高中相对论学习情况的调查研究

2013-01-11袁海泉

物理通报 2013年7期

袁海泉

(苏州大学物理科学与技术学院江苏苏州 215006)

陈梦姣

(苏州工业园区星湾学校江苏苏州 215001)

相对论是近代物理学的基础．新课程标准中，将相对论作为重要的教学内容之一，必然引起中学物理教学的重视．由于相对论的很多结论与日常生活经验不一致，导致相对论的学习出现困难．新课程实施几年来，相对论知识的教学过程中存在哪些问题？学生学习相对论的情况如何？影响学生学习相对论的主要因素有哪些？我们通过调查研究试图回答这些问题．

1 调查问卷的编制与实施

1.1 调查问卷的编制

调查问卷共包含两部分，分别是基本信息和主体内容．

第一部分是调查学生的基本信息，包括高考等第、性别、就读中学类别、中学相对论学习的课时数．调查目的是研究具体学习情况与这4个基本因素之间的关系．其中高考等第是指江苏省物理学科高考成绩排序后，按位比划分的等第．

第二部分是问卷的主体内容．从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三方面命题，前69题采用里克特5点量表的形式，通过给予一系列正向或反向的陈述，每一陈述有“非常同意”、“比较同意”、“不确定”、“比较不同意”、“非常不同意”5种选择．若为正向表述，赋值依次为1分、2分、3分、4分、5分，若为反向表述，反向赋值．对知识类题目而言，“非常同意”意味着学生对该陈述所涉及的相对论知识的正确了解与认同；“比较同意”意味着学生对相应知识有基本的理解，但认知具有一定的模糊性；“不确定”代表学生对该知识点没有印象，表述对与不对无法判断；“比较不同意”表明学生对该知识点有错误认识，但不太肯定；“非常不同意”说明学生对该知识点的认识是错误的．最后3题采用了开放题的形式．问卷编制的双向细目表如表1．

表1 调查问卷双向细目表

1.2 问卷调查的实施

问卷的调查对象是：苏州大学(本一)、苏州科技学院(本二)、苏州大学应用技术学院(本三)的学生，保证了样本的全面性和广泛的代表性．调查实施的时间为2011级大学新生未学习普通物理、力学等涉及相对论知识的课程，调查结果是中学相对论的学习情况．

问卷的施测在2011年10月份完成，答卷时间为20 min．发放问卷数270，回收问卷数261，有效问卷数229.

2 调查结果的统计与分析

2.1 调查对象基本信息的总体分析

表2 调查对象的高考等第分布

其中男生167人(占72.9%)，女生62人(27.1%)来自四星级中学的学生166人(72.5%)，其他中学63人(27.5%)．回答中学相对论教学的课时数为不大于6课时和6课时以上的学生分别为160和69．

2．2 问卷的信效度分析

利用SPSS分析软件对学生问卷的信度进行统计，结果显示问卷所有数据的Alpha值为0.823>0.7，说明学生问卷测量数据信度较高．为防止学生随机回答问题，使测量结果具有不确定性，因此在问卷不同位置对部分同一知识点进行两次测试，形成了配对样本，其得分的相关性检验结果如表3.

表3 配对样本得分的相关程度

可见，问卷的所测结果具有一定的信度和效度，可用于分析学生相对论学习情况．

2．3 高中生反映的教师对相对论教学重视程度

在回答高中时期教师如何看待相对论知识的重要性(T71)时，学生反映的情况如图1.

图1 学生反映教师如何看待相对论知识的重要性

注：“1”表示“重要知识点”，“2”表示“一般知识点”，“3”表示“不重要，一带而过”，“4”表示“自学知识”

说明中学教师对相对论的重视程度一般．

2．4 高中生相对论知识的掌握情况

利用学生问卷施测所得的数据，对江苏省中学生相对论学习情况分析．中学生物理相对论学习情况调查的总分均分为178.71分，标准差为22.365．由于本问卷采用5点计分，其取值范围是1～5，中间值为3，得分越低代表同意程度较高，得分越高代表同意程度越低．为便于比较学生在全问卷及各知识点的得分情况，我们统计了题均得分如表4.

