基于Peer Instruction教學(xué)方法研究大學(xué)生物理錯誤概念——以動生電動勢為例

張 萍 齊 薇 王媛平 張齊齊

（北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875）

學(xué)生在系統(tǒng)學(xué)習(xí)物理概念之前，頭腦中已經(jīng)存在了一些來自于生活經(jīng)驗的對物理現(xiàn)象的一般認識，這就是前概念（preconceptions）．由于這些前概念通常不同于科學(xué)概念，也被稱為錯誤概念（misconceptions），學(xué)生處于不同學(xué)習(xí)階段的概念水平不同，其錯誤表現(xiàn)也不同，這些錯誤一方面源于生活經(jīng)驗，另一方面來源于前期課程的學(xué)習(xí)．錯誤概念廣泛存在于學(xué)生頭腦中，并會嚴重影響學(xué)生對物理概念的學(xué)習(xí)，所以研究學(xué)生的錯誤概念對有效教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量有重要意義．

1 Peer Instruction教學(xué)方法與錯誤概念的研究

我們使用同伴教學(xué)法（Peer Instruction簡稱：PI）講授大學(xué)物理課程［1］，要求學(xué)生課前自學(xué)掌握課程基本知識，上課時老師不再按部就班地講授全部課程內(nèi)容，而是圍繞課程的核心概念設(shè)計一些概念測試題（ConceptTest），讓學(xué)生基于這些問題進行小組討論，加深對物理概念的理解［2］，教師基于學(xué)生自學(xué)和相互討論后達到的學(xué)習(xí)水平，確定課程教學(xué)內(nèi)容，只講重點、難點和關(guān)鍵點，幫助學(xué)生完善物理知識結(jié)構(gòu)．為了設(shè)計出好的概念測試題引發(fā)學(xué)生討論，為了瞄準(zhǔn)學(xué)生學(xué)習(xí)困難高效地講授課程，教師必須了解學(xué)生中存在哪些錯誤概念，因此，使用PI教學(xué)法要求我們研究學(xué)生的物理錯誤概念．同時，PI教學(xué)方法要求學(xué)生在課堂上基于概念測試題進行小組討論，口頭交流可以使學(xué)生的錯誤概念外顯，為教師提供研究學(xué)生錯誤概念的機會．

2 研究方法

使用PI教學(xué)方法，設(shè)計概念測試題（多項選擇題），在課堂上讓學(xué)生先給出個人答案，然后在小組中討論，教師對學(xué)生討論進行錄音，通過對所有小組的錄音進行轉(zhuǎn)錄，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在討論過程中出現(xiàn)的各種錯誤說法，將學(xué)生各種說法進行分析、歸類、編碼，統(tǒng)計得出學(xué)生中存在的物理錯誤概念．研究設(shè)計分兩個步驟，進行兩輪研究．第一輪研究的概念測試題是單選題，學(xué)生選擇自己認為正確的答案，在小組討論中說明自己選擇的理由，然后相互交流和討論．這一輪的研究設(shè)計是希望學(xué)生的討論相對開放，目的是定性地獲得學(xué)生中存在哪些錯誤概念．第二輪研究是在第一論研究的基礎(chǔ)上，將第一論研究得出的錯誤概念編入原來概念測試題的選項中，由于一個學(xué)生可能同時存在多個錯誤概念，大多數(shù)測試題改為多選題，通過統(tǒng)計學(xué)生的答案分布可以量化研究這些錯誤概念在學(xué)生中存在的程度，由于學(xué)生的討論都圍繞選項中對應(yīng)的錯誤概念進行，從而使我們的研究更具針對性．兩輪研究結(jié)果可以彼此互證和互補，提高研究的信度．

3 研究結(jié)果

為了研究學(xué)生在動生電動勢概念上的錯誤，我們設(shè)計了兩個題目：一個是導(dǎo)體棒在勻強磁場中平動，另一個是導(dǎo)體棒在勻強磁場中轉(zhuǎn)動．為了方便討論，先將動生電動勢的公式寫在下面：

3．1 導(dǎo)體棒在勻強磁場中平動

我們使用題1－1進行第一輪的研究：按照PI教學(xué)方法的規(guī)則要求學(xué)生課前自學(xué)，課上給出概念測試題，讓學(xué)生先使用Clicker發(fā)送自己的答案，然后小組討論，討論后學(xué)生再次發(fā)送自己的答案．

