基于認知過程的物理概念理解診斷性測試框架

楊雙偉 張玉峰

摘?要：對物理概念理解的診斷，是學生物理概念高效學習的重要前提.本文基于已有研究成果，首先梳理基于認知過程的科學概念理解內涵和層級，然后對基于科學概念理解內涵和層級建構的物理概念理解診斷性測評框架指標進行描述說明，最后通過對具體測試題目的案例分析，進一步解讀測評框架指標.

關鍵詞：物理概念理解;診斷;框架

文章編號：1008-4134（2020）07-0002中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A

基金項目：北京市教育科學“十三五”規劃2018年度一般課題“基于課前學習診斷的教學整合模式研究”（項目編號：CDDB18155）.

作者簡介：楊雙偉（1979-），女，黑龍江綏化人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理教學;

張玉峰（1973-），男，山東泰安人，博士，中學高級教師，北京市教育科學研究院基礎教育教學研究中心教研員，研究方向：物理課程與教學論.

物理概念理解既是發展學生物理觀念的具體內容，也是應用物理概念解決實際問題的基礎.而學生在物理概念理解的過程中，需要經歷建模、科學推理、科學論證、質疑創新、提出問題與猜想、設計實驗與解釋論證等思維活動，所以物理概念理解過程也是發展學生科學思維、科學探究的過程.

有研究表明，教學中更多關注應用概念解決實際問題的訓練，但事實上學生應用概念解決實際問題的能力并沒有得到應有的發展[1].其主要原因在于：概念教學不能讓學生實現科學概念的建構[2].從教學實踐來看，教學改進的動力往往來自測試反饋的信息.但目前針對學生學習過程的測評更多是指向概念應用過程，針對概念理解過程的測評很少，缺乏精準診斷的教學必將嚴重制約教師概念理解教學效率和學生的概念理解學習效率.

因此，本文梳理基于認知過程的科學概念理解內涵和層級，對基于科學概念理解內涵和層級建構的物理診斷性測評框架指標進行描述說明，并通過對具體測試題目案例分析，進一步解讀測評框架指標.

1?科學概念理解的內涵及層級

弄清楚科學概念理解的內涵，并基于此建構科學概念理解的層級是進行概念理解測評的理論基礎.

1.1?科學概念理解的內涵

科學概念是對客觀事物本質屬性的抽象概括，是構成科學知識體系的核心要素.作為思維形式的科學概念既是學生科學素養的重要組成部分，也是學生科學思維能力發展的基礎和培養載體[3].科學概念理解是指弄清楚事實或者經驗與概念，以及概念與原有知識體系間實質性聯系的認識活動[4].根據理解內容或者結果的不同，科學概念理解的主要認知過程可以分為三個：抽象概括過程，即從事實與經驗經過抽象、概括，得出作為思維形式的概念的過程;整合過程，即把作為抽象思維形式的概念納入原有知識體系，與已有知識建立具有實質聯系的過程;反省認知過程，即反省概念得出以及將其納入原有知識體系，與其它概念建立實質聯系過程中所使用的認知策略、思想方法、跨學科概念等思維工具的過程[5].

1.2?科學概念理解的層級

據科學概念理解的界定及已有研究，擬定學生科學概念理解學習進階各層級的具體表現，見表1[5].

科學概念理解層級及其具體表現從總體上基于認知復雜度刻畫了科學概念理解由淺入深、由簡單到復雜的認知過程.認知復雜度的提升具體可以體現在以下幾個方面：（1）從事實經驗的感性認識逐漸上升到形成概念的理性認識;（2）從事實、物理概念等要素之間的少量、碎片化的關聯逐漸上升到更多、更完整的關聯;（3）從定性關聯上升到定量關聯;（4）從關注學科概念上升到跨學科概念.

2?物理概念理解的診斷性測試框架

科學概念理解層級及其具體表現可以作為建構基于認知過程的物理概念理解診斷性測試框架的理論基礎.

2.1?測試框架二級指標體系

北京高中物理教研團隊依據2017年版物理課標，提取出物理觀念的水平可以從物理概念、規律的理解以及用這些概念、規律解決物理問題兩個角度進行評價.而基于對學生概念理解內涵和層級及其具體表現研究分析，為了精準命制物理概念理解測試題目，從認知過程角度分解物理概念理解這個一級指標，提取認知過程中的關鍵點，形成指向更加明確的二級指標.物理概念理解診斷性測試框架二級指標體系見表2[4].