续表

由表4知：大部分学生相对论的知识掌握情况介于比较了解和不清楚之间；第一维度中得分最高的是时间间隔的相对性(2.764 2)，意味着该知识点学生的学习情况最差，其次是质能关系(2.605 9)，说明学生对质能关系理解仅次于时间间隔的相对性，得分最低的是两种时空观的区分(2.200 9)，说明该知识点学生的学习情况较好；第一维度中标准差最高的是速度相加法则(0.951 13)，标准差最低的是广义相对论(0.575 76)，说明学生在回答速度相加法则的相关题目时结果不稳定，差异较大，回答广义相对论有关问题的结果较稳定．

(1)时间间隔的相对性的理解

针对时间间隔的相对性，用4道(12,13,32,35)陈述题测量学生对时间间隔相对性的理解．其中第12题的内容是“在做高速匀速运动的火车中有一单摆，火车上的人和地面上的人测出的周期是相同的”，第35题是“地面上有一单摆，做高速匀速运动的火车上的人测得的周期比地面上的人测得的周期小”，这两题都是关于单摆周期测量的相对性问题，本质相同．但对这两题的回答结果进行相关性分析，T12和T35两题的相关系数为-0.083，不存在明显的相关关系，说明所得结果具有随机性，学生在单摆问题中有关时间间隔的相对性理解较差．

其中第13题为“在地面观察，飞船上的时间进程比地面上慢，且物理、化学过程和生命的进程都变慢了”，第32题的内容是“飞船上的人认为地面上的时间进程比飞船上的慢，因为地面正以同样的速度朝相反方向运动”．这两题是在不同参考系中观察另一参考系中的时间间隔，飞船在运动过程中，相对于地面静止和相对于飞船静止时观察对方的时间进程．统计结果显示，学生对这两题的认知存在较大差异，图2是学生在两题中选择的具体情况．60.3%的学生对“地面上的人认为飞船上的时间进程比地球上慢”持肯定态度，而只有32.3%的学生对“飞船上的人认为地面上的时间进程比飞船上慢”持肯定态度．可能学生对时间间隔的相对性的实质并不了解，仅是对部分结论和解释的记忆，也间接反映教师对这方面的要求可能较低．

图2 T13和T32的具体回答情况

(2)长度相对性的理解

针对长度的相对性，我们用5道陈述题(14，15，18，41，63)测量中学生的理解情况．其中第14题为“长度收缩是指构成尺子的原子结构和原子内部的电荷发生变化”,第41题是“尺缩效应是相对的，只是一种时空效应，与物质本身无关”，两道题都是针对学生对尺缩效应本质的理解，问题的本质是一样的．对这两道题的调查结果进行相关性分析，T14与T41的相关系数为0.130，在0.05水平上可认为显著相关，说明该结果可准确反映学生对长度的相对性的认识．调查情况表明，近一半的学生对长度收缩的实质存在疑问． 28.4%的学生能够肯定长度收缩与原子结构及内部电荷变化无关，27.9%的学生对这一观点有比较模糊的认可，29.7%的学生表示不清楚这两者是否存在直接联系，14%的学生错误认为长度收缩实质是原子结构及原子内部电荷发生了变化．调查结果还表明，19.7%的学生能够肯定尺缩效应是与物质本身无关，34.5%的学生比较同意这一观点，但不能肯定，25.3%的学生表示不清楚尺缩效应与原子结构之间的关系，20.5%的学生错误认为长度收缩是物质本身发生了变化．能够准确理解长度相对性的实质的学生数量仍然不多．

第15，18，63三题的调查内容为具体长度测量及实例应用．回答的具体情况如图3所示.

图3 T15，T18和T63的具体回答情况

由图表分布可以看出，对有关尺子长度测量实例的结论判断，学生回答结果准确性较高且具有一致性．可能有实际问题作为载体的相对论问题学生易于记忆和理解，然而理论性的概念辨别仍具有抽象性，难以理解．

(3)质能关系的理解

我们在问卷中，对质量和能量的关系进行调查，各题的均值如表2所示．

表5 “质能关系”的回答情况

统计结果中，关于“质能关系告诉我们质量和能量可以相互转化”的论述判断中，均值最高，即理解最差．作为中学生无需对质能关系建立过程做过多了解，因此产生误解也属于正常现象，但作者认为对于这一错误结论，在教学中应该给予纠正，防止影响学生今后相对论的学习．

(4)不同维度间的相关性

新课程标准中对相对论提出了三维知识目标，在问卷数据统计过程中计算了各个维度之间的相关性，以此作为依据判断学生在不同维度间的学习是否具有相关性．

表6 不同维度间的相关性分析

从表6中的统计数据来看，“知识与技能”和“过程与方法”两个维度间的相关系数为0.467，在0.01水平上显著相关，即对相对论基础知识掌握较好的学生，他们能在认识相对论过程中较好地了解相对论的研究方法；“知识与技能”和“情感态度与价值观”的相关系数为0.527，在0.01水平上显著相关，即学生在学好相对论基本理论的同时，也能引起对相对论及相关科技发展的浓厚兴趣；“过程与方法”和“情感态度与价值观”之间的相关系数为0.429，在0.01水平上显著相关，即学生掌握相对论发展过程中研究方法，对学习兴趣也存在巨大的影响．可见，学生在相对论学习过程中各个维度均显著相关，理论知识认知、体会科学方法及产生学习兴趣三个方面是相互影响和促进的．因此，我们可以说，要提高学生对相对论的认知，可以利用生活实际引起学生的学习兴趣并适当地引导学生了解相对论发展历程中蕴含着丰富的科学思想和方法．

2.5 物理学业成就对相对论学习效果的影响分析

我们以高考物理等第作为判断学生中学物理学业成就和物理学习能力的依据，调查学生物理学习能力与相对论学习结果的关系．

(1)不同物理学业成就的学生学习相对论总体情况的比较

对不同学业成就的学生总体得分的均值和标准差进行统计，结果如图4所示.

