有效轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤概念的物理輔導(dǎo)課
——美國匹茲堡大學(xué)Tutorials

楊筱荻張 燕張 萍

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系北京100875)

摘 要：本文介紹了匹茲堡大學(xué)物理復(fù)習(xí)課中使用的教學(xué)方法——Tutorials，課程基于學(xué)生錯誤概念設(shè)計，采用小組討論的合作學(xué)習(xí)模式，在幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變物理頑固錯誤概念、加深概念理解方面效果顯著．

關(guān)鍵詞：復(fù)習(xí)課輔導(dǎo)課錯誤概念合作學(xué)習(xí)

作者簡介：楊筱荻(1990-)，女，在讀碩士研究生，研究方向為物理課程與教學(xué)論專業(yè)．

通訊作者：張萍(1964-)，女，博士，教授，主要從事高等物理教育研究．

收稿日期：(20150609)

1引言

David[1]以CSEM為測量工具研究了學(xué)生在電磁學(xué)方面存在的錯誤概念，發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)的講授式課堂教學(xué)后，以代數(shù)為基礎(chǔ)的物理課程學(xué)生的正確率從31%上升到47%，以微積分為基礎(chǔ)的物理課程學(xué)生的正確率從25%上升到44%，數(shù)據(jù)說明，學(xué)生在接受課堂教學(xué)后仍存有錯誤概念，本文稱之為頑固錯誤概念，需要通過復(fù)習(xí)課實現(xiàn)學(xué)生對物理概念的進一步理解．然而，傳統(tǒng)的大學(xué)基礎(chǔ)物理課程的復(fù)習(xí)課主要是由主講教師或研究生助教講授，一般先總結(jié)復(fù)習(xí)課程知識要點、再講評課后作業(yè)中學(xué)生出現(xiàn)錯誤較多的習(xí)題、最后選講一些新的例題，學(xué)生在課上只是抄寫和記憶教師加工好的課程要點和習(xí)題答案，很少有積極思考．匹茲堡大學(xué)的教授Chandralekha Singh及其所在的物理教育研究團隊(University of Pittsburgh Physics Education Research Group)為了幫助學(xué)生有效地轉(zhuǎn)變頑固錯誤概念，改革了傳統(tǒng)的以教師講授為主的復(fù)習(xí)課模式，使用以學(xué)生互教互學(xué)為主的“輔導(dǎo)課”(Tutorials)的模式，研究表明：相比傳統(tǒng)的物理復(fù)習(xí)課，輔導(dǎo)課在轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤概念方面更有效．

2輔導(dǎo)課介紹

大班講授模式的傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課上，教師基于以往的教學(xué)經(jīng)驗推測學(xué)生可能存在的頑固錯誤概念講授課程，講授過程中沒有機會了解學(xué)生在聽課時到底是如何思考的，存在什么樣的錯誤概念，很難取得良好的效果．與此相比，合作學(xué)習(xí)是一種有效地轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤概念的教學(xué)模式．生生互動合作學(xué)習(xí)與和教師討論問題不同，同學(xué)之間討論問題時，學(xué)生處于沒有壓力的情境，更愿意表達自己的觀點、理解問題的角度和推理方法，暴露出自己的錯誤概念，接受對方的質(zhì)疑和針對性的講解，意見不一致的學(xué)生進行爭論、辯護和質(zhì)疑，引發(fā)了認知沖突，可以更有效地轉(zhuǎn)變他們的錯誤概念．

匹茲堡大學(xué)設(shè)計使用輔導(dǎo)課教學(xué)模式代替單純講授式的大班教學(xué)復(fù)習(xí)課，每周1 h，每個班由20～30學(xué)生組成，課堂上2～3名學(xué)生組成一個小組，每組一份任務(wù)單，學(xué)生以小組討論的形式合作和探究，實踐表明：輔導(dǎo)課教學(xué)模式在轉(zhuǎn)變學(xué)生的頑固錯誤概念方面十分有效．

