学生对量子论和相对论内容学习情况的调查与分析

涂星火

（深圳第二实验学校 广东 深圳 518021）

新课程的内容是否有效实施，最终要着眼于学生的学习情况.学生已有知识准备、学习兴趣和主动性，外界对学生学习提供的支持，教师的教学情况，学生对教材的适应性，教学内容的可接受性都会影响学生的学习，从而影响课程的顺利实施.量子论和相对论是近代物理学的两个支柱理论，包含着丰富的科学思想和科学方法，能够很好地启发学生思考，提高学生的科学素养，转变学生的思维观念，因此，中学生很有必要进行相关内容的学习.新课程已将量子论和相对论内容设置在必修2、选修3-4、选修3-5三个模块中，对量子论和相对论现象及其规律的认识是人类认识史上的一大飞跃，这些知识已逐渐成为现代物理理论和现代物理技术的基础，这些技术已逐渐改变着现代人的生活，不可否认这些知识是普通民众现代科学知识普及的重要内容，对未来有志从事相关研究的学生更是重要的内容.然而，学生对这些内容了解如何呢？是否达到新课程要求呢？为了清楚了解这部分内容的实施情况，笔者已从教师角度就高中生对近代物理知识量子论和相对论内容的可接受性进行了调查、研究和分析［1］.本文试图通过学生对相关概念的表述、判断方面进行调查，以了解学生对量子论和相对论内容的实际学习及接受情况，可以得到来自教学一线的材料，为教材编写人员更有目的、更合乎实际的组织教材内容以及授课教师优化教学方法提供了素材.

1 问卷设计

问卷主要根据《普通高中物理课程标准（实验）》关于量子论和相对论内容知识点的设置，以及参考人教版、司南版、粤教版和沪科版4套物理新课程教材关于量子论和相对论内容的编写，同时，参考了英国 G.Ireson（2000）［2］关于量子概念理解情况的调查表，设计了23个涉及量子论和相对论内容的概念表述判断题（见表1）.问卷旨在通过对学生的概念表述判断，了解学生对量子论和相对论内容的实际学习及接受情况.相关概念的表述判断参考了课程专家的意见，并于2006年11月在海口市的部分高中学生进行初测的基础上修改而成.要求学生根据自己实际的学习情况，对23个概念表述从A（很同意），B（同意），C（既不同意也不反对），D（反对），E（很反对）5个认可程度中选择一个用来表达自己的观点.旨在通过概念表述判断、了解学生对于量子论和相对论内容的实际学习情况，找出学生理解存在困难的知识点，为教师教学的改进或者教材的呈现方式提供借鉴意义.

表1 量子论和相对论相关概念表述调查

续表

2 调查对象

教材的多样化，决定了不同地区不同学校可以根据自身情况有选择地使用新教材.通过调查发现，同一个课改省份有使用多版本教材的情况，但是，没有发现一个省份同时使用4套教材进行教学的情况.为了了解学生学习量子论和相对论内容的实际情况，问卷的调查对象，选取了位于教育水平较高的山东省、经济水平较高的广东省、教育和经济水平相对较低的海南省3个课改省份不同地区、不同层次的14所学校的高三学生.调查的高三年级都是2004年秋季第一批进行新课程教学的年级，到2006年11月份，这些学生都已经学完了高中新课标实验教材的共同必修2、选修3-4和选修3-5三个模块中涉及量子论和相对论的内容.调查于2006年11月上旬至12月中旬期间进行，他们亲身经历和感受过量子论和相对论内容的学习，因而，问卷的调查结果能够真实反映学生学习量子论和相对论内容的实际情况，具有一定的可信度.为使调查结果更有说服力，调查在海南、广东、山东三地的高三年级同时进行.共收回调查问卷450份，选取有效问卷428份进行统计.同时，对海南省海口市的5所学校部分师生进行了访谈.

