基于三階測試診斷高中生機械波迷思概念

郭芳俠 趙 倩

(陜西師范大學物理學與信息技術學院,陜西 西安 710119)

1 問題的提出

學生在學習過程中持有一些與既定科學概念相比不一致但自認為合理的認識,研究者將這種認識稱為“迷思概念”.迷思概念的存在會影響學生對新概念的正確理解,并且通常難以改變,從而造成學生學習的困難[1].因此,迷思概念的診斷是教育研究中最重要的任務之一.

關于高中生對物理概念的研究主要集中在力學和電磁學領域,對機械波的關注較少.而波現象無處不在,與波相關的想法在物理學和其他領域都具有普遍性,并且許多學生發現波的概念很難理解,因為它時常表現出各種看似違背常理的特性.因此診斷學生機械波迷思概念是非常有意義的.

只有準確地診斷出學生頭腦中存在的迷思概念,才可以在實際教學中幫助學生更好地學習物理知識.

目前,診斷學生迷思概念的常用方法是選擇測試題.傳統選擇測試題是在題目之后給出正確選項和若干干擾項,讓學生從中進行選擇,它具有高效、客觀、易于使用等優勢.但傳統的選擇測試題掩蓋了學生的做題思路,學生有可能是靠猜測選擇正確答案,表現為假陽性(false positives);也有可能已完全掌握相關知識,由于個人行為習慣而選擇錯誤答案,表現為假陰性(false negatives)[2].為了彌補傳統選擇測試題的缺陷,1988年特萊格斯特(Treagust)[3]提出了二階選擇測試題的編制方法,即在傳統選擇題的基礎上加入理由階,使學生的做題思路顯現出來.在測試時,首先讓學生在答案階中選擇一個,然后在理由階中選擇自己的理由[4].國內已有研究者使用二階測試作為各種科學領域的診斷工具.然而它也有局限性:無法區分正確答案的得出是由于猜測還是真正的理解;難以診斷迷思概念產生的深層次原因.

為了進一步提高診斷的科學性,研究者加入第三階信心指數來衡量學生對前兩階答案的確定程度,進而開發出了三階測試題(Three-tier Tests).信心指數在測試中的應用起源于心理學領域,要求個體評估及判斷自己在認知任務中的表現水平,以增加客觀測試可以獲得的信息量[5].在科學教育領域,國外已有不少研究在選擇測試題中加入了信心指數[6，7],但我國相對較少,尚處于起步階段.

2 三階測試原理

2.1 三階測試題的構成

三階測試的每道題目均由三階構成,第一階(答案階)可以理解為傳統的選擇題,考查學生對描述性知識的理解;第二階(理由階)要求學生選擇第一階答案的理由,評估學生對解釋性知識的理解;第三階(信心指數)要求學生對自己前兩階答案的確定性程度做出評價,即0%(完全靠猜測)—100%(完全有把握),目的在于區分學生出錯的原因是由于迷思概念的存在還是知識缺失,也可區分正確答案的得出是猜測還是真正理解.

2.2 三階測試的診斷方法

參考Caleon[8]和Haki[9]的標準,信心指數值以50%為分界,當學生對自己選擇的答案進行相應的信心指數評價時,診斷方法如表1.

表1 三階測試的診斷方法

注: “√”表示選答正確,“×”表示選答錯誤.

3 研究內容及施測對象

3.1 診斷試卷

本研究使用的測試題是在Caleon[10]機械波診斷測試題翻譯的基礎上,結合我國高中物理實際表述習慣,在文字上稍作修改,共12道三階題目,主要考查的內容和對應的題號如表2所示.測試題通過2位中學物理教師和1位課程與教學論專業教授的審查以保證內容翻譯正確.

表2 考查內容及題目分布

3.2 施測對象

施測選擇示范高中、標準化高中、普通高中3所學校,在高二年級隨機抽取7個班進行測試.共計發放測試題325份,回收316份,回收率97.23%.空白卷或未標注信心指數的問卷視為無效問卷,其中有效樣本297份,有效率93.99%.

