基于三阶测试诊断高中生机械波迷思概念

郭芳侠 赵 倩

(陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西 西安 710119)

1 问题的提出

学生在学习过程中持有一些与既定科学概念相比不一致但自认为合理的认识,研究者将这种认识称为“迷思概念”.迷思概念的存在会影响学生对新概念的正确理解,并且通常难以改变,从而造成学生学习的困难[1].因此,迷思概念的诊断是教育研究中最重要的任务之一.

关于高中生对物理概念的研究主要集中在力学和电磁学领域,对机械波的关注较少.而波现象无处不在,与波相关的想法在物理学和其他领域都具有普遍性,并且许多学生发现波的概念很难理解,因为它时常表现出各种看似违背常理的特性.因此诊断学生机械波迷思概念是非常有意义的.

只有准确地诊断出学生头脑中存在的迷思概念,才可以在实际教学中帮助学生更好地学习物理知识.

目前,诊断学生迷思概念的常用方法是选择测试题.传统选择测试题是在题目之后给出正确选项和若干干扰项,让学生从中进行选择,它具有高效、客观、易于使用等优势.但传统的选择测试题掩盖了学生的做题思路,学生有可能是靠猜测选择正确答案,表现为假阳性(false positives);也有可能已完全掌握相关知识,由于个人行为习惯而选择错误答案,表现为假阴性(false negatives)[2].为了弥补传统选择测试题的缺陷,1988年特莱格斯特(Treagust)[3]提出了二阶选择测试题的编制方法,即在传统选择题的基础上加入理由阶,使学生的做题思路显现出来.在测试时,首先让学生在答案阶中选择一个,然后在理由阶中选择自己的理由[4].国内已有研究者使用二阶测试作为各种科学领域的诊断工具.然而它也有局限性:无法区分正确答案的得出是由于猜测还是真正的理解;难以诊断迷思概念产生的深层次原因.

为了进一步提高诊断的科学性,研究者加入第三阶信心指数来衡量学生对前两阶答案的确定程度,进而开发出了三阶测试题(Three-tier Tests).信心指数在测试中的应用起源于心理学领域,要求个体评估及判断自己在认知任务中的表现水平,以增加客观测试可以获得的信息量[5].在科学教育领域,国外已有不少研究在选择测试题中加入了信心指数[6，7],但我国相对较少,尚处于起步阶段.

2 三阶测试原理

2.1 三阶测试题的构成

三阶测试的每道题目均由三阶构成,第一阶(答案阶)可以理解为传统的选择题,考查学生对描述性知识的理解;第二阶(理由阶)要求学生选择第一阶答案的理由,评估学生对解释性知识的理解;第三阶(信心指数)要求学生对自己前两阶答案的确定性程度做出评价,即0%(完全靠猜测)—100%(完全有把握),目的在于区分学生出错的原因是由于迷思概念的存在还是知识缺失,也可区分正确答案的得出是猜测还是真正理解.

2.2 三阶测试的诊断方法

参考Caleon[8]和Haki[9]的标准,信心指数值以50%为分界,当学生对自己选择的答案进行相应的信心指数评价时,诊断方法如表1.

表1 三阶测试的诊断方法

注: “√”表示选答正确,“×”表示选答错误.

3 研究内容及施测对象

3.1 诊断试卷

本研究使用的测试题是在Caleon[10]机械波诊断测试题翻译的基础上,结合我国高中物理实际表述习惯,在文字上稍作修改,共12道三阶题目,主要考查的内容和对应的题号如表2所示.测试题通过2位中学物理教师和1位课程与教学论专业教授的审查以保证内容翻译正确.

表2 考查内容及题目分布

3.2 施测对象

施测选择示范高中、标准化高中、普通高中3所学校,在高二年级随机抽取7个班进行测试.共计发放测试题325份,回收316份,回收率97.23%.空白卷或未标注信心指数的问卷视为无效问卷,其中有效样本297份,有效率93.99%.

