基于認知過程的物理概念理解診斷性測試框架

楊雙偉 張玉峰

摘?要：對物理概念理解的診斷，是學(xué)生物理概念高效學(xué)習(xí)的重要前提.本文基于已有研究成果，首先梳理基于認知過程的科學(xué)概念理解內(nèi)涵和層級，然后對基于科學(xué)概念理解內(nèi)涵和層級建構(gòu)的物理概念理解診斷性測評框架指標進行描述說明，最后通過對具體測試題目的案例分析，進一步解讀測評框架指標.

關(guān)鍵詞：物理概念理解;診斷;框架

文章編號：1008-4134（2020）07-0002中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A

基金項目：北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度一般課題“基于課前學(xué)習(xí)診斷的教學(xué)整合模式研究”（項目編號：CDDB18155）.

作者簡介：楊雙偉（1979-），女，黑龍江綏化人，碩士，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

張玉峰（1973-），男，山東泰安人，博士，中學(xué)高級教師，北京市教育科學(xué)研究院基礎(chǔ)教育教學(xué)研究中心教研員，研究方向：物理課程與教學(xué)論.

物理概念理解既是發(fā)展學(xué)生物理觀念的具體內(nèi)容，也是應(yīng)用物理概念解決實際問題的基礎(chǔ).而學(xué)生在物理概念理解的過程中，需要經(jīng)歷建模、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新、提出問題與猜想、設(shè)計實驗與解釋論證等思維活動，所以物理概念理解過程也是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究的過程.

有研究表明，教學(xué)中更多關(guān)注應(yīng)用概念解決實際問題的訓(xùn)練，但事實上學(xué)生應(yīng)用概念解決實際問題的能力并沒有得到應(yīng)有的發(fā)展[1].其主要原因在于：概念教學(xué)不能讓學(xué)生實現(xiàn)科學(xué)概念的建構(gòu)[2].從教學(xué)實踐來看，教學(xué)改進的動力往往來自測試反饋的信息.但目前針對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的測評更多是指向概念應(yīng)用過程，針對概念理解過程的測評很少，缺乏精準診斷的教學(xué)必將嚴重制約教師概念理解教學(xué)效率和學(xué)生的概念理解學(xué)習(xí)效率.

因此，本文梳理基于認知過程的科學(xué)概念理解內(nèi)涵和層級，對基于科學(xué)概念理解內(nèi)涵和層級建構(gòu)的物理診斷性測評框架指標進行描述說明，并通過對具體測試題目案例分析，進一步解讀測評框架指標.

1?科學(xué)概念理解的內(nèi)涵及層級

弄清楚科學(xué)概念理解的內(nèi)涵，并基于此建構(gòu)科學(xué)概念理解的層級是進行概念理解測評的理論基礎(chǔ).

1.1?科學(xué)概念理解的內(nèi)涵

科學(xué)概念是對客觀事物本質(zhì)屬性的抽象概括，是構(gòu)成科學(xué)知識體系的核心要素.作為思維形式的科學(xué)概念既是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，也是學(xué)生科學(xué)思維能力發(fā)展的基礎(chǔ)和培養(yǎng)載體[3].科學(xué)概念理解是指弄清楚事實或者經(jīng)驗與概念，以及概念與原有知識體系間實質(zhì)性聯(lián)系的認識活動[4].根據(jù)理解內(nèi)容或者結(jié)果的不同，科學(xué)概念理解的主要認知過程可以分為三個：抽象概括過程，即從事實與經(jīng)驗經(jīng)過抽象、概括，得出作為思維形式的概念的過程;整合過程，即把作為抽象思維形式的概念納入原有知識體系，與已有知識建立具有實質(zhì)聯(lián)系的過程;反省認知過程，即反省概念得出以及將其納入原有知識體系，與其它概念建立實質(zhì)聯(lián)系過程中所使用的認知策略、思想方法、跨學(xué)科概念等思維工具的過程[5].

1.2?科學(xué)概念理解的層級

據(jù)科學(xué)概念理解的界定及已有研究，擬定學(xué)生科學(xué)概念理解學(xué)習(xí)進階各層級的具體表現(xiàn)，見表1[5].

