熱與溫度概念評估(HTCE)量表的介紹與分析

湯 莉 王永紅 唐心懿 陶學艷 方 偉

(上海師范大學物理系 上海 200234) (上海師范大學物理系 上海 200234;上海市星系和宇宙學半解析研究重點實驗室 上海 200234)

1 前言

物理概念是客觀事實的物理共同屬性和本質特征在人腦中的反映，是物理事實的抽象.它是整個物理學知識體系的基石，是學生學好物理的關鍵，但學生形成、理解和掌握物理概念是一個復雜的認識過程[1].從建構主義學習的觀點來看，新知識是在已有的知識基礎上建構成的，最初的知識便是影響學習的因素.離開對新舊經驗之間沖突的調整，學生便無法使新知識真正與已有知識經驗一體化.近年來，建構主義在世界范圍內逐漸成為研究物理學習和指導物理教學的主導性理論，這一理論在物理教學中最直接的體現就是為“概念轉變而教”[2].

熱與溫度概念在各個層次的科學課程中普遍存在，但在教學過程中，教師們都會陷入一種困境：即使已對學生進行了概念教學，且中學物理教材熱學部分也對熱量與溫度等相關概念進行了比較科學的定義與解釋，但在實際中學生對這幾個概念的理解仍極易混淆，很多學者從熱與溫度的聯系與區別的角度出發進行了探討[3].基于日常生活經驗對物理世界形成的基本理解與信念，被稱為是“前概念”，這些來自生活經驗的理解與科學概念往往不一致，稱為“相異概念”.學生的“相異概念”轉變為“科學概念”的過程就是概念轉變學習.研究者通過實踐表明，傳統的教學模式對學生相異概念的轉變作用影響甚微[4].針對這一情況，評估學生對熱與溫度概念的認識，在課堂中形成新的課程與教學方法，顯得尤為重要.

由俄勒岡大學(University of Oregon)和馬里蘭大學(University of Maryland)的Pat Cooney，Karen Cummings，Priscilla Laws，David Sokoloff，Ron Thornton與Edward F. Redish等6名研究人員組成的ABP(Activity-Based Physics)物理教學研討小組，推出了針對不同物理知識版塊的量表來幫助教師掌握學生學習情況，便于物理教師改進教學方式，定量檢測教學效果，如力和運動概念評估(Force and Motion Conceptual Evaluation，FMCE)，矢量評估測試(Vector Evaluation Test，VET)，以及本文要介紹的熱與溫度概念評估量表(Heat and Temperature Conceptual Evaluation，HTCE)[5].

熱與溫度概念評估(HTCE)由David Sokoloff和Ron Thornton于2001年共同研發，目的是為了評估學生對熱與溫度概念的掌握程度，量表測試時間約需40 min，通常還需要結合訪談.量表評估的對象設計為本科生，但由于題目分為8個知識版塊，對于國內實際情況，經過適當刪減，也能用于初高中學生.量表的難度系數約為0.57，平均區分度高于0.3，效度都經專家審核認證，說明HTCE量表是一種有效且可靠的測量工具，能反映出學生真實的水平差異，可用于前測與后測[6].目前，國內對熱與溫度概念評估量表(HTCE)的研究還未見文獻，本文將就HTCE量表進行詳細剖析，概述近年來的研究進展，希望能為讀者研究熱相關教學介紹一份測量工具,方便國內學者利用此量表進行教學研究.另外，本文作者研究團隊翻譯了該量表的中文版，并被采納[13].

2 熱與溫度概念評估(HTCE)的內容分析

HTCE量表共包含28道題目，其中單選題27道，另有一道作圖題.測試的過程大約需要40 min，測試后還需結合訪談[6]，該量表涵蓋8個主題：(1)熱與溫度；(2)冷卻速率；(3)量熱法；(4)傳熱速率；(5)感知熱的能力；(6)比熱容；(7)相變；(8)導熱性，這些題目呈現的是生活中常見的情景，非正確選項的設置并不隨意，包括很多學生常有的錯誤概念，具體版塊如表1所示[7].

表1 HTCE“概念領域”表

2.1 熱與溫度部分

第1～4題，題目設定兩個相同的水杯A和B.各題中兩水杯所含液體量不同，所處環境也不同，為學生提供4種情景并提問哪個水杯中熱能的傳遞更多(圖1).

通過對水的質量、初溫、所處環境等方面的改變，利用控制變量法，以溫度的改變量比較熱能轉移的大小，將熱與溫度進行了聯系，旨在考查學生對熱與溫度這一概念的理解情況，以及是否掌握了影響熱能大小的因素等.從國外已有的研究報告數據看來，此版塊的正確率較高，這表明多數學生對熱與溫度知識方面掌握情況處于較好水平，但仍有少數學生不能區分溫度和熱量[8].