2.2?測試框架的二級指標分析與說明

下面參考已有研究，對如何應用表2中的診斷性測試二級指標指導命題做進一步的具體分析和說明.

2.2.1?“概括論證”指標

“概括論證”指標，來源于對概念理解層級中“事實經驗”“映射”以及“關聯”三個層級的學生認知過程關鍵點的分析.描述的是學生在不同的物理概念學習過程中，經歷過“事實經驗”“映射”“關聯”的學習過程，逐步形成的能力特征.如果學生形成了“概括論證”能力，那么應該能從事實經驗中提取事物或過程的本質特征，能在已有知識基礎上通過邏輯推理得出概念.

在基于“概括論證”指標測評學生的過程中，測評載體可以是未知的物理概念經由“事實經驗”提取事物或者過程本質特征的考查，也可以是在已有知識基礎上通過邏輯推理，得出概念過程等.比如基于電場強度、磁感應強度概念的學習過程，以及重力的學習，考查學生能否自己建立重力場強度概念.

2.2.2?“關聯整合”指標

“關聯整合”指標，來源于對概念理解層級中的“關聯”“概念”和“整合”三個層級的學生認知過程關鍵點的分析.描述的是學生在物理概念學習過程中，經歷過不同概念的“關聯”“概念”“整合”的學習過程，而逐步形成的一種能力特征.如果學生形成了“關聯整合”能力，那么應該能建立知識間的聯系，能說明知識與核心概念間的關系以及知識在核心概念體系中的地位.

在基于“關聯整合”指標測評學生的過程中，載體可以是已經學習過的概念，考查學生對一系列概念間關系的理解.比如考查學生對速度、加速度、力這幾個概念間關系的認識.載體也可以是知識網絡圖的繪制，考查學生對于具體知識與核心概念間的關系是否有清晰認識等.

2.2.3?“策略反省”指標

“策略反省”指標，來源于對概念理解層級中“整合”層級的學生認知過程關鍵點的分析.描述的是學生在不同物理概念學習過程中，經歷過不同概念的“整合”學習過程，逐步形成的能力特征.如果學生形成了“策略反省”能力，那么學生能說明知識建立過程和知識關聯中蘊含的思維方式、策略與研究方法等認識方式.

在基于“策略反省”指標測評學生的過程中，考查的載體可以是具體學習過的物理概念研究方法的直接認識.比如考查學生是否能陳述“電場強度、磁感應強度、加速度、電功率”這幾個概念定義的相同點和不同點.也可以檢測某一概念建立過程蘊含的思維方式或者策略等.比如可以檢測學生是否會為斜上拋運動尋找分運動，并能夠陳述尋找分運動的依據.

3?基于測試框架命制診斷性試題的說明及案例分析

在教學實踐過程中，診斷概念理解的依據可以是多方面的，比如測試、學生作業中的錯誤分析、教師的教學經驗以及訪談等.在多種診斷依據中，定量考查學生“物理概念理解”測評框架中各個二級指標，命制統一的測試題目是較為理想方式.一方面，測試題目考查對象范圍廣，一次性可以獲取多名學生數據;另一方面，所有測試題目命制時有測試概念理解認知過程的明確指向，基于評定標準，定量統計學生測試結果，可以定量分析出群體或者個人在概念理解的哪個認知環節存在問題.再有，計算類測試題目會留有學生思考過程的痕跡，便于佐證定量統計結果.

3.1?基于測試框架命制診斷性試題的說明

概念理解是一種內隱的心理認知特質，如何基于測評框架指標，命制出合適的題目考查學生，并以考查結果作為學生外顯行為，對學生物理概念理解情況進行診斷和評估？從研究來看，測試題應該具備四個方面的屬性：問題情境、知識載體、認識領域、認識方式[6].

首先，問題情境.測試題目中的問題情境，可以是學生熟悉的身邊實際生活情境也可以是科技前沿情境，還可以是實驗過程或者具體物理過程等.其次，認識領域.在命制題目時，要考慮題目的明確考查指向為“概念理解”領域.第三，知識載體和認識方式.在具體的問題情境中，以學生已經學習過的或者未學過的知識為載體.如果用已經學習過的知識為載體考查學生的概念理解能力，一般可以考查學生的“概括論證”“關聯整合”能力，即從事實經驗中提取概念的本質特征，或者考查學生是否具有建立知識間聯系的能力.而這個過程學生認識方式必然伴隨被考查，一般可能會同步考查學生的建模、或者推理論證能力.如果用未學過的知識為載體考查學生的概念理解能力，一般可以考查學生的“策略反省”能力，即學生是否已經認識了知識建立過程或者知識關聯中蘊含的某一策略或者某一研究方法.而這個過程對于學生認識方式的考查可能會伴隨考查建模、推理論證、質疑創新、科學探究能力.

