基于三階測試診斷高中生曲線運動中的迷思概念

朱順明 李文娟

（江蘇省天一中學，江蘇 無錫 214101）

1 問題的提出

曲線運動是自然界中更為常見的一種運動.在新人教版高中物理必修1中學生首先學習了直線運動，對運動學有了初步了解；學完牛頓運動定律之后，學生對力與運動的關系又有了進一步理解.在新人教版必修2《拋體運動》《圓周運動》《萬有引力與航天》中，我們研究的視野由一維的直線運動拓寬到二維的平面坐標系中，將研究直線運動的方法和策略遷移到曲線運動中來.在討論描述曲線運動的基本物理量（如位移、速度、加速度等）時，我們仍需要直線運動中相關概念進行分析.所以在曲線運動情境下的問題探討是學生對運動學和動力學知識進一步拓展和延伸.由于人們習慣于研究直線運動，而對曲線運動規律的理解和運用更容易形成迷思概念.

“迷思概念”是我國臺灣學者對英文“misconception”一詞的有趣譯法，其中“mis-”是音譯部分，“conception”是意譯部分，它是指學習者頭腦中已形成的認識與科學概念不一致或相違背的概念.迷思概念的存在會影響學生對新知識的正確理解，具有普遍性、隱蔽性、頑固性和反復性，因此對迷思概念的診斷是教學研究中最重要的任務之一.

2 研究設計

2.1 研究對象

筆者在江蘇省天一中學高二理科班物生地組合中隨機抽取2個班級共104名學生進行測試.在學生已順利通過2020年1月份江蘇省合格性考試后，由教師親自到班級發放測試題，采取無記名方式，答題時間規定為25 min.測試前事先告知學生本次問卷僅診斷與曲線運動有關的知識理解情況，與個人成績和未來升學無關，這樣確保學生認真答題，理性給出確定度.

本次研究共發放104份，回收94份，回收率90.4%.在錄入數據時，將空白測試卷、未完全答題、沒有給出確定度或確定度填寫全部相同均視為無效卷.在回收的94份問卷中發現有效樣本是78份，有效率82.9%.

2.2 研究方法

本研究采用三階診斷測試和半結構化訪談來探查學生的迷思概念.

三階診斷測試工具是參照Kaltakci，Derya&Didis，Nilufer等人研究方法，［1］將學生的診斷結果分為“知識缺失”、“迷思概念”、“行為疏忽”、“正確概念”4種（如表1所示）.其中第三階若不確定，不管答案階和理由階是否正確均視為知識缺失.筆者認為存在知識缺失與迷思概念是有很大不同的，畢竟學習新知識與轉變概念知識所采取的教學策略是有本質區分的.

表1 迷思概念判定標準表

2.3 測試工具的編制

本測試題由三階構成，第一階（答案階）考查學生對學科知識的理解情況；第二階（理由階）要求學生選擇相應的理由，以評估學生對答案解釋的合理性；第三階（確定度判定階）要求學生對答案階和理由階的整體確定性程度做出評價.目的在于辨析學生選出正確答案是猜測還是真正理解.為了更全面診斷測試，筆者研讀有關曲線運動的迷思概念文獻，分析教材內容，立足課堂教學實踐，并與教學同仁和教研員不斷探討交流，最終編制出12道測試題.對編制好的題目先試測，針對測試結果與學生開展半結構化訪談，以深入了解學生存在迷思概念根源，完善試題表述，保證試題的可讀性和針對性，最后重新修訂得到較為成熟的三階測試題.對測試數據運用SPSS軟件進行計算統計，其克倫巴赫信度系數為0.789，具有較高的可信度.

2.4 測試內容分布

圍繞曲線運動相關內容，本人設計的三階測試題涉及3個知識點：運動合成與分解（分運動與合運動、平拋運動時間）；圓周運動（最高點速度、向心力）、衛星模型（運行速度、發射速度、拉格朗日點、變軌運行），共12道題目.對應的題號如表2所示.