3 统计方法

为了了解学生学习量子论和相对论内容的基本情况，文中对学生所做的选项进行整体统计分析和男、女生比较分析.鉴于没有发现一个省份同时使用4套教材进行教学，教师、学生实际情况不同，没有对使用不同版本教材的学生进行独立统计分析.23个概念的表述存在正确和错误之分，所以，学生的选择有对有错.为了更加直观地了解学生对相关概念表述的判断情况，即更加直观了解学生学习量子论和相对论内容概念的情况，我们采取一定的方法来打分.对表1采用的记分方法是对正确的表述回答A，B，C，D，E分别记2分、1分、0分、－1分、－2分；对错误的表述回答A，B，C，D，E分别记－2分、－1分、0分、1分、2分；一题中选择两个及以上答案按放弃处理.统计分数时，对表述用的正分数相加，然后除以总人数所得结果称之为平均分.调查数据统计的结果使用Excel和SPSS11.5软件进行数据统计.

4 调查结果及分析

为了清楚地观察学生对相关概念表述判断的得分情况，以及学生在不同概念表述上所表现出来的差异，我们以题号为自变量，全体学生在各个概念表述上的平均分为因变量，绘制相应的折线图，如图1.

图1 全体学生关于量子论和相对论相关概念表述得分

根据上面确定得分的方法，则每个概念表述的满分为2分，如果规定取其60%为及格分，也就是规定平均分1.2分为及格分，从图1可以发现，全体学生在涉及量子论和相对论内容的23个概念表述中，整体统计得分都没有达到及格分，学生的学习并没有达到课标的要求.

从图1看出，量子论部分概念表述得分波动不大，基本在0.8分左右，涉及光电效应的第2个和第4个概念表述得分较高，原因是这一知识点是过去几年高考的必考内容，教师比较重视也比较熟悉，有一定教学经验积累，新教材讲解也比较详细，同时，有探究实验支持，因而，学生印象较深.通过这点也说明对于抽象的概念，如果辅助以实验，让学生感知现象，就能促进学生的理解.第9个关于激光原理的表述得分较低，原因是课标要求较低，教师对激光特点和应用讲解较多，较少涉及原理教学.第11个关于能级结构的表述得分较低，教师反映这一知识点学生接受适中，一旦和不确定性联系起来，学生回答错误率较高.第13个关于不确定性的表述得分相对较高，分析学生可能不是很好地理解了概念，而是记住了概念.整体看来，即使有一定教学经验的教师讲解量子论内容，由于内容本身的抽象，学生学习起来还是感觉困难，不好理解.

相对论部分概念表述得分波动较大，第15个关于相对性原理的表述得分较低，学生已经接受了经典力学的观念，对于惯性系中狭义相对性原理还能理解，对于涉及非惯性系的广义相对性原理，由于观念冲突，就认为物理规律不适用.第22个关于广义相对论时空弯曲的表述得分不到0.2分，这一概念改变了传统的引力观念，习惯经典力学观念的学生很难接受.除了沪科版涉及这一重要概念外，其他3套教材均没有呈现，教师由于自身观念的局限性，根本没有进行介绍，是得分较低的原因.第21个关于质速关系的表述得分也较低，原因是经典力学中通常认为物体的质量是不随物体运动状态变化而发生变化的，正是这种观念影响了学生的学习.经典物理学中的物理概念、原理和规律一般都是通过实验得到，或者能够通过实验来验证，现实生活中应用的事例很多，让人容易接受.然而，相对论部分的很多观点处于猜想和假设阶段，很难通过实验进行验证，学生能够感知的事例很少.第19个关于相对论速度叠加和第23个关于光线在引力场中的偏转表述得分相对较高，可能的原因就是学生记住了相关内容，至于是否真正理解不得而知.平时我们也一直强调光速是最大的；而广义相对论的观测证据，几套教材安排的内容很相似，这些观测证据让学生无法亲身感知，一般还是通过记忆来学习相关内容.

上面是从总体上分析学生对相关概念表述判断的情况，下面从性别方面对相关概念表述判断进行简单比较分析，如图2.

图2 男、女生概念表述判断得分情况

由图2发现，男、女生得分变化趋势完全一致.说明性别不同，对概念理解思维方式没有差别.通过t检验发现，除1（Sig.2t＝0.025）、14（Sig.2t＝0.010）两个表述男、女生得分差异显著，及2（Sig.2t＝0.009）、4（Sig.2t ＝ 0.000）、6（Sig.2t ＝ 0.002）、11（Sig.2t＝ 0.004）、20（Sig.2t＝ 0.000）、23（Sig.2t＝0.001）5个表述男、女生得分差异极显著外，其他表述得分男、女生没有显著差异.说明男、女生在学习抽象概念时，男生在一定程度上优于女生，但不是绝对的，男生有5个表述得分低于女生，但是差异不显著.