科學(xué)概念理解層級及其具體表現(xiàn)從總體上基于認知復(fù)雜度刻畫了科學(xué)概念理解由淺入深、由簡單到復(fù)雜的認知過程.認知復(fù)雜度的提升具體可以體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）從事實經(jīng)驗的感性認識逐漸上升到形成概念的理性認識;（2）從事實、物理概念等要素之間的少量、碎片化的關(guān)聯(lián)逐漸上升到更多、更完整的關(guān)聯(lián);（3）從定性關(guān)聯(lián)上升到定量關(guān)聯(lián);（4）從關(guān)注學(xué)科概念上升到跨學(xué)科概念.

2?物理概念理解的診斷性測試框架

科學(xué)概念理解層級及其具體表現(xiàn)可以作為建構(gòu)基于認知過程的物理概念理解診斷性測試框架的理論基礎(chǔ).

2.1?測試框架二級指標體系

北京高中物理教研團隊依據(jù)2017年版物理課標，提取出物理觀念的水平可以從物理概念、規(guī)律的理解以及用這些概念、規(guī)律解決物理問題兩個角度進行評價.而基于對學(xué)生概念理解內(nèi)涵和層級及其具體表現(xiàn)研究分析，為了精準命制物理概念理解測試題目，從認知過程角度分解物理概念理解這個一級指標，提取認知過程中的關(guān)鍵點，形成指向更加明確的二級指標.物理概念理解診斷性測試框架二級指標體系見表2[4].

2.2?測試框架的二級指標分析與說明

下面參考已有研究，對如何應(yīng)用表2中的診斷性測試二級指標指導(dǎo)命題做進一步的具體分析和說明.

2.2.1?“概括論證”指標

“概括論證”指標，來源于對概念理解層級中“事實經(jīng)驗”“映射”以及“關(guān)聯(lián)”三個層級的學(xué)生認知過程關(guān)鍵點的分析.描述的是學(xué)生在不同的物理概念學(xué)習(xí)過程中，經(jīng)歷過“事實經(jīng)驗”“映射”“關(guān)聯(lián)”的學(xué)習(xí)過程，逐步形成的能力特征.如果學(xué)生形成了“概括論證”能力，那么應(yīng)該能從事實經(jīng)驗中提取事物或過程的本質(zhì)特征，能在已有知識基礎(chǔ)上通過邏輯推理得出概念.

在基于“概括論證”指標測評學(xué)生的過程中，測評載體可以是未知的物理概念經(jīng)由“事實經(jīng)驗”提取事物或者過程本質(zhì)特征的考查，也可以是在已有知識基礎(chǔ)上通過邏輯推理，得出概念過程等.比如基于電場強度、磁感應(yīng)強度概念的學(xué)習(xí)過程，以及重力的學(xué)習(xí)，考查學(xué)生能否自己建立重力場強度概念.

2.2.2?“關(guān)聯(lián)整合”指標

“關(guān)聯(lián)整合”指標，來源于對概念理解層級中的“關(guān)聯(lián)”“概念”和“整合”三個層級的學(xué)生認知過程關(guān)鍵點的分析.描述的是學(xué)生在物理概念學(xué)習(xí)過程中，經(jīng)歷過不同概念的“關(guān)聯(lián)”“概念”“整合”的學(xué)習(xí)過程，而逐步形成的一種能力特征.如果學(xué)生形成了“關(guān)聯(lián)整合”能力，那么應(yīng)該能建立知識間的聯(lián)系，能說明知識與核心概念間的關(guān)系以及知識在核心概念體系中的地位.

在基于“關(guān)聯(lián)整合”指標測評學(xué)生的過程中，載體可以是已經(jīng)學(xué)習(xí)過的概念，考查學(xué)生對一系列概念間關(guān)系的理解.比如考查學(xué)生對速度、加速度、力這幾個概念間關(guān)系的認識.載體也可以是知識網(wǎng)絡(luò)圖的繪制，考查學(xué)生對于具體知識與核心概念間的關(guān)系是否有清晰認識等.

2.2.3?“策略反省”指標

“策略反省”指標，來源于對概念理解層級中“整合”層級的學(xué)生認知過程關(guān)鍵點的分析.描述的是學(xué)生在不同物理概念學(xué)習(xí)過程中，經(jīng)歷過不同概念的“整合”學(xué)習(xí)過程，逐步形成的能力特征.如果學(xué)生形成了“策略反省”能力，那么學(xué)生能說明知識建立過程和知識關(guān)聯(lián)中蘊含的思維方式、策略與研究方法等認識方式.