圖1 熱與溫度部分考查的題目圖示

2.2 冷卻速率部分

冷卻速率的考查分布在第5～7題，給定A和B兩個相同的水杯，杯中所有液體的容量與溫度均不同，放置于室溫一致的環境內冷卻，讓學生回答哪一個水杯的冷卻速度是一開始處于最快的，哪個水杯又是先達到最終冷卻溫度的，并指出冷卻速率的曲線圖像(圖2).

圖2 冷卻速率題目圖示

此版塊設置了3個考題且難度逐級遞增，不僅直接對學生進行了冷卻速率的考查，還涉及冷卻過程中隨時間變化的溫度曲線.而在國外已有研究中，學生對此題的解答正確率較低，表明學生對于冷卻速率概念的理解程度較低.

2.3 量熱法部分

此版塊的考查出現在第8和第9題，題目中呈現一個隔熱的容器，即無熱量的轉移.將水杯A和B中一冷一熱的液體，倒入隔熱容器中混合.兩道題目的區分點在于第9題中熱水的質量翻了一倍，讓學生選擇混合后的液體溫度位于哪段區間，答案設置了7個詳細劃分的溫度區間.

將冷熱液體進行混合，在沒有溫度計的情況下讓學生感知混合液體的溫度并進行量熱，充分考查了學生對熱的感知與計量能力.從國外已有的研究報告數據看來，此類題目的解答正確率較高，學生對量熱概念的理解能力較好.

2.4 傳熱速率部分

第10和第11題為傳熱速率考查版塊，兩個相同的水杯A和B有同樣多的水，杯中均放置一個加熱器.設定A杯中的液體為45 ℃，B杯中為35 ℃.將它倆放置在室溫為25 ℃的環境中，為維持杯中液體的溫度，加熱器一直處于工作狀態.先讓學生比較A杯和B杯的加熱速率，判斷孰大孰小.后將B杯從設定中刪去，留下A杯假設分別放置在5 ℃的室外與25 ℃的室內這兩個環境里，再讓學生判斷A杯在室內外的熱量傳遞速率孰大孰小(圖3).

此版塊通常為整個測試中學生錯誤率最高的部分.事實上，傳熱速率概念和冷卻速率的概念有異曲同工之處，而傳熱與冷卻是生活中常見的熱現象，因此錯誤率極高可能是受到生活中錯誤經驗的影響.可見還需教師為“概念轉變而教”，以消除學生頭腦內的錯誤概念并建立正確概念.

據國防大學研究成果：我國各領域的軍民融合度僅30%左右，尚有巨大潛力可挖掘。應深刻理解生產力和戰斗力、市場和戰場的內在聯系，使軍民融合真正落地。改革低效的國有軍工體系，推動設施與信息等資源共享，人才與機制各要素深度融合，既發揮軍民統領的制度優勢，又發揮市場競爭環境的活力，抓住全球化帶來的機遇，推動科技自主創新。

圖3 傳熱速率題目圖示

2.5 感知熱的能力部分

第12～15題，以棉花、木頭、金屬材料為例.前兩道題目是將三者長時間的放在低溫室外，試問哪個物體摸起來觸感最寒冷？哪個物體的溫度又是最低的？后兩道題是將三者放入90 ℃的烤箱內進行加熱，試問哪個物體的觸感是最熱的？哪個物體的溫度應該最高？從整體而言，此版塊的題干簡潔、無需圖示，從已有的研究報告看來正確率也是頗高.對學生感知熱的能力的考查，實際上也是對物體傳熱能力概念的一種判斷.

2.6 比熱容部分

比熱容的考查在第16～19題，比熱容作為一個基本的概念，學生在初、高中及大學的學習里都有密切接觸.16題中，在一裝有水且絕熱的水杯內放置加熱器，一開始水溫與室溫一致.加熱后，水溫處于上升狀態但未達沸騰，設熱量以恒定速率傳遞到杯中，問熱量傳遞時水的溫度隨時間變化的曲線是怎樣的.答案設置了6個不同形狀的溫度曲線.17～19題依次改變16題中的一個條件，再與16題進行溫度升高大小的比較，條件分別是：水質量相同熱量轉移了兩倍、一半質量的水和相同的熱量轉移、質量相同熱量轉移也相同,但液體被更換為比熱容僅為水的一半的物質.

可見，基于比熱容概念的難理解程度，題目的設置十分詳細.從已有研究報告而言，4個題目的正確率不算太高，究其原因是對基礎概念的錯誤理解，如傳熱速率概念等.

2.7 相變部分

對相變的考查集中在第20～25題中，是量表中題目數量最多的部分.在完全隔熱的水杯中放入質量均為50 g的冰和水，最初杯內溫度處于0 ℃，室溫為25 ℃.在杯中放置加熱器，對混合物一直進行攪拌，熱以穩定的速率傳遞.以此選出冰正在融化但還未全融、冰已經全部融化、冰完全融化了但液體還未沸騰與液體已經沸騰的4種情形下的溫度變化曲線.另有一題則是詢問3壺開水，分別是劇烈沸騰、沸騰許久、微弱沸騰3種情形，問哪一壺的溫度是最低的，或者你是否認為它們的溫度相同.

