誤設計的，對于同樣的問題給出不同的推理或論證方法，讓學生判斷．學生在小組討論過程中，持不同觀點的學生之間必須相互說服對方，他們對任務單中給出的各種解決方案進行評價，找出其中的問題，修正其中的錯誤，轉變或完善自己的概念．

2.2.3教學評價——促進小組合作和自主學習

學生參與預測試時，提示學生測試的目的是反饋學生中存在的錯誤概念，有效地組織下一個環節的教學，因此測試不針對學生答案正確與否評分；輔導課要求每個學習小組最終提交一份報告，獲得團隊分數，小組成員無論水平高低、貢獻大小都獲得相同的分數，目的是激勵學生的小組合作學習，深度討論，達到共識；為了鼓勵每個學生都能積極參與輔導課上討論，并且在課后還對相關問題進行研究，在期末考試中還會涉及到任務單中的問題．

輔導課過程助教教師并不對學生表達的觀點進行評價，而是作為合作學習的輔導者．助教教師不直接回答學生的問題，而是通過蘇格拉底式提問引導學生進行自主學習，避免學生輕易獲得正確答案后不再深入思考．

3教學效果

迄今為止，匹茲堡大學已經開發了全套靜電學輔導課的任務單，共5套：任務單Ⅰ，Ⅱ涉及在電荷連續和非連續分布的情境下運用庫侖定律、疊加原理、對稱性；任務單Ⅲ用來區別電通量與電場；任務單Ⅳ，Ⅴ用來處理對稱性和高斯定理的關系．教學實踐表明，和傳統的復習課相比，輔導課模式在轉變學生頑固錯誤概念方面取得了較好的效果．ZeynepIsvan，Chandralekha Singh和Jing Li的研究表明，參加輔導課完成高斯定理部分任務單的3個班級在相關概念測試的成績增益明顯高于傳統復習課班級，如表1所示；研究也表明，這種課程模式不僅僅對學困生的錯誤概念轉變有幫助，優等生通過輔導課的學習，相關知識的測驗成績也有所提高[7，9]．

表1　輔導課班與傳統復習課班前、后測成績對比

本文所介紹的匹茲堡大學物理輔導課課程模式體現的是以學生為中心的教育理念，學生自主學習、組內合作，通過討論和探究的方式內化物理知識，培養了學生的探究能力、合作能力和解決問題的能力．希望能夠給國內教師在探索復習課教學模式改革時提供參考．

參 考 文 獻

1Maloney D P,O′Kuma T L,Hieggelke C J,et al.Surveying students′ conceptual knowledge of electricity and magnetism.American Journal of Physics,2001,69(S1):S12～S23

2Singh C.Student understanding of symmetry and Gauss′s law of electricity.American journal of physics,2006,74(10):923～936

39 Isvan Z,Singh C.Improving Student Understanding of Coulomb's Law and Gauss′s Law//2006 Physics Education Research Conference.AIP Publishing,2007,883(1):181～184

48 Bilak J,Singh C.Improving Students′ Conceptual Understanding of Conductors and Insulators.Physics Education Research Conference,2007,951

57 J.Li,Improving Students′ Understanding of Electricity and Magnetism,Ph.D.,University of Pittsburgh,2012

6http://www.per-central.org/filingcabinet/share.cfm?FID=33190&code=6B3429446B

Physics Coaching Curriculum on Changing

Students Misconceptions Effectively

——Tutorials at the University of Pittsburgh

Yang XiaodiZhangYanZhang Ping

(Department of Physics,Beijing Normal University,Beijing100875)

Abstract:This paper introduces a new form of recitation at the University of Pittsburgh - Tutorials in Introductory Physics, where students cooperate and discuss in groups. The research-based tutorials are effective to minimize students’ stubborn misconceptions and to expand their understanding of physics.

Key words:recitation;tutorials;misconceptions;cooperative learning