在基于“策略反省”指標測評學(xué)生的過程中，考查的載體可以是具體學(xué)習(xí)過的物理概念研究方法的直接認識.比如考查學(xué)生是否能陳述“電場強度、磁感應(yīng)強度、加速度、電功率”這幾個概念定義的相同點和不同點.也可以檢測某一概念建立過程蘊含的思維方式或者策略等.比如可以檢測學(xué)生是否會為斜上拋運動尋找分運動，并能夠陳述尋找分運動的依據(jù).

3?基于測試框架命制診斷性試題的說明及案例分析

在教學(xué)實踐過程中，診斷概念理解的依據(jù)可以是多方面的，比如測試、學(xué)生作業(yè)中的錯誤分析、教師的教學(xué)經(jīng)驗以及訪談等.在多種診斷依據(jù)中，定量考查學(xué)生“物理概念理解”測評框架中各個二級指標，命制統(tǒng)一的測試題目是較為理想方式.一方面，測試題目考查對象范圍廣，一次性可以獲取多名學(xué)生數(shù)據(jù);另一方面，所有測試題目命制時有測試概念理解認知過程的明確指向，基于評定標準，定量統(tǒng)計學(xué)生測試結(jié)果，可以定量分析出群體或者個人在概念理解的哪個認知環(huán)節(jié)存在問題.再有，計算類測試題目會留有學(xué)生思考過程的痕跡，便于佐證定量統(tǒng)計結(jié)果.

3.1?基于測試框架命制診斷性試題的說明

概念理解是一種內(nèi)隱的心理認知特質(zhì)，如何基于測評框架指標，命制出合適的題目考查學(xué)生，并以考查結(jié)果作為學(xué)生外顯行為，對學(xué)生物理概念理解情況進行診斷和評估？從研究來看，測試題應(yīng)該具備四個方面的屬性：問題情境、知識載體、認識領(lǐng)域、認識方式[6].

首先，問題情境.測試題目中的問題情境，可以是學(xué)生熟悉的身邊實際生活情境也可以是科技前沿情境，還可以是實驗過程或者具體物理過程等.其次，認識領(lǐng)域.在命制題目時，要考慮題目的明確考查指向為“概念理解”領(lǐng)域.第三，知識載體和認識方式.在具體的問題情境中，以學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的或者未學(xué)過的知識為載體.如果用已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識為載體考查學(xué)生的概念理解能力，一般可以考查學(xué)生的“概括論證”“關(guān)聯(lián)整合”能力，即從事實經(jīng)驗中提取概念的本質(zhì)特征，或者考查學(xué)生是否具有建立知識間聯(lián)系的能力.而這個過程學(xué)生認識方式必然伴隨被考查，一般可能會同步考查學(xué)生的建模、或者推理論證能力.如果用未學(xué)過的知識為載體考查學(xué)生的概念理解能力，一般可以考查學(xué)生的“策略反省”能力，即學(xué)生是否已經(jīng)認識了知識建立過程或者知識關(guān)聯(lián)中蘊含的某一策略或者某一研究方法.而這個過程對于學(xué)生認識方式的考查可能會伴隨考查建模、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)探究能力.

除了上述四個方面屬性，測試題目命制過程還要注重題目的科學(xué)性、規(guī)范性、簡潔性和可讀性.

3.2?診斷性測試題目案例分析

下面以北京物理教研團隊命制的測試題目中，考查學(xué)生物理概念理解指標下概括論證、關(guān)聯(lián)整合、策略反省三個二級指標的題目為例，分析說明測試題.

題目1?如圖1所示，足夠短的a、b兩段通電直導(dǎo)線，分別放置于磁場P、Q兩處，并與該處磁場方向垂直，相關(guān)參數(shù)見表3.