表2 考查知識點與對應題號列表

3 測試結果分析

3.1 一階和二階正確率對比

一階和二階正確率統計：一階得分只看答案階，正確計為1分，錯誤不計分；二階得分要求答案階和理由階都正確才計為1分，若有任何一階錯誤就不計分.［2］

如圖1所示，12道測試題中第1、8、12題一階正確率與二階正確率相同，可見學生選擇正確的答案與相應的理由匹配度較高.其他題目一階正確率均高于二階正確率，說明學生選擇出正確答案，但并沒有給出正確的理由.可見有些學生僅憑感覺答題但實際并沒有真正掌握.顯然單憑一階的答題情況是無法診斷出學生的實際水平，有時難免出現高估學生的學習能力的現象.因此加入理由階和確定度判定階進行診斷迷思概念是十分有必要的.

圖1 一階和二階正確率表格數據

3.2 三階測試結果分析

通過對問卷試題的分析，表3中列出了此次測試診斷出的11個迷思概念.其中有6個迷思概念學生表現突出，人數比例超過20%.

表3 與曲線運動相關知識迷思概念情況

從表3中可以看出，學生在運動的合成與分解和圓周運動概念認識上嚴重不足，應引起教師足夠的重視，在衛星模型方面表現較好.具體分析如下：

3.2.1 運動的合成與分解迷思概念

（1）錯誤類比型：即學生將新知識與以往學過的舊知識間建立錯誤的類比遷移.24.36%的學生把刀切割玻璃問題與小船渡河相類比，認為只要保證刀對地的速度與玻璃對地的速度的合速度垂直于玻璃板即可.實際上刀垂直切割玻璃板的運動僅僅是割刀的一個分運動v刀板，另一個分運動是與玻璃板相對靜止一起向右v板地，它們的合運動v刀地才是相對地面的運動.66.67%的學生將運動的分解等同于力的分解，將拉繩速度在水平方向進行分解得到船靠岸的速度.如圖2所示，一人拖著旅行箱在地面上行走，根據力的效果將拉力進行分解.一般將力F向水平方向（使物體向前的力F1）和豎直方向（使物體離開地面的效果的力F2）分解.而此題小船并沒有豎直向上運動的效果，所以速度分解與力的分解有所不同.

圖2 人拖著旅行箱行走

（2）情境錯配型：即在相同的知識概念下因所處情境變化導致出錯.48.71%的學生認為水平風速不影響落地速度.這是因為在新授課中教師常常以蠟塊在玻璃管中運動為例強調各分運動獨立性，并且平常遇到的問題情境也都是水平風速不影響下落的時間.而現在是問降落傘落地速度變化，這時學生不能仔細甄別情境的變化，憑借對日常所做題目和配圖的記憶而導致出錯.

（3）思維固化型：即運用規律和方法在解決實際問題時所表現出心理活動的傾向性.它是學生對物理模型的機械記憶而產生固化的思維路線、定型化的程序模式和同一的方法套路.24.30%的學生在分析平拋運動下落時間依然直接用直線運動的運動學公式來處理.

3.2.2 圓周運動迷思概念

（1）生活經驗型：生活是物理之源，觀察是物理之眼.但有些看似合理的現象因缺乏科學分析而產生錯誤的認知.7.70%的學生認為物體在拐彎時存在向外的離心力，這與生活體驗有關.比如騎自行車拐彎時人會有向外甩出去的趨勢，此時人就感覺有向外的作用力，對此在進行受力分析時學生會添加向外的離心力.而實際上離心運動不是受到離心力的作用，而是向心力不足.

