與熱力學(xué)相關(guān)的4份概念測試量表的比較研究

方 偉 湯 莉 王盼伊 張 璟 袁 偉 袁 婧

（上海師范大學(xué)物理系，上海 200234；2.上海市星系和宇宙學(xué)半解析研究重點實驗室，上海 200234）

1 引言

立秋早晚涼，中午汗?jié)裆?，人類生活在冷與熱的世界里，熱學(xué)相關(guān)知識可以認(rèn)為是人類接觸最早、對人類生活影響最多的物理知識.人們在成長過程中基于日常生活經(jīng)驗形成了很多有關(guān)熱與溫度的概念，但這些概念很多并不是科學(xué)概念，更多的是基于直覺的前科學(xué)概念（也稱naive conceptions、misconceptions、preconceptions等）.如認(rèn)為熱量是一種存在于物體中的物質(zhì)，并且在此樸素概念基礎(chǔ)上認(rèn)為高溫物體所含熱量多；分不清熱量與溫度的概念；基于嚴(yán)寒冬天舌頭能被戶外鐵塊粘住但不會被木頭塑料等粘住而認(rèn)為戶外鐵塊的溫度更低；基于井水冬暖夏涼的體感而認(rèn)為夏天井水溫度更低；認(rèn)為沸騰液面上方的水蒸氣溫度更高等，因而熱量、溫度等熱力學(xué)相關(guān)概念的教學(xué)顯得尤為重要.認(rèn)知科學(xué)研究表明：人腦中固有概念的改變是非常困難的，知識并不是教師教會的，而是學(xué)習(xí)者通過與其腦中已有知識建立連接而建構(gòu)起來的.如果新學(xué)知識匹配其頭腦中的已有圖式，則學(xué)習(xí)較快，但若要改變已在頭腦中建立好的知識圖式，則非常困難.因此需要基于研究的教學(xué).［1］

20世紀(jì)70～80年代發(fā)端于美國的物理教育研究將科學(xué)研究范式注入物理教學(xué)之中，研發(fā)了各種客觀的教學(xué)測試工具，以便調(diào)查學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，或評估教學(xué)效果.這些測試工具具體表現(xiàn)為針對某一部分物理知識的診斷性測試題目，但和一般試題不同，這些量表的試題經(jīng)過前期大量調(diào)研、研究和試測，題干和每個選項都經(jīng)過精心研究，具有很高的信效度，其功能類似于物理實驗中諸如電壓表、電流表一樣的測量設(shè)備.［2-4］比較著名的概念量表如力學(xué)概念測試（Force Concept Inventory，F(xiàn)CI）、簡明電磁學(xué)評估量表（Brief Electricity and Magnetism Assessment，BEMA）和 Lawson科學(xué)推理能力測試量表（Lawson Classroom Test of Scientific Reasoning，LCTSR）等.［5］國外對熱量、溫度等熱力學(xué)相關(guān)的教學(xué)研究非常多，學(xué)者們也開發(fā)了多個與熱量、溫度等熱力學(xué)相關(guān)的測試量表.［6］在由美國物理教師協(xié)會（American Association of Physics Teachers，AAPT）和堪薩斯州立大學(xué)聯(lián)合開發(fā)并受美國國家自然科學(xué)基金資助的美國重要物理教育研究網(wǎng)站PhysPort上有95份針對不同物理學(xué)科領(lǐng)域、問題解決能力、科學(xué)推理、實驗技能、學(xué)習(xí)態(tài)度等方面的量表，其中有6套與熱學(xué)相關(guān)的量表如熱學(xué)概念評估（Thermal Concept Evaluation，TCE）、熱與溫度概念評 估（Heat and Temperature Conceptual Evaluation，HTCE）、熱力學(xué)概念量表（Thermodynamic Conception Survey，TCS）、熱力學(xué)過程與熱力學(xué)第一及第二定律量表（Survey of Thermodynamic Processes and First and Second Laws，STPFaSL），等等.［7］本文接下來將對與熱量、溫度、熱力學(xué)概念和過程等相關(guān)的4份概念測試量表進行比較研究和國內(nèi)外研究綜述.本文作者研究團隊在研究過程中也翻譯了這4份量表，中文版已被PhysPort官網(wǎng)采納.［8］