2.1課程開發(fā)基于對錯誤概念的研究

匹茲堡大學(xué)教授Chandralekha Singh等人通過紙筆測驗和訪談發(fā)現(xiàn)[2～5]，普通物理課程的學(xué)生、物理專業(yè)本科生乃至研究生對靜電學(xué)存在很多錯誤概念，例如,無法區(qū)分電荷量、電場強度、電通量和靜電力；認為只有距離某點最近的電荷才對其電場有貢獻；電偶極子在電場中一定不受力；應(yīng)用高斯定理時，不會進行對稱性的分析；認為絕緣體能夠阻隔全部的電相互作用等，其中很多錯誤概念經(jīng)過課堂教學(xué)后依然普遍存在．為了有效地利用輔導(dǎo)課轉(zhuǎn)變學(xué)生這些錯誤概念，匹茲堡大學(xué)設(shè)計使用輔導(dǎo)課教學(xué)模式，并且開發(fā)了用于檢測學(xué)生頑固錯誤概念的測試題目和用于輔導(dǎo)課上學(xué)生合作學(xué)習(xí)的任務(wù)單等課程資源．

2.2課程模式

匹茲堡大學(xué)的輔導(dǎo)課包含預(yù)測試、課上依照任務(wù)單小組討論和學(xué)習(xí)評價3個主要教學(xué)環(huán)節(jié)．學(xué)生輔導(dǎo)課的成績按照任務(wù)單小組答案賦值．

2.2.1預(yù)測試——了解學(xué)生的頑固錯誤概念

預(yù)測試在課堂講授教學(xué)后進行，題目涵蓋物理學(xué)基本概念，用于了解學(xué)生的頑固錯誤概念，由此編制輔導(dǎo)課上用于小組討論的任務(wù)單．以高斯定理為例，研究表明，學(xué)生在應(yīng)用高斯定理時不會進行對稱性分析，則課程設(shè)計以下題目[6]進行測試．

【預(yù)測試題目】如圖1所示，無限長直線的電荷線密度為λ，4個假想閉合曲面與其同軸，分別為：

(1)母線長為L的空心圓柱體；

(2)直徑為L的球面；

(3)邊長為L的正方體面；

(4)邊長為L的二維平面，帶電直導(dǎo)線與此平面相垂直．

圖1　與帶電線同軸的4個假想面

以上哪些面可以作為高斯面使用高斯定理求出各P點的電場強度大??？

(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

教師整理預(yù)測試結(jié)果，了解學(xué)生的頑固錯誤概念，并據(jù)此編制任務(wù)單．預(yù)測試也引發(fā)學(xué)生對相關(guān)問題深入思考，為輔導(dǎo)課上同學(xué)之間的討論做準備．

2.2.2任務(wù)單——引發(fā)討論，轉(zhuǎn)變學(xué)生的頑固錯誤概念

教師根據(jù)預(yù)測試結(jié)果編制相應(yīng)任務(wù)單進行輔導(dǎo)課教學(xué)．輔導(dǎo)課上每組學(xué)生一份任務(wù)單，任務(wù)單題目只要求定性分析而很少涉及定量計算．各小組同學(xué)需要根據(jù)任務(wù)單進行討論．學(xué)生輪流表達自己的觀點之后，不同觀點的學(xué)生相互說服，最終達成一致的意見，在任務(wù)單上謄寫一份小組答案．任務(wù)單題目均為問答題，內(nèi)容編排遵循“暴露錯誤概念-引發(fā)認知沖突-解決認知沖突”的流程．有些題目還使用學(xué)生對話的形式顯現(xiàn)出學(xué)生的錯誤概念，引導(dǎo)學(xué)生討論．針對上文預(yù)測試中學(xué)生在應(yīng)用高斯定理時關(guān)于對稱性分析暴露的錯誤概念，設(shè)計的任務(wù)單(部分)如下：

【任務(wù)單】如圖2所示為4個不能極化的中空絕緣體，帶電荷量均為+Q且電荷在表面均勻分布．

(1)立方體面

(2)球面

(3)長為L的中空圓柱面

(4)不規(guī)則形狀的物體

圖2　形狀不同的4個帶電體

(1)若把以上各帶電體分別用相同的球狀高斯面圍起來，且高斯面的球心與形狀規(guī)則的物體的幾何中心重合，則能夠用高斯定理直接求出球狀高斯面上任意一點電場強度大小的是哪個物體？請解釋．

(2)請閱讀以下約翰和瑪麗的對話：

1)約翰：“能求出球狀高斯面上任一點電場強度大小的只有電荷分布均勻的球面．”

