基于认知过程的物理概念理解诊断性测试框架

杨双伟 张玉峰

摘 要：对物理概念理解的诊断，是学生物理概念高效学习的重要前提.本文基于已有研究成果，首先梳理基于认知过程的科学概念理解内涵和层级，然后对基于科学概念理解内涵和层级建构的物理概念理解诊断性测评框架指标进行描述说明，最后通过对具体测试题目的案例分析，进一步解读测评框架指标.

关键词：物理概念理解;诊断;框架

文章编号：1008-4134（2020）07-0002中图分类号：G633.7文献标识码：A

基金项目：北京市教育科学“十三五”规划2018年度一般课题“基于课前学习诊断的教学整合模式研究”（项目编号：CDDB18155）.

作者简介：杨双伟（1979-），女，黑龙江绥化人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理教学;

张玉峰（1973-），男，山东泰安人，博士，中学高级教师，北京市教育科学研究院基础教育教学研究中心教研员，研究方向：物理课程与教学论.

物理概念理解既是发展学生物理观念的具体内容，也是应用物理概念解决实际问题的基础.而学生在物理概念理解的过程中，需要经历建模、科学推理、科学论证、质疑创新、提出问题与猜想、设计实验与解释论证等思维活动，所以物理概念理解过程也是发展学生科学思维、科学探究的过程.

有研究表明，教学中更多关注应用概念解决实际问题的训练，但事实上学生应用概念解决实际问题的能力并没有得到应有的发展[1].其主要原因在于：概念教学不能让学生实现科学概念的建构[2].从教学实践来看，教学改进的动力往往来自测试反馈的信息.但目前针对学生学习过程的测评更多是指向概念应用过程，针对概念理解过程的测评很少，缺乏精准诊断的教学必将严重制约教师概念理解教学效率和学生的概念理解学习效率.

因此，本文梳理基于认知过程的科学概念理解内涵和层级，对基于科学概念理解内涵和层级建构的物理诊断性测评框架指标进行描述说明，并通过对具体测试题目案例分析，进一步解读测评框架指标.

1 科学概念理解的内涵及层级

弄清楚科学概念理解的内涵，并基于此建构科学概念理解的层级是进行概念理解测评的理论基础.

1.1 科学概念理解的内涵

科学概念是对客观事物本质属性的抽象概括，是构成科学知识体系的核心要素.作为思维形式的科学概念既是学生科学素养的重要组成部分，也是学生科学思维能力发展的基础和培养载体[3].科学概念理解是指弄清楚事实或者经验与概念，以及概念与原有知识体系间实质性联系的认识活动[4].根据理解内容或者结果的不同，科学概念理解的主要认知过程可以分为三个：抽象概括过程，即从事实与经验经过抽象、概括，得出作为思维形式的概念的过程;整合过程，即把作为抽象思维形式的概念纳入原有知识体系，与已有知识建立具有实质联系的过程;反省认知过程，即反省概念得出以及将其纳入原有知识体系，与其它概念建立实质联系过程中所使用的认知策略、思想方法、跨学科概念等思维工具的过程[5].

1.2 科学概念理解的层级

据科学概念理解的界定及已有研究，拟定学生科学概念理解学习进阶各层级的具体表现，见表1[5].

科学概念理解层级及其具体表现从总体上基于认知复杂度刻画了科学概念理解由浅入深、由简单到复杂的认知过程.认知复杂度的提升具体可以体现在以下几个方面：（1）从事实经验的感性认识逐渐上升到形成概念的理性认识;（2）从事实、物理概念等要素之间的少量、碎片化的关联逐渐上升到更多、更完整的关联;（3）从定性关联上升到定量关联;（4）从关注学科概念上升到跨学科概念.

2 物理概念理解的诊断性测试框架

科学概念理解层级及其具体表现可以作为建构基于认知过程的物理概念理解诊断性测试框架的理论基础.

2.1 测试框架二级指标体系

北京高中物理教研团队依据2017年版物理课标，提取出物理观念的水平可以从物理概念、规律的理解以及用这些概念、规律解决物理问题两个角度进行评价.而基于对学生概念理解内涵和层级及其具体表现研究分析，为了精准命制物理概念理解测试题目，从认知过程角度分解物理概念理解这个一级指标，提取认知过程中的关键点，形成指向更加明确的二级指标.物理概念理解诊断性测试框架二级指标体系见表2[4].