2 量表的介紹與比較分析

本節(jié)我們將集中對熱學(xué)概念評估（TCE）、熱與溫度概念評估（HTCE）、熱力學(xué)概念量表（TCS）和熱力學(xué)過程與熱力學(xué)第一及第二定律量表（STPFaSL）4份量表的內(nèi)容進行介紹，并對它們進行比較分析.至于PhysPort上提到的另外兩份與熱相關(guān)的量表：TCI（Thermodynamics Concept Inventory）和 TTCI-T（Thermal and Transport Concept Inventory：Thermodynamics），本文將不涉及.對于TCI，其開發(fā)者表示該量表的開發(fā)仍在進行，不推薦使用.對于TTCI-T，PhysPort網(wǎng)站上并沒有量表可供直接下載，從其量表標(biāo)題看內(nèi)容大致被前4份量表所覆蓋，因此我們只重點介紹前4份量表.

表1列出了TCE、HTCE、TCS和STPFaSL 4份量表的具體信息，其中包括開發(fā)者及開發(fā)時間，題量、施測時間、施測對象及題目內(nèi)容所涉及的概念知識點.除STPFaSL量表中的題目牽涉多個概念（見圖1）外，其他量表的題目都明確對應(yīng)某版塊的概念.從內(nèi)容上看，HTCE中熱量與溫度的概念和TCE中的非常相似，但TCE中有關(guān)熱量與溫度的題目專注于學(xué)生的日常生活經(jīng)驗，測試題大多以對話場景出現(xiàn)，讓學(xué)生選取最認(rèn)同的那個選項.HTCE中有3道題涉及溫度隨時間的變化曲線，TCE問卷中則沒有這類圖表題.TCS內(nèi)容分為兩部分：第一部分是前16題，主要涉及溫度、熱傳遞和理想氣體，適合初高中學(xué)生；后面的19題為第二部分，涉及熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)過程等，適合大學(xué)物理層次.教學(xué)實踐中，可將第一部分作為前測，將整個問卷兩部分一起作為后測.TCS中的問題2、4、5、6和熱學(xué)概念評估TCE中的第8、11、14、6相同，TCS中的問題1、3則和HTCE中的問題8、1相同.TCS有著比TCE和HTCE都多的熱力學(xué)概念，例如TCS中的熱力學(xué)第一定律和理想氣體概念，在TCE和HTCE中均無涉及.而且TCS中的題目也比HTCE和TCE中的要更復(fù)雜些，例如在TCS中有一題涉及活塞壓縮氣體的過程，該過程一共經(jīng)歷5個步驟，每一步驟活塞位于不同的位置，相應(yīng)的題目會問這個過程中的做功、吸放熱及能量變化關(guān)系.STPFaSL比TCS多了熱機、可逆與不可逆循環(huán)、熱力學(xué)第二定律等內(nèi)容，但少了熱量與溫度的概念考查.對于熱力學(xué)第一定律，兩問卷的考查內(nèi)容有相似之處，例如STPFaSL中的第10題和TCS中的第32-34題所用p-V圖幾乎相同，考查的內(nèi)容也類似，都是相同始末狀態(tài)的不同過程的做功、吸放熱和內(nèi)能變化.

表1 TCE、HTCE、TCS和STPFaSL 4份量表的詳細(xì)信息

圖1 STPFaSL量表各題涉及的知識點一覽圖（注：R表示解決此題必需此概念，I表示盡管沒有明確要求但解決此題暗含需要此概念，M表示提到此概念但專家們認(rèn)為并不是解決此問題的必要條件.［10］）

TCE、HTCE、TCS和STPFaSL 4份量表中的幾乎所有題目均為單選題（只有HTCE中的第24題為作圖題）.這些量表中的題目之間往往并不完全獨立，例如HTCE中的第1-4、5-7、8-9、10-11、12-15、16-19、20-23、26-28題 均基于同樣的題目情景，因此盡管總共有28道題，但實際題目情景不過10個.同樣情況也出現(xiàn)在其他量表中，如TCS中的第8-10、11-12、13-15、16-19、20-25、26-28、29-31、32-34題，STPFaSL中的第1-2、3-4、5-8、11-13、23-25、31-33題，這類設(shè)計有利于全面考察學(xué)生對某個知識點概念的理解情況，同時還能互相印證，提高量表的信效度.對于TCE量表，盡管沒有類似的組題，但整個量表將所有問題都放在同一個形象化的類真實場景中，也就是一群學(xué)生小伙伴正在廚房或者自助餐廳里，這些學(xué)生善于觀察身邊的物理現(xiàn)象，并樂于向其他人提出自己的解釋，測試者則需從4～5個選項中選出最認(rèn)同的那一個.綜合4份量表內(nèi)容，結(jié)合國內(nèi)實際，TCE、TCS的第1部分適合中學(xué)生，TCS的第2部分、HTCE、STPFaSL等問卷適合大學(xué)生，整個4份量表差不多能囊括國內(nèi)從初中到大學(xué)的宏觀熱力學(xué)內(nèi)容.