題1－1：如圖，長度為l的直導(dǎo)線ab在均勻磁場中以速度v移動，直導(dǎo)線ab中的電動勢為：

（1）Blv；（2）Blvsinα；（3）Blvcosα；（4）0；（5）其他．

題1－1 用圖

這個題目答題的有效樣本數(shù)是133人，第4選項為正確答案，一個看似很簡單的題目只有20%學(xué)生答對．選擇選項2和3的學(xué)生分別占42%和35%，經(jīng)過學(xué)生的討論后，這道題的正確率上升為89%．我們對學(xué)生討論的錄音進行分析得出學(xué)生的錯誤，見表1：

表1 關(guān)于導(dǎo)體在磁場中平動時產(chǎn)生動生電動勢的錯誤概念

我們把這些錯誤概念外顯出來，編入原題的選項中，設(shè)計成題1－2．在第二年的同樣的課程中，使用新的測試題進行錯誤概念的第二輪研究．

題1－2 用圖

題1－2：如圖，長度為l的直導(dǎo)線ab在均勻磁場中以速度v運動，關(guān)于直導(dǎo)線ab中的電動勢，以下說法正確的是：

（1）因為磁場是不變的，所以不產(chǎn)生電動勢；

（2）因為沒有形成閉合回路，所以說電動勢為零；

（3）根據(jù)動生電動勢的公式，速度和磁感應(yīng)強度是叉乘關(guān)系，電動勢為Blvsinα；

（4）因為導(dǎo)線垂直于磁感應(yīng)線的有效長度是lcosα，電動勢是Blvcosα；

（5）以上都不對．

這個題目答題的有效樣本數(shù)是125人，第5選項為正確答案，有22%學(xué)生答對，錯誤選項集中在（3）（27%）、（4）（46%）兩個選項上，70%左右學(xué)生在使用公式（1）時，只考慮其中兩個矢量的夾角關(guān)系（正確使用動生電動勢必須考慮B、l、v三個矢量之間的運算關(guān)系）．經(jīng)過學(xué)生的討論，這道題的正確率為91%．對學(xué)生討論的錄音進行分析又發(fā)現(xiàn)兩個新的錯誤概念，見表2：

由于兩次測試題目的選項不同，學(xué)生在討論時涉及的內(nèi)容不同，學(xué)生對題1－1的討論相對更開放，表1中的錯誤概念分散在各個小組，每個組討論時側(cè)重點不同，不是每個小組的討論都涉及到表1中的所有內(nèi)容，大多數(shù)小組中的學(xué)生在意識到導(dǎo)體并沒有切割磁感應(yīng)線后，得出正確答案，結(jié)束討論．對題1－2的討論，學(xué)生基本是圍繞題目選項進行，即使發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體并沒有切割磁感應(yīng)線，得出正確答案，還必須依照題目中的各個選項，逐個排查表1中所有的錯誤，學(xué)生在（3）和（4）兩個選項的相互爭論和交流中，逐漸地對公式（1）中B、l、v三個矢量關(guān)系形成了正確理解．矢量分解、投影和有效長度等“策略”來源于學(xué)生以前的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，許多學(xué)生只記住了結(jié)論，不理解其中的物理含義，在新的問題情景中單純調(diào)用這些“策略”導(dǎo)致錯誤．讓學(xué)生在相互討論中，發(fā)現(xiàn)自己學(xué)習(xí)中的問題，教師也應(yīng)借機告訴學(xué)生：“學(xué)習(xí)物理應(yīng)該致力于理解物理的本質(zhì)，而不是只記住一些解題策略和技巧”．

表2 關(guān)于導(dǎo)體在磁場中平動時產(chǎn)生動生電動勢的錯誤概念（補充）

3．2 導(dǎo)體棒在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動

與上面研究方法相同，使用題2－1進行第一輪研究，有效樣本為128人，這道題正確答案是選項（4），討論前有47%學(xué)生答對，討論后的正確率為77%，通過錄音分析得出學(xué)生相關(guān)錯誤見表3：

表3 關(guān)于導(dǎo)體棒在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生動生電動勢的錯誤概念

題2－1 用圖

題2－1：如圖所示，導(dǎo)體棒AD在均勻磁場B中繞通過C點的垂直于棒長且沿磁場方向的軸OO′轉(zhuǎn)動（角速度ω與Β同方向），BC的長度為棒長的1／3，則（ ）

（1）A點比D點電勢高．

（2）A點與D點電勢相等．

（3）A點比D點電勢低．

（4）有穩(wěn)恒電流從A點流向D點．

依據(jù)第一輪研究發(fā)現(xiàn)的錯誤概念編制測試題2－2，由于一個學(xué)生可能同時存在多個錯誤概念，這個題目設(shè)計為多選題．

題 2－2： 如 圖 所示，導(dǎo)體棒AD在均勻磁場B中繞通過C點的垂直于棒長且沿磁場方向的軸OO′轉(zhuǎn)動（角速度ω與B同方向），DC的長度為棒長的1／3，關(guān)于A、D兩點的電勢，以下說法錯誤的是（ ）（可多選）