2.2 测试框架的二级指标分析与说明

下面参考已有研究，对如何应用表2中的诊断性测试二级指标指导命题做进一步的具体分析和说明.

2.2.1 “概括论证”指标

“概括论证”指标，来源于对概念理解层级中“事实经验”“映射”以及“关联”三个层级的学生认知过程关键点的分析.描述的是学生在不同的物理概念學习过程中，经历过“事实经验”“映射”“关联”的学习过程，逐步形成的能力特征.如果学生形成了“概括论证”能力，那么应该能从事实经验中提取事物或过程的本质特征，能在已有知识基础上通过逻辑推理得出概念.

在基于“概括论证”指标测评学生的过程中，测评载体可以是未知的物理概念经由“事实经验”提取事物或者过程本质特征的考查，也可以是在已有知识基础上通过逻辑推理，得出概念过程等.比如基于电场强度、磁感应强度概念的学习过程，以及重力的学习，考查学生能否自己建立重力场强度概念.

2.2.2 “关联整合”指标

“关联整合”指标，来源于对概念理解层级中的“关联”“概念”和“整合”三个层级的学生认知过程关键点的分析.描述的是学生在物理概念学习过程中，经历过不同概念的“关联”“概念”“整合”的学习过程，而逐步形成的一种能力特征.如果学生形成了“关联整合”能力，那么应该能建立知识间的联系，能说明知识与核心概念间的关系以及知识在核心概念体系中的地位.

在基于“关联整合”指标测评学生的过程中，载体可以是已经学习过的概念，考查学生对一系列概念间关系的理解.比如考查学生对速度、加速度、力这几个概念间关系的认识.载体也可以是知识网络图的绘制，考查学生对于具体知识与核心概念间的关系是否有清晰认识等.

2.2.3 “策略反省”指标

“策略反省”指标，来源于对概念理解层级中“整合”层级的学生认知过程关键点的分析.描述的是学生在不同物理概念学习过程中，经历过不同概念的“整合”学习过程，逐步形成的能力特征.如果学生形成了“策略反省”能力，那么学生能说明知识建立过程和知识关联中蕴含的思维方式、策略与研究方法等认识方式.

在基于“策略反省”指标测评学生的过程中，考查的载体可以是具体学习过的物理概念研究方法的直接认识.比如考查学生是否能陈述“电场强度、磁感应强度、加速度、电功率”这几个概念定义的相同点和不同点.也可以检测某一概念建立过程蕴含的思维方式或者策略等.比如可以检测学生是否会为斜上抛运动寻找分运动，并能够陈述寻找分运动的依据.

3 基于测试框架命制诊断性试题的说明及案例分析

在教学实践过程中，诊断概念理解的依据可以是多方面的，比如测试、学生作业中的错误分析、教师的教学经验以及访谈等.在多种诊断依据中，定量考查学生“物理概念理解”测评框架中各个二级指标，命制统一的测试题目是较为理想方式.一方面，测试题目考查对象范围广，一次性可以获取多名学生数据;另一方面，所有测试题目命制时有测试概念理解认知过程的明确指向，基于评定标准，定量统计学生测试结果，可以定量分析出群体或者个人在概念理解的哪个认知环节存在问题.再有，计算类测试题目会留有学生思考过程的痕迹，便于佐证定量统计结果.

3.1 基于测试框架命制诊断性试题的说明

概念理解是一种内隐的心理认知特质，如何基于测评框架指标，命制出合适的题目考查学生，并以考查结果作为学生外显行为，对学生物理概念理解情况进行诊断和评估？从研究来看，测试题应该具备四个方面的属性：问题情境、知识载体、认识领域、认识方式[6].

首先，问题情境.测试题目中的问题情境，可以是学生熟悉的身边实际生活情境也可以是科技前沿情境，还可以是实验过程或者具体物理过程等.其次，认识领域.在命制题目时，要考虑题目的明确考查指向为“概念理解”领域.第三，知识载体和认识方式.在具体的问题情境中，以学生已经学习过的或者未学过的知识为载体.如果用已经学习过的知识为载体考查学生的概念理解能力，一般可以考查学生的“概括论证”“关联整合”能力，即从事实经验中提取概念的本质特征，或者考查学生是否具有建立知识间联系的能力.而这个过程学生认识方式必然伴随被考查，一般可能会同步考查学生的建模、或者推理论证能力.如果用未学过的知识为载体考查学生的概念理解能力，一般可以考查学生的“策略反省”能力，即学生是否已经认识了知识建立过程或者知识关联中蕴含的某一策略或者某一研究方法.而这个过程对于学生认识方式的考查可能会伴随考查建模、推理论证、质疑创新、科学探究能力.

