有效转变学生错误概念的物理辅导课——美国匹兹堡大学Tutorials

有效转变学生错误概念的物理辅导课
——美国匹兹堡大学Tutorials

杨筱荻张 燕张 萍

(北京师范大学物理学系北京100875)

摘 要：本文介绍了匹兹堡大学物理复习课中使用的教学方法——Tutorials，课程基于学生错误概念设计，采用小组讨论的合作学习模式，在帮助学生转变物理顽固错误概念、加深概念理解方面效果显著．

关键词：复习课辅导课错误概念合作学习

作者简介：杨筱荻(1990-)，女，在读硕士研究生，研究方向为物理课程与教学论专业．

通讯作者：张萍(1964-)，女，博士，教授，主要从事高等物理教育研究．

收稿日期：(20150609)

1引言

David[1]以CSEM为测量工具研究了学生在电磁学方面存在的错误概念，发现使用传统的讲授式课堂教学后，以代数为基础的物理课程学生的正确率从31%上升到47%，以微积分为基础的物理课程学生的正确率从25%上升到44%，数据说明，学生在接受课堂教学后仍存有错误概念，本文称之为顽固错误概念，需要通过复习课实现学生对物理概念的进一步理解．然而，传统的大学基础物理课程的复习课主要是由主讲教师或研究生助教讲授，一般先总结复习课程知识要点、再讲评课后作业中学生出现错误较多的习题、最后选讲一些新的例题，学生在课上只是抄写和记忆教师加工好的课程要点和习题答案，很少有积极思考．匹兹堡大学的教授Chandralekha Singh及其所在的物理教育研究团队(University of Pittsburgh Physics Education Research Group)为了帮助学生有效地转变顽固错误概念，改革了传统的以教师讲授为主的复习课模式，使用以学生互教互学为主的“辅导课”(Tutorials)的模式，研究表明：相比传统的物理复习课，辅导课在转变学生错误概念方面更有效．

2辅导课介绍

大班讲授模式的传统复习课上，教师基于以往的教学经验推测学生可能存在的顽固错误概念讲授课程，讲授过程中没有机会了解学生在听课时到底是如何思考的，存在什么样的错误概念，很难取得良好的效果．与此相比，合作学习是一种有效地转变学生错误概念的教学模式．生生互动合作学习与和教师讨论问题不同，同学之间讨论问题时，学生处于没有压力的情境，更愿意表达自己的观点、理解问题的角度和推理方法，暴露出自己的错误概念，接受对方的质疑和针对性的讲解，意见不一致的学生进行争论、辩护和质疑，引发了认知冲突，可以更有效地转变他们的错误概念．

匹兹堡大学设计使用辅导课教学模式代替单纯讲授式的大班教学复习课，每周1 h，每个班由20～30学生组成，课堂上2～3名学生组成一个小组，每组一份任务单，学生以小组讨论的形式合作和探究，实践表明：辅导课教学模式在转变学生的顽固错误概念方面十分有效．

2.1课程开发基于对错误概念的研究

匹兹堡大学教授Chandralekha Singh等人通过纸笔测验和访谈发现[2～5]，普通物理课程的学生、物理专业本科生乃至研究生对静电学存在很多错误概念，例如,无法区分电荷量、电场强度、电通量和静电力；认为只有距离某点最近的电荷才对其电场有贡献；电偶极子在电场中一定不受力；应用高斯定理时，不会进行对称性的分析；认为绝缘体能够阻隔全部的电相互作用等，其中很多错误概念经过课堂教学后依然普遍存在．为了有效地利用辅导课转变学生这些错误概念，匹兹堡大学设计使用辅导课教学模式，并且开发了用于检测学生顽固错误概念的测试题目和用于辅导课上学生合作学习的任务单等课程资源．

2.2课程模式

匹兹堡大学的辅导课包含预测试、课上依照任务单小组讨论和学习评价3个主要教学环节．学生辅导课的成绩按照任务单小组答案赋值．

2.2.1预测试——了解学生的顽固错误概念

预测试在课堂讲授教学后进行，题目涵盖物理学基本概念，用于了解学生的顽固错误概念，由此编制辅导课上用于小组讨论的任务单．以高斯定理为例，研究表明，学生在应用高斯定理时不会进行对称性分析，则课程设计以下题目[6]进行测试．

【预测试题目】如图1所示，无限长直线的电荷线密度为λ，4个假想闭合曲面与其同轴，分别为：

(1)母线长为L的空心圆柱体；

(2)直径为L的球面；

(3)边长为L的正方体面；

(4)边长为L的二维平面，带电直导线与此平面相垂直．

图1　与带电线同轴的4个假想面

以上哪些面可以作为高斯面使用高斯定理求出各P点的电场强度大小？

(1)只有(Ⅰ)

(2)只有(Ⅰ)(Ⅱ)

(3)只有(Ⅰ)(Ⅲ)

(4)只有(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)

(5)(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)(Ⅳ)均可

教师整理预测试结果，了解学生的顽固错误概念，并据此编制任务单．预测试也引发学生对相关问题深入思考，为辅导课上同学之间的讨论做准备．

2.2.2任务单——引发讨论，转变学生的顽固错误概念

教师根据预测试结果编制相应任务单进行辅导课教学．辅导课上每组学生一份任务单，任务单题目只要求定性分析而很少涉及定量计算．各小组同学需要根据任务单进行讨论．学生轮流表达自己的观点之后，不同观点的学生相互说服，最终达成一致的意见，在任务单上誊写一份小组答案．任务单题目均为问答题，内容编排遵循“暴露错误概念-引发认知冲突-解决认知冲突”的流程．有些题目还使用学生对话的形式显现出学生的错误概念，引导学生讨论．针对上文预测试中学生在应用高斯定理时关于对称性分析暴露的错误概念，设计的任务单(部分)如下：