除了上述四個方面屬性，測試題目命制過程還要注重題目的科學性、規范性、簡潔性和可讀性.

3.2?診斷性測試題目案例分析

下面以北京物理教研團隊命制的測試題目中，考查學生物理概念理解指標下概括論證、關聯整合、策略反省三個二級指標的題目為例，分析說明測試題.

題目1?如圖1所示，足夠短的a、b兩段通電直導線，分別放置于磁場P、Q兩處，并與該處磁場方向垂直，相關參數見表3.

分析：該題目主要考查的是學生物理概念理解中的“概括論證”能力和科學思維中的“模型建構”能力.該題目的問題情境是通電導線在磁場中受力，磁感應強度是學生已經學過的知識.在同一位置，垂直情況下“電流元”不同，受力會不同，在不同位置“電流元”相同，但受力會不同這些實驗事實，需要學生提取比值這個本質特征，而后定義磁感應強度.但“比值”是否必須是力除以電流元，能否是電流元除以力呢？從“描述磁場強弱”這個物理意義看“比值”特征，應該都是可以的，所以該題目C選項和D選項都正確.實際中之所以用力除以電流元和人們的認識習慣有關.所以該題目考查學生概念理解的“概括論證”能力.研究對象選擇“電流元”而不是隨意的一段導線，這個考查的是學生的模型建構能力.

題目2?已知“題目1”導線a中單位體積的自由電子數目為n，自由電子的電荷量為e，定向移動速率

為v，P處磁感應強度大小為B，請由安培力的表達式推導在上一問中導線a中單個自由電子由于定向移動而受磁場作用力的表達式.

分析：該題目考查的是物理概念理解中的“關聯整合”能力和科學思維中的“推理”能力.該題目以磁場中通電導線和單個電子運動受力為問題情境，以安培力與洛倫茲力為知識載體.因為安培力是洛倫茲力的宏觀表現，微觀多個同向洛倫茲力的合成表現為宏觀的安培力.所以該題目考查的是學生能否建立已經學習過的安培力和洛倫茲力的聯系，即考查學生的概念間“關聯整合”能力.而如何定量由安培力推導出洛倫茲力，這個考查的是學生科學思維中的推理能力.

題目3??在物理學中，把很短一段通電導線中的電流I與導線長度L的乘積IL叫做電流元.將電流元垂直于磁場方向放入磁場中某處時，電流元所受到的磁場力F與電流元IL之比叫做該點的磁感應強度，即B=FIL.在磁場中定向移動的自由電子e也會受到磁場的作用力f，請說明如何根據這一特點來定義某處的磁感應強度，并給出定義式.

分析：該題目考查的是物理概念理解中的“策略反省”能力和科學思維中的“質疑創新”能力.該題目以磁場中電流元受力和運動電子受力為問題情境.以電流元為研究對象，建立磁感應強度概念是學生已經學習過的知識，但用洛倫茲力來定義磁感應強度學生并沒有學習過，所以是新的知識.基于“用力除以電流元定義磁感應強度”這一知識建立過程蘊含的比值定義的認識，學生要類比遷移到研究對象為電荷，用洛倫茲力除以電量和速度的乘積定義磁感應強度，所以該題目考查的是學生概念理解的“策略反省”能力.除了學生遷移比值定義的認識外，同時，對于結果中洛倫茲力表達式“速度與磁感應強度垂直”的條件還需要加以說明，這點考查的是學生科學思維中的質疑能力，所以該題目還考查學生的質疑創新能力.

參考文獻：

[1]?徐寧.基于認知模式轉化的高中物理概念教學研究[D].北京：北京師范大學，2009.

[2]?胡久華，支瑤.促進學生科學概念理解的教學設計[J].中國教育學刊，2006（09）：52-55.

[3]?趙凱華，陳熙謀.電磁學第3版[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]?張玉峰.為了物理學科核心素養發展的學習診斷：概念、路徑與內容框架[J].中學物理，2020（01）：1-6.

[5]?張玉峰.基于概念理解測試的科學概念教學策略[J].教育科學研究，2018（05）：58-62.

[6]?郭玉英，姚建欣，張玉峰.基于學生核心素養的物理學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2017.

（收稿日期：2020-02-01）