3 相關(guān)研究綜述

熱學(xué)概念評估TCE由澳大利亞科廷大學(xué)的Shelley Yeo和Marjan Zadnik于2001年開發(fā).該論文至今已獲得230多次的相關(guān)研究的引用，是本文所介紹的4份量表里流傳最廣的.2012年，TCE的開發(fā)者及其合作者利用因子分析方法對該量表進行了更細(xì)致的研究，通過對515名10-12歲的韓國學(xué)生的測試，給出了量表的4個概念組，并且發(fā)現(xiàn)相比熱傳遞及溫度改變、冷凍與融化兩個概念組，沸騰、導(dǎo)熱性與熱平衡兩個概念組題目的平均得分要低很多.［9］國內(nèi)利用該量表進行研究的并不多，文獻(xiàn)［6］綜述了國外學(xué)生對溫度和熱量概念理解的研究進展，其中有對TCE的介紹，文獻(xiàn)［11］利用TCE量表進行了初中生學(xué)習(xí)熱量和溫度概念的研究，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對熱量與溫度的概念掌握的并不好，文獻(xiàn)［12］借鑒TCE量表進行了中學(xué)生對熱學(xué)概念的認(rèn)識現(xiàn)狀及其學(xué)習(xí)進階研究.

熱與溫度概念評估HTCE由David Sokoloff和Ron Thornton于2001共同研發(fā).HTCE量表具有代表性的測量結(jié)果如表2所示.通過對澳大利亞和泰國的4所大學(xué)超過1000名學(xué)生的測試，顯示學(xué)生對冷卻率、傳熱速率、比熱容、相變等概念的理解最差，這和我們的測試結(jié)果是吻合的.這些結(jié)果可為教學(xué)提供參考.［13-14］

表2 HTCE量表在國外的應(yīng)用結(jié)果

熱力學(xué)概念量表TCS由泰國清邁大學(xué)和澳大利亞悉尼大學(xué)的P.Wattanakasiwich等4位學(xué)者于2013年發(fā)布，目的是評估學(xué)生對熱力學(xué)基本概念的理解.在TCS出來之前，只有2001年發(fā)布的TCE和HTCE兩份評估問卷與熱力學(xué)領(lǐng)域的溫度、熱量相關(guān)，但沒有評測學(xué)生掌握熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)過程的量表.TCS量表由35道單選題組成，前面7題考查溫度與傳熱概念，與TCE、HECE大致相同，后面的28題涉及理想氣體定律、熱力學(xué)過程、熱力學(xué)第一定律等熱力學(xué)內(nèi)容.量表從2009年開始設(shè)計，綜合了諸多前人的工作，經(jīng)過了2000多名學(xué)生的多輪測試和研究，歷時4年才正式發(fā)布.［15］P.Wattanakasiwich等人的研究結(jié)果表明，學(xué)生有如下一些錯誤熱力學(xué)概念：① 不正確地建立壓強與溫度的關(guān)系，以為溫度升高，壓強一定會增加；② 不正確地建立溫度與熱量之間的關(guān)系，認(rèn)為熱量是一種可以注入某物體或者能從某物體中移除的物質(zhì)；③混淆系統(tǒng)對外做功和外界對系統(tǒng)做功的區(qū)別；④ 以為吸收或放出的熱量是狀態(tài)的函數(shù)；⑤ 難以運用熱力學(xué)第一定律直接從p-V圖得出吸、放熱的大小.TCS量表可以作為前后測用在大學(xué)熱學(xué)課程中，來評估和檢驗學(xué)生熱力學(xué)相關(guān)知識的掌握程度.2015年，悉尼大學(xué)的H.Georgiou和M.D.Sharma利用TCS量表作為前后測來評估學(xué)生積極主動參與類的課堂和傳統(tǒng)課堂的教學(xué)效果差異，發(fā)現(xiàn)積極主動參與類的課堂的教學(xué)效果確實要優(yōu)于傳統(tǒng)課堂.［16］Javad Hatami等人開發(fā)了一類熱力學(xué)的概念圖來作為評估課堂學(xué)習(xí)效果的工具，文中將該概念圖測試工具與TCS量表做了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩工具之間有中到強的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為0.6）.［17］P.Barniol與G.Zavala對TCS量表進行分析后指出，TCS量表的部分題目設(shè)計有些問題，他們對其進行了修正和完善.［18］