4 测试结果分析

4.1 测试题质量分析

所有数据利用Excel和SPSS软件进行录入与统计分析.全体被试学生的二阶得分在0分和12分之间,平均得分为6.47分,难度指数为0.54,说明该测试题对学生来说相对较难.由于测试题目全部是客观题,采用库德—理查逊信度公式,可得信度指数为0.75,说明这份测试题可靠性较好.

4.2 诊断结果分析

通过对问卷的分析,得到测试题一阶正确率和二阶正确率分布,如图1所示.

图1 各题的正确率分布

从图1可以看出,12道题的一阶正确率均高于二阶正确率,这表明部分学生是通过猜测选择了正确答案,并没有真正理解相关知识或者是头脑中存在着迷思概念.显然单凭一阶的诊断是无法识别出来的,这样就难免出现高估学生学习水平的情况.而三阶测试因加入了“理由阶”和“信心指数”,需要学生给自己的答案作出解释,同时需要对前两阶答案给出自己的确定程度,这可以有效的区别学生假阴性、假阳性以及知识缺失的比率分布情况,各题的诊断结果如图2所示.

图2 假阴性、假阳性及知识缺失的比率分布

由图2可以看出,对于第1、2、6道题目,假阳性比例偏高.这说明学生可以通过猜测或从记忆中获取相关的内容知识来得到正确答案,但很难选择正确的理由;对于第4、7、10道题目,假阴性比率偏高.这说明学生通常可以利用课本中的定义、定律或理论很容易地从理由阶选择正确的理由,但是难以应用它选择正确的答案.

测试题第4题的假阴性比率达到32.78%,这说明大约有98名学生出错,他们在识别纵波振幅的含义时并没有什么大的问题,但是在应用这个含义来定位图中的纵波振幅时却不如人意，更深层次来说,学生并没有真正理解纵波振幅概念的本质.这有可能是由于在课堂讨论和教科书中对横波的重视程度高于纵波.第6题的假阳性比率达到了19.06%,即大约有57名学生可能是通过猜测得到第一阶问题的正确答案,但当选择理由时,却不知道真正的原因,实际上说明这部分学生对波速的理解存在偏差,并没有对机械波相关知识完全掌握.

通过对问卷的分析,表3列举出此次测试诊断出的 8个迷思概念,其中7个表现为信心指数高于50%的真性迷思概念，另外1个表现为信心指数低于50%的假性迷思概念.

表3 机械波迷思概念情况

注: 选项C A 表示答案阶选择C,理由阶选择A,其他类似.

从表3可以看出,在机械波考查内容上,学生主要是在振动图像和波形图的识别以及波长、波速和频率之间的关系这两个方面存在迷思概念，具体分析如下.

对于第1题,学生难以识别在位移-时间(y-t)图像中呈现的波属性,大约有19.53%的学生认为y-t图像中相邻波峰之间的距离是波长而不是周期,且信心指数高达92.41%.这说明部分学生对图像的每个坐标轴代表的含义不是很明确,在他们脑海里倾向于将位移-时间(y-t)图像认为就是波形图.对于第7题,45.12%的被试学生选择了图1,他们认为无论波源如何振动,质点的振动都遵循正弦规律,并且信心指数达到了72.99%,这可能是由于教科书中普遍用正弦图像来代表波形图造成的.因为正弦图像是大家通常所熟悉的,其他两个图像很少看到.这说明部分学生根本没有认识到质点的振动必须依赖于波源的振动方式.对于第10题,6.40%的学生认为质点的振动速度等于波的传播速度.这部分学生可能误以为质点随着机械波的传播而前进,而实际上机械波在传播过程中,每一个质点都只做上下振动.对于第11题,23.57%的学生认为波从较小质量的介质传播到较大质量的介质时,波的频率将降低,且信心指数达到了60.86%.这一部分学生认为质量较大的介质具有更大的惯性,这使得通过介质传播更少的波,从而减小了波的频率，他们错误地认为波的频率与介质有关,即波从一种介质传播到另一种介质时,频率会发生改变,而没有意识到实际上频率只与波源有关.