相變過程較為復雜，此部分錯誤率很高.多數學生表示不理解這段時間內溫度變化的概念，一些學生認為冰在融化、水在沸騰時，溫度會改變，能量用來改變溫度，這也表明學生對相變概念的理解情況不盡人意.

2.8 導熱性部分

最后，導熱性能相對應的題目是第26～28題.題目給出6根完全相同且側面隔熱的金屬桿，它們兩端的溫度差異不同(圖4)，試問哪一根金屬桿熱流動的速率是最慢、哪一根金屬桿又是最快、哪一根桿熱流動速率與桿A相同，或它們的速率都一樣.學生解答這一部分的正確率是比較高的，整體情況較好，少數學生不能選出正確答案甚至認為它們材料相同熱流動速率也是相同的.

圖4 導熱系數題目圖示

3 國內外研究狀況

HTCE量表的研發歷經數年，早期研究主要集中在對學生關于熱與溫度的理解和認識，Lewis等人于1994年調查發現，多數人將知識孤立成“學校知識”和“日常知識”，持有許多不正確的直覺觀念[1].1995年Thomaz等人的研究表明，對熱與溫度概念的錯誤認識表現在5個方面：

(2)不能區分溫度與熱量，認為溫度是熱量的量度.

(3)將對物體的體感知覺與溫度混淆，認為不同的體感對應不同的溫度.

(4)認為加熱總能導致物體的溫度升高，不認為物質兩相轉變過程中的溫度是物質的一個特性.

(5)對加熱過程中的相變溫度認識存在錯誤理解等[14,15].盡管該結論是對小學生調研后得到的，但其大部分觀點也為諸多未學過科學的大眾所持有.

在此研究基礎上，Thorton與Sokoloff于2001年共同研制了本文所述的量表——HTCE，為研究學生對熱與溫度概念的理解提供了一個有力的測量工具.而同年Shelley Yeo和Marjan Zadik在對已有文獻進行總結之后，設計了熱力學概念測試題，簡稱為TCE[10].2006年有研究提出另外一份類似的問卷HTCT[11](Heat and Temperature Concepts Test) ，在該文中，作者列出了19個常見的學生所持有的有關熱與溫度的迷思概念，除了前面提到的5點外，還有諸如：兩液體混合，末溫為混合前兩液體溫度之和；相同環境下，液體溫度比固體低；溫度依賴于物質的量的多少，等等.不過HTCT的應用性沒有HTCE廣泛.總體來說，TCE與HTCE屬同一范疇，考查內容大致相同，但各有千秋.如TCE比較關注學生有關熱與溫度的日常經驗，而HTCE有3個問題考查了溫度隨時間變化的關系圖，而TCE則沒有這方面的圖.HTCE量表在國外多所大學超過1 000名學生中進行過測試，信效度較好，且應用研究還在持續增長中[4, 7, 9, 12,16].

關于物理教學中學生的“相異概念”以及轉變的研究，我國主要集中在力學和電磁學部分，對于熱學相異概念方面的研究很少[9].由此HTCE量表在我國對熱與溫度概念的研究方面有極大的運用空間，利用HTCE考查我國學生在學習熱與溫度概念的情況，通過對相異概念的特點和形成過程分析，找出學生學習困難的原因，可更好地促進學生此方面知識的掌握，提出相應的教學方法及策略.

4 教學實驗與啟發

我們在2020年春季學期伊始利用HTCE中文版問卷在《熱學》課程上對本校2019級物理系本科生(物理學師范51人，應用物理學55人)進行過測試，其結果如圖5所示.

為了比較，我們列出施測對象為國外大學物理系或理工科學生的結果(圖6)，圖6(a)和圖6(b)分別摘自文獻[12]和[7].從圖可以簡單地得出兩點結論：一是國內學生平均得分要高于國外學生，二是盡管8個版塊得分有所差異，但正確率的趨勢比較類似，特別是最高分和最低分所在版塊沒有差異，這說明關于熱與溫度的迷思概念，在國內外的學生中具有相通性.當然，這個數據的樣本只來源于個別學校的學生，只能管中窺豹，不具廣泛的代表性.

圖5 筆者2020年春季學習的測試結果

圖6 國外某校的測試結果

5 結束語

本文詳細介紹了一個熱與溫度概念評估的量表：HTCE，并對其近年來的研究作了綜述，簡單敘述了其與類似量表(TCE，HTCT)的異同，并將筆者課上的初測結果與國外的結果進行了簡單的比較.后續需要結合課堂教學模式的改革，基于教學實驗的前后測試結果，進行更細致的數據分析和研究.

筆者關于熱與溫度概念評估量表的介紹以及分析和研究，其目的是充分了解學生對熱與溫度、比熱容及相變等相關概念理解掌握的程度，從而發現問題，以此為準制定更合適和有效的教學計劃，在教學過程中更有針對性地強調熱與溫度、比熱容及相變等相關概念的區別和聯系，促使學生突破難點，收到更好的教學效果.