高中生心智模型测评研究—以“向心力”为例

高中生心智模型测评研究 以“向心力为例 作者 张红洋/王瑞琳 作者简介 张红洋，王瑞琳，陕西师范大学物理学与信息技术学院 （陕西西安710119） o 原发信息 中学物理教学参考（西安）2020年第20206上期 第1-4 页 内容提要 对高中生“向心力”心智模型的结构与特征进行探寻与研 究，旨在提升其教学的针对性和有效性。基于二阶诊断测 试和半结构化访谈的研究方法，围绕向心力概念的理解与 运用、向心力与圆周运动的关系、离心运动的理解三个方 面，对高中生“向心力”心智模型进行测评，通过统计分 析得出高中生“向心力”心智模型表现为科学心智模型和7 种非科学心智模型，而且具有不完整性和差异性，依据心 智模型的种类分布情况提出可行性的教学建议。 关键词 心 智模型/向心力/高 中物理 期刊名称中学物理教与学 复印期号2020年09期 苏格兰心理学家肯尼斯克雷格（Kenneth Craig ）最早提出心智模型, 他认为心智模型是一种思维内在表征的动态过程，或是将现实缩小的小 型模型“，进行预测与推论的过程［耳 换言之,心智模型是个体对某一事 件，从其产生到解决过程中内在心理加工的复杂过程。国外物理心智模型 的研究水平较高且研究数量呈逐年递增的趋势，充分体现了近年来国外物 理教育领域对心智模型研究的重视［2］。 高中物理学习过程通常需要在不同模型的建构过程与知识概念的假设 解释的对话过程中进行,高中物理“难学“往往是学生难以建构起“复杂 情境一模型建构一知识解释“之关系，深入探究学生物理学习的心智模型， 有助于帮助教师认清学生在物理学习过程中的掣肘之困难，同时也有利于 教师深刻认识学情，采用个性化和因材施教的方式改善教学。 “向心力“是高中物理圆周运动“ 一章中的重要内容，关系着物体 为什么做圆周运动，是曲线运动中力与运动关系”的核心概念，在高中 物理知识网络中处于非常重要的节点［3］,也是各种考试的高频考点。此外， “向心力“教学中，存在教学难点难以突破、难以把握学生思维特点、教 学效果不佳等问题。然而，学生个体差异是客观存在的，不同学生看待同 一件事情的视角往往存在差异，只有深度了解学生心智模型，针对学 生不同的心智特点设计和实施教学,才会实现有效教学。学生心智模型包 括较为正确且相对完整的科学模型和存在概念错误与偏差等的缺陷模型两 大类。通过运用二阶诊断测试和半结构化访谈法,探寻并归纳不同学生的 思维模式和认知模型的共性特征而得出不同的缺陷模型种类［4］。 一、研究设计与研究过程 （一）研究对象 研究选取西安市曲江第一中学高二年级2班（平行班39人）、5班 （重点班42人）和高三年级4班（平行班40人）、5班（重点班39人） 四个班级共167名学生作为研究样本。高二学生已经学习完”向心力近 3个月，而高三学生已经学习完高中物理的全部课程内容。 （二）研究方法 采用二阶诊断测试和半结构化访谈法对高中生向心力的心智模型进行 二阶诊断测试。一阶测试主要关注学生的解题过程及测试结果,二阶测试 主要关注学生解答的思维过程及其原因。其主要目的在于提高测试的信度 和效度,另一方面则深度探寻学生的心智模型。 （三）心智模型测试工具的编制 为准确地测试并得出高中生向心力心智模型，经过研读文献并与 物理课程专家及指导小组的商讨，将向心力测试内容划分为向心力 的理解与运用、向心力与圆周运动的关系、离心运动的理解3个主题，并 将其划分为5个维度，最终确定向心力心智模型的测试工具的题目由 9个选择题和2个计算题组成,运用SPSS统计计算，其克伦巴赫信度系 数为0.778 ,具有较高可信度。 测试工作通过筛选试题、组题、试测与完善等过程以确保测试工具的 可信度和有效性。首先,筛选各个主题相关试题,选用全国卷高考题等； 其次，试题对每个维度的测试频率都在3次以上;最后，编写与组合测试 问卷，按照测试维度依次编排且由简到难排布。测试中，根据专家提出的 修改意见，对问卷进行修订，最终确定问卷。确保测试的准确性与可靠性。 二、向心力心智模型的测试结果 学生心智模型从类别上可划分为科学心智模型和非科学心智模型。科 学心智模型即专家把科学概念按照普适化的规则转化为外界存在的概念模 型，对高中物理来说就是课堂中及课本上所阐述的物理概念、物理推理等， 测查的知识内容不同，心智模型的具体表述也不尽相同。根据分析自编 “向心力心智模型测试题“的作答结果,以文本和图表的形式呈现学生心 智模型。由于部分学生有可能同时存在两种或多种非科学心智模型，因此， 比例之和并不一定是100[5]o 一 向心力概念的心智模型 向心力概念的理解与运用具体探寻学生对“向心力是一种效果力“和 向心力来源的判断”两个维度的心智特征，属于向心力”的基础知识。 “向心力概念“的科学心智模型主要包括学生能够正确理解如下三个方面 的内容 1 向心力概念做匀速圆周运动的质点，受的合力总是指向圆心， 该合力叫作向心力。 2 向心力特性向心力是效果力。 3向心力来源向心力可以是重力、弹力、摩擦力等某个力，也 可以是几个力的合力，还可以是某个力的分力。 将学生的测试数据进行整理和统计，得到学生的心智模型分布情况, 如图1所示。持有科学模型”的学生占比为86.25 ,说明其能够正确 把握向心力概念的理解与运用，掌握情况比较好。 除此之外,约13.75的学生存在非科学心智模型,分别是错误类比 模型、条件缺失类模型、概念模糊混淆类模型及情境错配类模型。具体情 况为 1 4.53的学生属于错误类比模型,即学生将新知识要素与以往 学过的I日知识建立联系的过程中所发生的错误类比。其中大多将向心力与 弹力、摩擦力等进行类比，从而认为向心力是性质力。这类学生是想使用 知识迁移的方法,在头脑中将知识进行划分,有利于识记，但类似这样的 知识负迁移,使得学生忽略了向心力的特殊性。 2 3.12的学生属于概念模糊、混淆类模型。其中有的学生认为 向心力的来源只能是重力、弹力、摩擦力等各种力的合力,表现出对向心 力来源的理解不透彻不全面，更有甚者认为向心力是恒力。 3 2.81的学生持有条件缺失类心智模型,即学生往往忽略先决 条件或重要特征属性。学生对选项进行判断时，往往会忽略力的特性即力 是矢量有大小、方向这一重要条件，有的甚至忽略作力的示意图或受力分 析时力需满足是性质力这一先决条件。 4 3.29的学生属于情境错配类，即测试问卷题目考查相同知识 点但所处情境不同,由此导致学生判断错误,大多数人凭借对日常所做训 练题目及配图的记忆，不仔细思考情境的变化而导致选出错误选项。 二 向心力与圆周运动关系的心智模型 向心力是从力的作用效果而言的，其作用只是改变线速度的方向，而 向心力方向始终指向圆周运动轨迹的圆心，即向心。其鲜明的特殊性 表现为只改变运动方向，不改变其大小,区别于其他运动形式匀变速直 线运动和抛体运动等的最主要特征。将向心力与运动的关系划分为以下 两个维度 1