（1）A點的速度比D點大，所以A點的電勢比D點高．

（2）A點到轉(zhuǎn)軸的距離比D點遠，所以A點的電勢比D點高．

（3）A、D之間沒有電流，所以A點與D點電勢相等．

（4）CA段電流方向是由C指向A，CD段電流方向是由C指向D，所以A點比D點電勢低

（5）因為AD是導(dǎo)體棒，所以平衡的時候A、D等勢．

這道題目答題的有效樣本數(shù)是124人，1－5選項都是錯誤的說法，表4是學(xué)生答案的分布，未選某選項意味著學(xué)生不能指出其中錯誤，說明學(xué)生存在相關(guān)錯誤．

題2－2 用圖

表4 題2－2學(xué)生答案分布

在這個題目中，A點電勢高于D點，選項（1）和（2）中的結(jié)論雖然是對的，但是理由并不完整，從學(xué)生討論的錄音分析中，發(fā)現(xiàn)大約有60%學(xué)生在多變量問題中只考慮單一因素的影響；選項（3）數(shù)據(jù)表明：14%學(xué)生存在“導(dǎo)體上沒有電流，導(dǎo)體是等勢體”的錯誤；選項（4）的數(shù)據(jù)表明：31%學(xué)生錯誤地調(diào)用穩(wěn)恒電流無源電路的概念，認為導(dǎo)體棒上有電流，電流從高電勢流向低電勢．選項（5）的數(shù)據(jù)表明：31%學(xué)生在這個問題中錯誤調(diào)用靜電平衡導(dǎo)體是等勢體的概念．由于表3中第（6）個錯誤概念不直接與題目問題情景相關(guān)聯(lián)，所以沒有編入題2－2，然而在對學(xué)生討論的錄音分析中，發(fā)現(xiàn)35%的學(xué)生存在“電動勢的方向是從高電勢指向低電勢”的錯誤概念．

4 討論

（1）物理錯誤概念廣泛地存在于學(xué)生中，這些錯誤概念的存在造成新課程學(xué)習(xí)的障礙．Hestenes、Wells等（1992）研究表明“錯誤概念的存在使得學(xué)生聽不懂物理課，從而導(dǎo)致他們強行記憶一些沒有關(guān)聯(lián)的片段，做著沒有意義的作業(yè)，使很多學(xué)生有厭學(xué)情緒”［3］．

（2）大學(xué)生的錯誤概念多源于他們之前的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生簡單記憶公式、知識點和題型，很少嘗試多角度理解物理概念的本質(zhì)，他們?nèi)鄙倜鎸δ吧h(huán)境利用所學(xué)的概念和定律進行推理的能力，遇到新的問題情景時，學(xué)生外顯的還是他們的錯誤概念．

（3）加強學(xué)生間的合作學(xué)習(xí)是轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤概念、構(gòu)建科學(xué)概念的最有效的方法．Clement（1982）認為“通過學(xué)生之間的討論，學(xué)生說出錯誤概念，通過將自己的錯誤概念和科學(xué)概念的比對，意識到錯誤概念的存在，產(chǎn)生認知沖突，可以有效地轉(zhuǎn)變錯誤概念”［4］．

我們的研究也表明：使用PI教學(xué)方法講授大學(xué)物理課程，通過學(xué)生之間的相互討論可以促使他們產(chǎn)生更多的新思想、新方法、更高層次的推理及更好的知識遷移，從而獲得對物理概念更深刻的理解［5］．

［1］ 張萍，涂清云，等．大學(xué)物理課堂互動教學(xué)模式的研究——基于“教室應(yīng)答系統(tǒng)”的構(gòu)建［J］．中國大學(xué)教學(xué)，2011，（07）：21－23．

［2］［5］ 張萍，涂清云，等．課堂中的合作學(xué)習(xí)——同伴教學(xué)法對物理概念學(xué)習(xí)的促進作用［J］．中國大學(xué)教學(xué)，2012，（06）：56－59．

［3］ Hestenes D，Wells M，Swackhamer G．Force concept inventory［J］．The Physics Teacher，1992，（30）：141－158．

［4］ Clement J．Students’preconceptions in introductory mechanics［J］．The American Journal of Physics，1982，50（1）：66－71．