5 原因与反思

认知心理学认为，知识的获得过程既受个人先天倾向的影响，同时也受个人已获得知识的影响［3］；奥苏贝尔（1960）［4］认为，影响学习的唯一最重要的因素就是学生已经知道了什么，并应据此进行教学.因为先行组织者是在讲课之前给予学生的概念或观念，主要用于提供认知结构，为新的学习提供基础.通过调查后的跟踪访谈结果显示，学生学习量子论和相对论内容前，对相关内容了解甚少，即使了解，主要途径也是课外书.但跟教师和学生交流发现，目前适合中学生阅读的相关书籍很少，报刊、杂志涉及相关内容不多，学生看报时间更少，网络上可以查找的相关资源也很少，学校提供的相关图书资料几乎没有，因此，学生学习前很难过多了解相关内容，知识准备不足，导致学生学习困难.

教学中，教师虽然能对教学过程和方法做精心准备，但是对相关概念理解一般，近代物理知识存在缺陷.由于量子论和相对论内容抽象，需要使用现代实验和教学手段，帮助学生创建感知情境，因为感知是从物理现象开始的，选择合适的实验，或通过媒体课件展示实验过程，有利于抽象知识的教学，将抽象的内容形象化地展示出来，让学生可以感知现象和实验.由于多数学校所能提供的实验器材很少，媒体课件不能满足这部分内容的教学要求，而广大乡镇中学还没有配备多媒体资源；高考涉及相关内容很少，教师不愿意花费时间和精力去查找资料.教师的不重视导致学生学习这部分内容时不积极、不主动，课后也很少查找相关资料帮助理解，因而学生能够感知的现象少；同时，提出的问题教师经常讲不清楚，学生宁愿跟同学讨论，也很少找教师帮助解决，师生之间缺少交流，因而，对这部分内容学习兴趣不高.续佩君说过：我国大部分学生基本处于以物理习题的解题思维代替物理学科学思维的状态［5］.然而，量子论和相对论部分内容没有列入高考必考内容，教学要求不高，教师一般要求学生处理课后习题，但除了学习主动的学生做过课后习题外，多数学生都不主动接触，因而，多数学生不清楚课后习题是否难，所以，学习只停留在对书本表面知识的了解，近代物理思维方法的训练就更少.

教材是学生学习的重要资源.教材编选有很多制约因素，尤其要考虑学生的心理特点及知识水平.学生是教材的使用者，教材怎么样，好不好，他们最有发言权［6］.对于量子论和相对论内容，有学生反映教材呈现的内容抽象，缺少可以观察的实验，而且教材缺少理论应用的实例，内容没有贴近学生生活.虽然教材呈现较多的图表和各种特色栏目，能在一定程度上帮助学生理解相关内容，但多数学生认为教材可读性一般.

无论是从课程设计的知识完整性来说，还是从科学思想和科学方法的培养来说，学习量子论和相对论内容都是有必要的.然而，学生实际学习情况都不理想，为了促进这部分内容的教学，笔者认为，（1）将量子论和相对论部分知识点列入高考内容，可以降低考试要求，提高教师对这部分内容的重视程度；（2）物理教师需要加强专业知识的学习，教师是课程实施的最直接的参与者，教师的知识面过窄将会影响课程的顺利实施［7］；（3）继续改进教材的编写及多编写适合中学生阅读的相关图书；（4）各级教育行政部门应加大对相关实验器材硬件设施和课件媒体开发的财政投入.

1 涂星火.物理知识点学生可接受性调查与分析——量子论和相对论.物理通报，2009（12）：7～9

2 G.Ireson.The quantum understanding of pre-university physics students.Phys.Educ.2000，35（1）：15～21

3 梁建宁.当代认知心理学 .上海：上海教育出版社，2003.184

4 皮连生.学与教的心理学（修订本）.上海：华东师范大学出版社，1997.253

5 续佩君.“高中生物理学习心理调查”的简要报告.学科教育，2000（4）

6 程福蒙.关于基础教育课程改革问题的反思.当代教育科学，2006（2）

7 张二庆，马云鹏.教师素质是成功实施新课程的关键.教育探索，2005（11）