分析：該題目主要考查的是學(xué)生物理概念理解中的“概括論證”能力和科學(xué)思維中的“模型建構(gòu)”能力.該題目的問題情境是通電導(dǎo)線在磁場中受力，磁感應(yīng)強度是學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的知識.在同一位置，垂直情況下“電流元”不同，受力會不同，在不同位置“電流元”相同，但受力會不同這些實驗事實，需要學(xué)生提取比值這個本質(zhì)特征，而后定義磁感應(yīng)強度.但“比值”是否必須是力除以電流元，能否是電流元除以力呢？從“描述磁場強弱”這個物理意義看“比值”特征，應(yīng)該都是可以的，所以該題目C選項和D選項都正確.實際中之所以用力除以電流元和人們的認識習(xí)慣有關(guān).所以該題目考查學(xué)生概念理解的“概括論證”能力.研究對象選擇“電流元”而不是隨意的一段導(dǎo)線，這個考查的是學(xué)生的模型建構(gòu)能力.

題目2?已知“題目1”導(dǎo)線a中單位體積的自由電子數(shù)目為n，自由電子的電荷量為e，定向移動速率

為v，P處磁感應(yīng)強度大小為B，請由安培力的表達式推導(dǎo)在上一問中導(dǎo)線a中單個自由電子由于定向移動而受磁場作用力的表達式.

分析：該題目考查的是物理概念理解中的“關(guān)聯(lián)整合”能力和科學(xué)思維中的“推理”能力.該題目以磁場中通電導(dǎo)線和單個電子運動受力為問題情境，以安培力與洛倫茲力為知識載體.因為安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，微觀多個同向洛倫茲力的合成表現(xiàn)為宏觀的安培力.所以該題目考查的是學(xué)生能否建立已經(jīng)學(xué)習(xí)過的安培力和洛倫茲力的聯(lián)系，即考查學(xué)生的概念間“關(guān)聯(lián)整合”能力.而如何定量由安培力推導(dǎo)出洛倫茲力，這個考查的是學(xué)生科學(xué)思維中的推理能力.

題目3??在物理學(xué)中，把很短一段通電導(dǎo)線中的電流I與導(dǎo)線長度L的乘積IL叫做電流元.將電流元垂直于磁場方向放入磁場中某處時，電流元所受到的磁場力F與電流元IL之比叫做該點的磁感應(yīng)強度，即B=FIL.在磁場中定向移動的自由電子e也會受到磁場的作用力f，請說明如何根據(jù)這一特點來定義某處的磁感應(yīng)強度，并給出定義式.

分析：該題目考查的是物理概念理解中的“策略反省”能力和科學(xué)思維中的“質(zhì)疑創(chuàng)新”能力.該題目以磁場中電流元受力和運動電子受力為問題情境.以電流元為研究對象，建立磁感應(yīng)強度概念是學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識，但用洛倫茲力來定義磁感應(yīng)強度學(xué)生并沒有學(xué)習(xí)過，所以是新的知識.基于“用力除以電流元定義磁感應(yīng)強度”這一知識建立過程蘊含的比值定義的認識，學(xué)生要類比遷移到研究對象為電荷，用洛倫茲力除以電量和速度的乘積定義磁感應(yīng)強度，所以該題目考查的是學(xué)生概念理解的“策略反省”能力.除了學(xué)生遷移比值定義的認識外，同時，對于結(jié)果中洛倫茲力表達式“速度與磁感應(yīng)強度垂直”的條件還需要加以說明，這點考查的是學(xué)生科學(xué)思維中的質(zhì)疑能力，所以該題目還考查學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力.

參考文獻：

[1]?徐寧.基于認知模式轉(zhuǎn)化的高中物理概念教學(xué)研究[D].北京：北京師范大學(xué)，2009.

[2]?胡久華，支瑤.促進學(xué)生科學(xué)概念理解的教學(xué)設(shè)計[J].中國教育學(xué)刊，2006（09）：52-55.

[3]?趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)第3版[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4]?張玉峰.為了物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)診斷：概念、路徑與內(nèi)容框架[J].中學(xué)物理，2020（01）：1-6.

[5]?張玉峰.基于概念理解測試的科學(xué)概念教學(xué)策略[J].教育科學(xué)研究，2018（05）：58-62.

[6]?郭玉英，姚建欣，張玉峰.基于學(xué)生核心素養(yǎng)的物理學(xué)科能力研究[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017.

（收稿日期：2020-02-01）