【任务单】如图2所示为4个不能极化的中空绝缘体，带电荷量均为+Q且电荷在表面均匀分布．

(1)立方体面

(2)球面

(3)长为L的中空圆柱面

(4)不规则形状的物体

图2　形状不同的4个带电体

(1)若把以上各带电体分别用相同的球状高斯面围起来，且高斯面的球心与形状规则的物体的几何中心重合，则能够用高斯定理直接求出球状高斯面上任意一点电场强度大小的是哪个物体？请解释．

(2)请阅读以下约翰和玛丽的对话：

1)约翰：“能求出球状高斯面上任一点电场强度大小的只有电荷分布均匀的球面．”

2)玛丽：“但球面、立方体面和圆柱面都是对称的形状且电荷均匀分布，应该能够用高斯定理直接求出这3个物体外的球状高斯面上任一点的电场强度大小．”

关于以上两个同学的看法，你是否同意？请解释原因．

可以看出，任务单题目的编制均针对研究所得学生的错误概念．先使用一个练习题让学生根据自己的经验做出选择，然后使用学生对话的形式引导学生对问题进行深入思考，对话中提供学生的常见的观点，这些观点有些错误，有些部分正确，有些正确，目的是引起学生之间的认知冲突，进行全面地讨论和深度论证，从而排除各种错误建构正确概念．

有的任务单是根据学生在解题的推理过程中出现的错误设计的，对于同样的问题给出不同的推理或论证方法，让学生判断．学生在小组讨论过程中，持不同观点的学生之间必须相互说服对方，他们对任务单中给出的各种解决方案进行评价，找出其中的问题，修正其中的错误，转变或完善自己的概念．

2.2.3教学评价——促进小组合作和自主学习

学生参与预测试时，提示学生测试的目的是反馈学生中存在的错误概念，有效地组织下一个环节的教学，因此测试不针对学生答案正确与否评分；辅导课要求每个学习小组最终提交一份报告，获得团队分数，小组成员无论水平高低、贡献大小都获得相同的分数，目的是激励学生的小组合作学习，深度讨论，达到共识；为了鼓励每个学生都能积极参与辅导课上讨论，并且在课后还对相关问题进行研究，在期末考试中还会涉及到任务单中的问题．

辅导课过程助教教师并不对学生表达的观点进行评价，而是作为合作学习的辅导者．助教教师不直接回答学生的问题，而是通过苏格拉底式提问引导学生进行自主学习，避免学生轻易获得正确答案后不再深入思考．

3教学效果

迄今为止，匹兹堡大学已经开发了全套静电学辅导课的任务单，共5套：任务单Ⅰ，Ⅱ涉及在电荷连续和非连续分布的情境下运用库仑定律、叠加原理、对称性；任务单Ⅲ用来区别电通量与电场；任务单Ⅳ，Ⅴ用来处理对称性和高斯定理的关系．教学实践表明，和传统的复习课相比，辅导课模式在转变学生顽固错误概念方面取得了较好的效果．ZeynepIsvan，Chandralekha Singh和Jing Li的研究表明，参加辅导课完成高斯定理部分任务单的3个班级在相关概念测试的成绩增益明显高于传统复习课班级，如表1所示；研究也表明，这种课程模式不仅仅对学困生的错误概念转变有帮助，优等生通过辅导课的学习，相关知识的测验成绩也有所提高[7，9]．

表1　辅导课班与传统复习课班前、后测成绩对比

本文所介绍的匹兹堡大学物理辅导课课程模式体现的是以学生为中心的教育理念，学生自主学习、组内合作，通过讨论和探究的方式内化物理知识，培养了学生的探究能力、合作能力和解决问题的能力．希望能够给国内教师在探索复习课教学模式改革时提供参考．

参 考 文 献

1Maloney D P,O′Kuma T L,Hieggelke C J,et al.Surveying students′ conceptual knowledge of electricity and magnetism.American Journal of Physics,2001,69(S1):S12～S23

2Singh C.Student understanding of symmetry and Gauss′s law of electricity.American journal of physics,2006,74(10):923～936

39 Isvan Z,Singh C.Improving Student Understanding of Coulomb's Law and Gauss′s Law//2006 Physics Education Research Conference.AIP Publishing,2007,883(1):181～184

48 Bilak J,Singh C.Improving Students′ Conceptual Understanding of Conductors and Insulators.Physics Education Research Conference,2007,951

57 J.Li,Improving Students′ Understanding of Electricity and Magnetism,Ph.D.,University of Pittsburgh,2012

6http://www.per-central.org/filingcabinet/share.cfm?FID=33190&code=6B3429446B

Physics Coaching Curriculum on Changing

Students Misconceptions Effectively

——Tutorials at the University of Pittsburgh

Yang XiaodiZhangYanZhang Ping

(Department of Physics,Beijing Normal University,Beijing100875)

Abstract:This paper introduces a new form of recitation at the University of Pittsburgh - Tutorials in Introductory Physics, where students cooperate and discuss in groups. The research-based tutorials are effective to minimize students’ stubborn misconceptions and to expand their understanding of physics.

Key words:recitation;tutorials;misconceptions;cooperative learning