TCS量表并不含有任何關(guān)于熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容，美國匹茲堡大學(xué)Benjamin Brown和Chandralekha Singh于2015年開發(fā)了熱力學(xué)過程與熱力學(xué)第一及第二定律量表STPFaSL，該量表由33道單選題構(gòu)成，考查的知識點涉及熱力學(xué)過程、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、p-V圖、可逆過程與不可逆過程等.量表對2400多名大學(xué)生做過測試，信效度都很好，論文中基于STPFaSL量表測試結(jié)果給出了對熱力學(xué)過程、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的教學(xué)建議.［10］

4 教學(xué)啟示與結(jié)語

本文介紹的4份量表中，除了熱學(xué)概念評估TCE有國內(nèi)學(xué)者研究外，其余3份量表HTCE、TCS、STPFaSL均未檢索到有國內(nèi)學(xué)者研究，這一方面和國內(nèi)初高中物理中熱學(xué)所占比重較少有關(guān)，另一方面與當(dāng)前國內(nèi)基于實證的物理教學(xué)研究較少有關(guān).這4份量表都是關(guān)于熱力學(xué)宏觀理論，也有學(xué)者開發(fā)了分子動理論等熱力學(xué)微觀理論的量表.［19-20］研究表明，學(xué)生能在概念量表測試中拿得高分，一般也能在傳統(tǒng)考試中取得高分，但反過來未必.需要指出的是，物理教育研究也不能過于迷信概念量表，概念量表不可能包括課程里的所有知識概念，概念量表也不能測試出學(xué)生的數(shù)學(xué)能力和問題解決能力，不過有研究表明基于概念測試結(jié)果的、專注于基本知識概念理解的教學(xué)，有利于提高學(xué)生對傳統(tǒng)問題的解決能力.［1，21］

國內(nèi)的教育研究有不少是關(guān)注政策的偏向宏觀性和邏輯思辨性的文章，還有不少是基于個人經(jīng)驗性的文章，但基于實證、基于數(shù)據(jù)的物理教育研究還不多.在不少教育類碩士論文中，用于檢驗教學(xué)實驗的前后測試量表編制過于簡單和草率.量表相當(dāng)于測量教育過程和結(jié)果的“尺子”，其編制是一個相當(dāng)復(fù)雜和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南到y(tǒng)工程，一般要經(jīng)過如下7步：① 通過訪談或開放式問題收集學(xué)生想法；② 利用這些想法編制題目，問題的各選項應(yīng)包含收集到的學(xué)生的常見錯誤觀點；③ 找另一組學(xué)生來試測編制的題目，為確保學(xué)生是基于正確的原因才得到正確的答案，開發(fā)者要在測試后對每個試測的學(xué)生進行訪談；④ 將問卷分發(fā)給領(lǐng)域內(nèi)的專家，以確保題目所考察的確實是該知識版塊的重要概念，同時也請專家核實答案的正確性；⑤ 基于專家和學(xué)生的反饋修改問卷；⑥ 向更大范圍的學(xué)生施測問卷，詳細(xì)檢測問卷結(jié)果的可重復(fù)性和各選項的得分分布，利用不同的統(tǒng)計方法來檢測量表的信效度；⑦ 再次修改量表.［21］可見量表并非如編制課后測試題那么簡單，要經(jīng)過多輪測試和專家把關(guān)，這也是本文介紹4個涵蓋初高中直至大學(xué)層次的熱力學(xué)量表的原因，這些量表編制過程遵循了科學(xué)研究的規(guī)范，具有較高的信效度，用于教學(xué)實驗的前后測量較為可靠.由于國外學(xué)生的思維、成長環(huán)境、精力等與國內(nèi)學(xué)生不同，導(dǎo)致學(xué)生的迷思概念可能也有不同，因而在利用這些量表開展國內(nèi)研究時，要對量表進行試測和（或）適當(dāng)改編，對量表的信效度要重新考查，最后得到適合國內(nèi)學(xué)生的修正版量表.如果能基于物理教育研究的科學(xué)范式，自主開發(fā)出完全基于國內(nèi)學(xué)生實情服務(wù)于國內(nèi)物理教育研究的概念量表，則其意義更為重要.