圖3 場地自行車比賽

（3）主觀臆想型：即用某一物理規律片面解釋物理現象從而得到錯誤結論.35.90%的學生認為圓周運動最高點的最小速度為0.學生根據經驗豎直上拋一個物體其速度減為0時表明物體已到達了最高點.所以主觀認為小球運動到最高點的最小速度為0，接下來小球將只受重力作用做自由落體運動.但事實上做圓周運動的小球最高點的臨界速度（最小速度）是（最高點繩對小球的拉力剛好為0，只有重力提供向心力）.2.56%的學生認為圓筒轉得越快，物體與筒壁之間運動趨勢越強，與筒壁擠壓越緊彈力越大，故產生的摩擦力越大

3.2.3 衛星模型迷思概念

（1）思維固化型：即學生習慣性按照以往的思維方式思考問題，而不遵循客觀事實分析.5.13%的學生認為飛行器運行規律依然遵循衛星圍繞行星運動模型.而此情景中飛行器位于拉格朗日點軌道，在這個點飛行器幾乎不需要消耗燃料實現與地球同軸轉動.此時飛行器同時受到太陽和地球引力的共同作用，不同于常規衛星模型.

（2）模型偏差型：即受教材知識和學生能力限制，教學中需要從實際情景抽象出理想模型進行研究.這使得學生對概念的內涵和外延缺少嚴謹性，在使用規律時往往會產生模型混亂.19.23%的學生認為衛星在變軌運行中橢圓軌道與圓軌道遵循相同的動力學規律.新人教版必修2教材上有這樣的一句話，行星的橢圓軌道與圓十分接近，在中學階段我們一般按圓軌道來處理.并且在高中有關橢圓的曲率半徑問題也沒有過多涉及，這就導致學生把橢圓運動都近似為圓周運動處理.

（3）概念不清型：6.41%的學生認為當衛星進入環月軌道時已脫離地球的束縛，所以其發射速度應大于第二宇宙速度，更有甚者把發射速度直接等同于運行速度.學生孤立的認為衛星繞月運行，只受到月球的萬有引力，殊不知它們仍屬于地月體系.

4 研究結論與建議

4.1 研究結論

通過高中生曲線運動的三階測試題，不僅可以了解學生的答題思路，而且可以 更深入展現學生產生迷思概念的類型，以幫助學生構建科學的物理概念提供更為可靠的診斷結果.現得到的結論如下.

（1）學生產生迷思概念的類型分別包括錯誤類比型、情境錯配型、思維固化型、生活經驗型、概念不清型、主觀臆想型、模型偏差型等7種.［3］

（2）不同類型對學生的影響差異性不同.通過對3個主題的迷思概念原因深度剖析，我們發現錯誤類比型、情境錯配型表現最為突出.所以開展概念變式教學，比較教學是教學研究者關注的方向.

（3）由于三階測試只有一項確定度判定階，這就要求答案階與理由階具有相同的確定度，但實際上可能出現答案很確定但理由卻不確定現象.這就要求在答案階和理由階后面分別加入確定度判定階，即四階測試題.這樣我們可以診斷出更精準的迷思概念，以幫助教師更好地對癥下藥，進而采用更合適地轉變策略.

4.2 教學建議

通常學生已有的知識和概念是影響他們解決問題以及進一步獲取新知識的能力水平.

（1）關注和挖掘學生的迷思概念.迷思概念是教師進行概念教學的起點和重要的資源庫，也是實現有效教學的重要突破口.

（2）探尋和研究學生的迷思概念類型.教師根據診斷結果對若干迷思概念進行分門別類，深入了解其特點，然后有針對性地采用恰當的教學策略促進學生的概念轉變.

（3）豐富教學方式整合教學資源.在教學過程中教師要將新知識與學生已有的經驗有機結合起來，加強教學資源的整合，［4］注重對比與探究，創設合理的教學情境，讓學生經歷概念的生成，領悟概念的本質.當學生對知識理解越透徹，思維啟發越嚴密，由認知偏差帶來的負面影響就越小.當教師對轉變策略掌握越豐富，遇到問題時他采取的教學方式就越多樣，對迷思概念的轉化就越有針對性，學生的迷思概念水平就會降低.