研究结果显示,学生的迷思概念有一半是关于对波速本质的理解.第5题,21.21%的学生认为波的频率增加将导致波速增加.第6题,22.56%的学生优先考虑频率的影响,如果频率不变,波速将不会改变;而6.06%的学生优先考虑振幅的影响,认为振幅变大,质点会需要更长的时间上下振动,波速将减小.此外,对于第8题,当学生被问及如何使波更快速地传播时,有42.09%的学生认为要使波速增大,必须更快更用力地摇动绳子,即波的频率和振幅必须增大.这可能与学生对公式v=λf的误用有关,似乎这些学生认为v是一个变量,它随着f的变化而变化.虽然振幅没有出现在公式中,但是按照常理来分析,也有学生会认为振幅变化,波速也将随之变化.长此以往,学生就会形成“波速随着频率和振幅的变化而变化”的错误思维模式.

对各题的二阶正确率与答对的平均信心指数进行统计如表4.

表4 各题的二阶正确率与答对的平均信心指数(%)

如表4所示,测试题第7题正确率最低,仅为7.02%,但是学生的平均信心指数却达到了75.24%,这说明当学生给出错误的答案时,他们表现得过分自信.学生二阶答对的平均信心指数介于61.8%—90.4%,说明学生即使选择正确答案,但是仍表现出对自己的选择没有完全把握,自信心不足.在实际教学中,教师应给予这部分学生更多的关注和鼓励.

5 研究结论和建议

在信心指数的帮助下,三阶测试题不仅可以了解学生的做题思路,同时更深入地显示出学生迷思概念的类型,还可以诊断出假阴性、假阳性以及知识缺失的情况.因此三阶测试在一定程度上提高了选择测试题的评价效果,能够提供更为可靠的诊断结果.

本研究通过机械波三阶测试题诊断出8个迷思概念,其中7个是表现为高信心指数的真性迷思概念,1个是表现为低信心指数的假性迷思概念.它们存在时间持久且比较顽固,会严重影响学生的学习效果.因此在实际教学中,教师可以采取“以问题为引导的物理探究实验”策略[11],通过三阶测试诊断出的迷思概念,选择或自行设计合适的探究实验,设置相应的引导问题.在实际操作过程中,让学生回答问题,并与同组成员进行讨论,发现自己的认知冲突,完成迷思概念的转变,从而帮助学生建构科学的物理概念.

1 伊玉红,王存宽,徐志军.利用四段式测试题诊断高一学生化学键迷思概念[J].化学教育,2016,37(11):47-51.

2 郭芳侠,陈楚琪.三阶测试在中学物理教学的适用性研究[J].考试研究,2016(4): 65-70.

3 Treagust D F.The development and use of diagnostic instruments to evaluate students' misconceptions in science[J].International Journal of Science Education,1988,10(2):159-169.

4 王媛平,张齐齐,张萍.国外诊断物理迷思概念的新方法——多阶选择测试题的应用[J].物理通报,2014(12): 10-12.

5 Echternacht G J. The use confidence testing in objective tests[J]. Review of Educational Research, 1972,42(2):217-236.

6 Clement J, Brown D E, Zietsman A. Not all preconceptions are misconceptions: Finding “anchoring conceptions” for grounding instruction on students’ intuition[J]. International Journal of Science Education, 1989,11(5):554-565.

7 Hasan S, Bagayoko D,Kelley E L. Misconceptions and the Certainty of Response Index (CRI)[J]. Physics Education, 1999,34(5):294-299.

8 Caleon I,Subramaniam R.Development and Application of a Three-Tier Diagnostic Test to Assess Secondary Students' Understanding of Waves[J].International Journal of Science Education,2010,32 (7):939-961.

9 Haki Pesman.Development of a Three-tier Test to Assess Ninth Grade Students’ Misconceptions about Simple Electric Circuits[D].Middle East Technical University, 2005:158-164.

10 Caleon I. Subramaniam R. Do Students Know What They Know and What They Don’t Know? Using a Four-Tier Diagnostic Test to Assess the Nature of Students’ Alternative Conceptions [J]. Research in Science Education,2010,40(3):313-337.

11 侯丹.通过“以问题为引导的物理探究实验”策略测量和转变未来物理教师的迷思概念——以几何光学为例[J].物理教师,2015,36(8):63-66.