4 測試結果分析

4.1 測試題質量分析

所有數據利用Excel和SPSS軟件進行錄入與統計分析.全體被試學生的二階得分在0分和12分之間,平均得分為6.47分,難度指數為0.54,說明該測試題對學生來說相對較難.由于測試題目全部是客觀題,采用庫德—理查遜信度公式,可得信度指數為0.75,說明這份測試題可靠性較好.

4.2 診斷結果分析

通過對問卷的分析,得到測試題一階正確率和二階正確率分布,如圖1所示.

圖1 各題的正確率分布

從圖1可以看出,12道題的一階正確率均高于二階正確率,這表明部分學生是通過猜測選擇了正確答案,并沒有真正理解相關知識或者是頭腦中存在著迷思概念.顯然單憑一階的診斷是無法識別出來的,這樣就難免出現高估學生學習水平的情況.而三階測試因加入了“理由階”和“信心指數”,需要學生給自己的答案作出解釋,同時需要對前兩階答案給出自己的確定程度,這可以有效的區別學生假陰性、假陽性以及知識缺失的比率分布情況,各題的診斷結果如圖2所示.

圖2 假陰性、假陽性及知識缺失的比率分布

由圖2可以看出,對于第1、2、6道題目,假陽性比例偏高.這說明學生可以通過猜測或從記憶中獲取相關的內容知識來得到正確答案,但很難選擇正確的理由;對于第4、7、10道題目,假陰性比率偏高.這說明學生通常可以利用課本中的定義、定律或理論很容易地從理由階選擇正確的理由,但是難以應用它選擇正確的答案.

測試題第4題的假陰性比率達到32.78%,這說明大約有98名學生出錯,他們在識別縱波振幅的含義時并沒有什么大的問題,但是在應用這個含義來定位圖中的縱波振幅時卻不如人意，更深層次來說,學生并沒有真正理解縱波振幅概念的本質.這有可能是由于在課堂討論和教科書中對橫波的重視程度高于縱波.第6題的假陽性比率達到了19.06%,即大約有57名學生可能是通過猜測得到第一階問題的正確答案,但當選擇理由時,卻不知道真正的原因,實際上說明這部分學生對波速的理解存在偏差,并沒有對機械波相關知識完全掌握.

通過對問卷的分析,表3列舉出此次測試診斷出的 8個迷思概念,其中7個表現為信心指數高于50%的真性迷思概念，另外1個表現為信心指數低于50%的假性迷思概念.

表3 機械波迷思概念情況

注: 選項C A 表示答案階選擇C,理由階選擇A,其他類似.

從表3可以看出,在機械波考查內容上,學生主要是在振動圖像和波形圖的識別以及波長、波速和頻率之間的關系這兩個方面存在迷思概念，具體分析如下.

對于第1題,學生難以識別在位移-時間(y-t)圖像中呈現的波屬性,大約有19.53%的學生認為y-t圖像中相鄰波峰之間的距離是波長而不是周期,且信心指數高達92.41%.這說明部分學生對圖像的每個坐標軸代表的含義不是很明確,在他們腦海里傾向于將位移-時間(y-t)圖像認為就是波形圖.對于第7題,45.12%的被試學生選擇了圖1,他們認為無論波源如何振動,質點的振動都遵循正弦規律,并且信心指數達到了72.99%,這可能是由于教科書中普遍用正弦圖像來代表波形圖造成的.因為正弦圖像是大家通常所熟悉的,其他兩個圖像很少看到.這說明部分學生根本沒有認識到質點的振動必須依賴于波源的振動方式.對于第10題,6.40%的學生認為質點的振動速度等于波的傳播速度.這部分學生可能誤以為質點隨著機械波的傳播而前進,而實際上機械波在傳播過程中,每一個質點都只做上下振動.對于第11題,23.57%的學生認為波從較小質量的介質傳播到較大質量的介質時,波的頻率將降低,且信心指數達到了60.86%.這一部分學生認為質量較大的介質具有更大的慣性,這使得通過介質傳播更少的波,從而減小了波的頻率，他們錯誤地認為波的頻率與介質有關,即波從一種介質傳播到另一種介質時,頻率會發生改變,而沒有意識到實際上頻率只與波源有關.