2)瑪麗：“但球面、立方體面和圓柱面都是對稱的形狀且電荷均勻分布，應(yīng)該能夠用高斯定理直接求出這3個物體外的球狀高斯面上任一點的電場強度大?。?/p>

關(guān)于以上兩個同學(xué)的看法，你是否同意？請解釋原因．

可以看出，任務(wù)單題目的編制均針對研究所得學(xué)生的錯誤概念．先使用一個練習(xí)題讓學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗做出選擇，然后使用學(xué)生對話的形式引導(dǎo)學(xué)生對問題進行深入思考，對話中提供學(xué)生的常見的觀點，這些觀點有些錯誤，有些部分正確，有些正確，目的是引起學(xué)生之間的認知沖突，進行全面地討論和深度論證，從而排除各種錯誤建構(gòu)正確概念．

有的任務(wù)單是根據(jù)學(xué)生在解題的推理過程中出現(xiàn)的錯誤設(shè)計的，對于同樣的問題給出不同的推理或論證方法，讓學(xué)生判斷．學(xué)生在小組討論過程中，持不同觀點的學(xué)生之間必須相互說服對方，他們對任務(wù)單中給出的各種解決方案進行評價，找出其中的問題，修正其中的錯誤，轉(zhuǎn)變或完善自己的概念．

2.2.3教學(xué)評價——促進小組合作和自主學(xué)習(xí)

學(xué)生參與預(yù)測試時，提示學(xué)生測試的目的是反饋學(xué)生中存在的錯誤概念，有效地組織下一個環(huán)節(jié)的教學(xué)，因此測試不針對學(xué)生答案正確與否評分；輔導(dǎo)課要求每個學(xué)習(xí)小組最終提交一份報告，獲得團隊分數(shù)，小組成員無論水平高低、貢獻大小都獲得相同的分數(shù)，目的是激勵學(xué)生的小組合作學(xué)習(xí)，深度討論，達到共識；為了鼓勵每個學(xué)生都能積極參與輔導(dǎo)課上討論，并且在課后還對相關(guān)問題進行研究，在期末考試中還會涉及到任務(wù)單中的問題．

輔導(dǎo)課過程助教教師并不對學(xué)生表達的觀點進行評價，而是作為合作學(xué)習(xí)的輔導(dǎo)者．助教教師不直接回答學(xué)生的問題，而是通過蘇格拉底式提問引導(dǎo)學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)，避免學(xué)生輕易獲得正確答案后不再深入思考．

3教學(xué)效果

迄今為止，匹茲堡大學(xué)已經(jīng)開發(fā)了全套靜電學(xué)輔導(dǎo)課的任務(wù)單，共5套：任務(wù)單Ⅰ，Ⅱ涉及在電荷連續(xù)和非連續(xù)分布的情境下運用庫侖定律、疊加原理、對稱性；任務(wù)單Ⅲ用來區(qū)別電通量與電場；任務(wù)單Ⅳ，Ⅴ用來處理對稱性和高斯定理的關(guān)系．教學(xué)實踐表明，和傳統(tǒng)的復(fù)習(xí)課相比，輔導(dǎo)課模式在轉(zhuǎn)變學(xué)生頑固錯誤概念方面取得了較好的效果．ZeynepIsvan，Chandralekha Singh和Jing Li的研究表明，參加輔導(dǎo)課完成高斯定理部分任務(wù)單的3個班級在相關(guān)概念測試的成績增益明顯高于傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課班級，如表1所示；研究也表明，這種課程模式不僅僅對學(xué)困生的錯誤概念轉(zhuǎn)變有幫助，優(yōu)等生通過輔導(dǎo)課的學(xué)習(xí)，相關(guān)知識的測驗成績也有所提高[7，9]．

表1　輔導(dǎo)課班與傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課班前、后測成績對比

本文所介紹的匹茲堡大學(xué)物理輔導(dǎo)課課程模式體現(xiàn)的是以學(xué)生為中心的教育理念，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、組內(nèi)合作，通過討論和探究的方式內(nèi)化物理知識，培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力、合作能力和解決問題的能力．希望能夠給國內(nèi)教師在探索復(fù)習(xí)課教學(xué)模式改革時提供參考．

參 考 文 獻

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