除了上述四个方面属性，测试题目命制过程还要注重题目的科学性、规范性、简洁性和可读性.

3.2 诊断性测试题目案例分析

下面以北京物理教研团队命制的测试题目中，考查学生物理概念理解指标下概括论证、关联整合、策略反省三个二级指标的题目为例，分析说明测试题.

题目1 如图1所示，足够短的a、b两段通电直导线，分别放置于磁场P、Q两处，并与该处磁场方向垂直，相关参数见表3.

分析：该题目主要考查的是学生物理概念理解中的“概括论证”能力和科学思维中的“模型建构”能力.该题目的问题情境是通电导线在磁场中受力，磁感应强度是学生已经学过的知识.在同一位置，垂直情况下“电流元”不同，受力会不同，在不同位置“电流元”相同，但受力会不同这些实验事实，需要学生提取比值这个本质特征，而后定义磁感应强度.但“比值”是否必须是力除以电流元，能否是电流元除以力呢？从“描述磁场强弱”这个物理意义看“比值”特征，应该都是可以的，所以该题目C选项和D选项都正确.实际中之所以用力除以电流元和人们的认识习惯有关.所以该题目考查学生概念理解的“概括论证”能力.研究对象选择“电流元”而不是随意的一段导线，这个考查的是学生的模型建构能力.

题目2 已知“题目1”导线a中单位体积的自由电子数目为n，自由电子的电荷量为e，定向移动速率

为v，P处磁感应强度大小为B，请由安培力的表达式推导在上一问中导线a中单个自由电子由于定向移动而受磁场作用力的表达式.

分析：该题目考查的是物理概念理解中的“关联整合”能力和科学思维中的“推理”能力.该题目以磁场中通电导线和单个电子运动受力为问题情境，以安培力与洛伦兹力为知识载体.因为安培力是洛伦兹力的宏观表现，微观多个同向洛伦兹力的合成表现为宏观的安培力.所以该题目考查的是学生能否建立已经学习过的安培力和洛伦兹力的联系，即考查学生的概念间“关联整合”能力.而如何定量由安培力推导出洛伦兹力，这个考查的是学生科学思维中的推理能力.

题目3  在物理学中，把很短一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积IL叫做电流元.将电流元垂直于磁场方向放入磁场中某处时，电流元所受到的磁场力F与电流元IL之比叫做该点的磁感应强度，即B=FIL.在磁场中定向移动的自由电子e也会受到磁场的作用力f，请说明如何根据这一特点来定义某处的磁感应强度，并给出定义式.

分析：该题目考查的是物理概念理解中的“策略反省”能力和科学思维中的“质疑创新”能力.该题目以磁场中电流元受力和运动电子受力为问题情境.以电流元为研究对象，建立磁感应强度概念是学生已经学习过的知识，但用洛伦兹力来定义磁感应强度学生并没有学习过，所以是新的知识.基于“用力除以电流元定义磁感应强度”这一知识建立过程蕴含的比值定义的认识，学生要类比迁移到研究对象为电荷，用洛伦兹力除以电量和速度的乘积定义磁感应强度，所以该题目考查的是学生概念理解的“策略反省”能力.除了学生迁移比值定义的认识外，同时，对于结果中洛伦兹力表达式“速度与磁感应强度垂直”的条件还需要加以说明，这点考查的是学生科学思维中的质疑能力，所以该题目还考查学生的质疑创新能力.

参考文献：

[1] 徐宁.基于認知模式转化的高中物理概念教学研究[D].北京：北京师范大学，2009.

[2] 胡久华，支瑶.促进学生科学概念理解的教学设计[J].中国教育学刊，2006（09）：52-55.

[3] 赵凯华，陈熙谋.电磁学第3版[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4] 张玉峰.为了物理学科核心素养发展的学习诊断：概念、路径与内容框架[J].中学物理，2020（01）：1-6.

[5] 张玉峰.基于概念理解测试的科学概念教学策略[J].教育科学研究，2018（05）：58-62.

[6] 郭玉英，姚建欣，张玉峰.基于学生核心素养的物理学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017.

（收稿日期：2020-02-01）