研究結果顯示,學生的迷思概念有一半是關于對波速本質的理解.第5題,21.21%的學生認為波的頻率增加將導致波速增加.第6題,22.56%的學生優先考慮頻率的影響,如果頻率不變,波速將不會改變;而6.06%的學生優先考慮振幅的影響,認為振幅變大,質點會需要更長的時間上下振動,波速將減小.此外,對于第8題,當學生被問及如何使波更快速地傳播時,有42.09%的學生認為要使波速增大,必須更快更用力地搖動繩子,即波的頻率和振幅必須增大.這可能與學生對公式v=λf的誤用有關,似乎這些學生認為v是一個變量,它隨著f的變化而變化.雖然振幅沒有出現在公式中,但是按照常理來分析,也有學生會認為振幅變化,波速也將隨之變化.長此以往,學生就會形成“波速隨著頻率和振幅的變化而變化”的錯誤思維模式.

對各題的二階正確率與答對的平均信心指數進行統計如表4.

表4 各題的二階正確率與答對的平均信心指數(%)

如表4所示,測試題第7題正確率最低,僅為7.02%,但是學生的平均信心指數卻達到了75.24%,這說明當學生給出錯誤的答案時,他們表現得過分自信.學生二階答對的平均信心指數介于61.8%—90.4%,說明學生即使選擇正確答案,但是仍表現出對自己的選擇沒有完全把握,自信心不足.在實際教學中,教師應給予這部分學生更多的關注和鼓勵.

5 研究結論和建議

在信心指數的幫助下,三階測試題不僅可以了解學生的做題思路,同時更深入地顯示出學生迷思概念的類型,還可以診斷出假陰性、假陽性以及知識缺失的情況.因此三階測試在一定程度上提高了選擇測試題的評價效果,能夠提供更為可靠的診斷結果.

本研究通過機械波三階測試題診斷出8個迷思概念,其中7個是表現為高信心指數的真性迷思概念,1個是表現為低信心指數的假性迷思概念.它們存在時間持久且比較頑固,會嚴重影響學生的學習效果.因此在實際教學中,教師可以采取“以問題為引導的物理探究實驗”策略[11],通過三階測試診斷出的迷思概念,選擇或自行設計合適的探究實驗,設置相應的引導問題.在實際操作過程中,讓學生回答問題,并與同組成員進行討論,發現自己的認知沖突,完成迷思概念的轉變,從而幫助學生建構科學的物理概念.

1 伊玉紅,王存寬,徐志軍.利用四段式測試題診斷高一學生化學鍵迷思概念[J].化學教育,2016,37(11):47-51.

2 郭芳俠,陳楚琪.三階測試在中學物理教學的適用性研究[J].考試研究,2016(4): 65-70.

3 Treagust D F.The development and use of diagnostic instruments to evaluate students' misconceptions in science[J].International Journal of Science Education,1988,10(2):159-169.

4 王媛平,張齊齊,張萍.國外診斷物理迷思概念的新方法——多階選擇測試題的應用[J].物理通報,2014(12): 10-12.

5 Echternacht G J. The use confidence testing in objective tests[J]. Review of Educational Research, 1972,42(2):217-236.

6 Clement J, Brown D E, Zietsman A. Not all preconceptions are misconceptions: Finding “anchoring conceptions” for grounding instruction on students’ intuition[J]. International Journal of Science Education, 1989,11(5):554-565.

7 Hasan S, Bagayoko D,Kelley E L. Misconceptions and the Certainty of Response Index (CRI)[J]. Physics Education, 1999,34(5):294-299.

8 Caleon I,Subramaniam R.Development and Application of a Three-Tier Diagnostic Test to Assess Secondary Students' Understanding of Waves[J].International Journal of Science Education,2010,32 (7):939-961.

9 Haki Pesman.Development of a Three-tier Test to Assess Ninth Grade Students’ Misconceptions about Simple Electric Circuits[D].Middle East Technical University, 2005:158-164.

10 Caleon I. Subramaniam R. Do Students Know What They Know and What They Don’t Know? Using a Four-Tier Diagnostic Test to Assess the Nature of Students’ Alternative Conceptions [J]. Research in Science Education,2010,40(3):313-337.

11 侯丹.通過“以問題為引導的物理探究實驗”策略測量和轉變未來物理教師的迷思概念——以幾何光學為例[J].物理教師,2015,36(8):63-66.