高中生力学概念表征形式的现状调查研究

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表征一直是理科教育研究的热门领域,多重表征的教学有利于学生对物理概念的深入理解,但学生不同表征能力是不平衡的,因此有必要研究同一题目的不同表征形式对学生解题的影响。力学概念测试卷FCI(Force Concept Inventory)考查了学生不同力学情境中的几种表征能力,但它没有对学生在固定情境下使用多种表征的能力进行系统评估。芬兰的安蒂·萨维奈宁(Antti Savinainen)和帕西涅米宁(Pasi Nieminen)等学者基于FCI试题共同开发了测试卷R-FCI(Representational Variant of the Force Concept Inventory)可以得到各种表征之间存在统计上的显著差异。笔者基于R-FCI试题主要研究高中生力学概念文字和图形(示意图和函数图)表征形式的表征现状以及探究力学概念的不同表征形式对学生问题解决的影响。主要采用的研究方法有文献研究法、纸笔测验法、口语报告分析法和访谈法。研究内容有以下三个部分:第一部分是对表征试卷的整理和检验。笔者首先翻译、整理R-FCI试题得到测评需要的表征试卷。然后对表征试卷进行整体质量检验,得到的结果是表征试卷内容比较有效、可靠,区分度较好,试卷的大部分试题和Rasch模型拟合程度较好。第二部分是高中生力学概念表征试卷的测评。研究对象来自重庆三所物理学业成绩不同的学校,分别简称A学校、B学校和C学校。A学校是乡镇中学,B学校是城市普通中学,C学校是城市重点中学,物理学业成绩C学校高于B学校高于A学校。在每个学校高一和高二年级挑选三个物理学业成绩几乎相同的普通班级进行测试,测试结束后通过SPSS软件对测试结果进行分析,主要比较了不同表征试卷的回答和相同表征试卷的回答,目的是初步了解学生力学概念的不同表征是否存在差异,即力学概念的表征形式对学生问题解决是否有影响,以及了解不同学校、年级和男女生关于力学概念的表征是否存在显著差异。第三部分是高中生力学概念表征试卷的口语报告和访谈。通过口语报告分析法,客观了解力学概念不同表征形式在学生解题过程中的影响,以及初步了解学生回答错误原因。通过访谈,一方面可以了解学生自己认为不同表征形式对其解题有什么影响,另一方面是可以深入了解学生回答错误原因。结合第二部分和第三部分的研究结果分析,主要得到以下几个结论:第一,高中生力学概念的文字表征水平高于图形(示意图和函数图)表征水平,说明力学概念的表征形式对学生解题有一定影响。根据口语报告和访谈结果可知,表征形式对其解题是否有影响与学生的力学概念掌握情况有关,如果学生力学概念掌握的较好,那么力学概念的表征形式对其解题无明显影响;如果学生力学概念掌握的一般或较差,那么力学概念的表征形式对其解题有一定影响,其中力学概念的文字表征形式对其解题的主要影响是文字多阅读量大、不直观,容易误选选项,力学概念的图形表征形式对其解题的主要影响是学生不能正确理解图形所代表的意义,不能区分相似图形。对于受力分析一类的题,大部分学生觉得示意图表征形式更好。第二,在表征试卷所考查的力学概念中,学生对牛顿第三定律概念掌握得最好,对牛顿第二定律概念掌握得最差,且对同一力学概念往往存在相同或相似的前概念。第三,物理成绩越好的学校,学生关于力学概念各表征水平更高。C学校(物理成绩较好)的学生关于力学概念的各表征水平高于B学校(物理成绩中等)高于A学校(物理成绩较差),且C学校(物理成绩较好)高一年级的学生力学概念各表征水平基本与B学校(物理成绩中等)高二年级的学生相同,B学校(物理成绩中等)高一年级的学生力学概念各表征水平基本与A学校(物理成绩较差)高二年级的学生相同。第四,大部分学校高二年级的学生关于力学概念的各表征水平比高一年级高。A学校的高一年级文字表征试卷与高二年级文字表征试卷存在显著差异,B学校的高一年级各表征试卷与高二年级各表征试卷均存在显著差异,且A、B两所学校高二年级的各表征试卷平均分均比高一年级高,说明这两所学校高二年级的学生关于力学概念的表征水平高于高一年级。第五,高二年级男女生关于力学概念各表征水平无明显差异,高一年级部分男生的表征水平高于女生。三所学校高二年级男女生的各表征试卷之间均不存在显著差异,说明高二年级的学生关于力学概念的表征无明显性别差异。三所学校高一年级部分男女生的表征试卷之间存在显著差异,且均是男生的平均分高于女生,该数据说明高一年级的部分男女生关于力学概念的表征水平有一定差别,部分男生的表征水平高于女生。在此基础上,本研究提出了三个关于教学的建议:教师教学时应设计与学生前概念特点相匹配的教学、教师教学时应加强学生对图形的理解、教师教学时应引导学生对相似物理模型进行区分。
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