图4 不同学业成就的学生相对论学习情况

由图4可以看出，随着学生物理学业成就水平的降低，问卷总分的平均值处于不断升高的趋势，意味着学生相对论知识的掌握情况越来越差，从离散程度来看，物理学业成就越高的学生，离散率越高，总成绩具有不稳定性，但A+和A等级学生的均值不符合这种趋势，A等级学生的标准差反而高于A+等级学生．

对不同物理学业成就影响相对论学习情况的显著性进行双变量相关分析，发现学生的高考等第与问卷总体得分相关系数为0.487，计算出的检验统计量为0.000<0.05，说明两者显著相关．可以认为，学生相对论知识的学习情况与学生的物理学业成就水平有关．

(2)不同物理学业成就的学生在相对论各维度学习的差异

为进一步了解不同学业成就的学生在相对论学习上的差异，我们还具体考察了不同学业成就的学生在各个知识维度上的均值，结果如表7所示.

表7 不同学业成就的学生在各维度的回答情况

由表7看出，在知识与技能、情感态度与价值观维度上学生分数的分布与总分分布基本一致，随着高考等第越来越低，平均分越来越大，即该维度掌握情况越差．从过程与方法的调查结果来看，随着高考等第由A+向C变化的过程中，平均分总体呈上升的趋势，然而，B+类学生的平均分较高，不满足该趋势，说明该类学生对相对论知识中蕴含着的科学思想及方法的了解与知识的掌握情况不一致．B+类学生属于中等学生，由数据可知，这类学生的学习方式更倾向于掌握基本理论知识，忽视对科学思想和方法的深入了解，可能需要更多时间和精力来理解知识．

分别对学生的学业成就与知识与技能、过程与方法和情感态度与价值观三个方面的结果进行双变量相关性分析可知：学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观上，相对论掌握情况与学业成就均在0.01水平上显著相关，其中知识与技能部分的相关性最高，其次是情感态度与价值观和过程与方法．间接说明，高考仍偏重于学生在知识与技能方面的考查，但我们应该关注学生的在过程与方法、情感态度与价值观方面的学习情况和知识与技能的学习情况显著相关．

2.6 几个因素对学生相对论学习情况的影响

由于相对论知识与经典物理学知识相比更具抽象性，因此按照正常思维，男生的学习情况应优于女生．前面我们已经分析了中学学校类别不同对相对论教学的课时及重视程度没有显著差异，那么学校类别不同是否会导致学生相对论学习情况的不同也是值得考虑的．因此，为了弄清这几个因素对相对论学习的影响，我们对性别、学校类别与学生相对论学习情况的相关性进行分析．

(1)性别对相对论学习的影响

为了解不同性别学生在学习相对论过程中是否存在差异，对不同性别学生总成绩及各维度成绩进行独立样本T检验，发现总分与性别之间无显著性差异，说明学生在相对论总体学习情况与性别无关．在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度上，仅有情感态度与价值观方面有显著性差异，Sig.(双侧)=0.003<0.05,男生的均值小于女生，即男生对相对论学习的兴趣高于女生．

(2)学校种类对相对论学习的影响

进一步检验可知，不同学校学生相对论的总成绩的平均值有显著差异，且普通高中的均值高于四星级高中，说明普通高中学生的相对论掌握水平低于四星级高中；而知识与技能这一维度上，不同学校学生间存在显著差异，且普通中学的平均分高于四星级中学，说明在知识与技能方面四星级学校学生的学习水平高于普通中学的学生；从情感态度与价值观这一维度来看，学校的种类不影响对学生学习相对论的兴趣的培养；从过程与方法来看，不同学校学生在相对论学习过程中对科学思想及方法的掌握不存在显著差异．

3 结论与建议

3.1 学生反映的教师教学情况

经过调查结果的分析，由于新课程标准对相对论知识的要求较低，且在高考中出现的频率较低，难度不高，因此在江苏省高中物理教学中相对论知识没有受到足够的重视．多数教师把本章知识视为一般知识点甚至是不重要的知识点，教学过程中仅是一带而过．教学课时数与建议课时相比偏少，平均课时仅4个课时左右，与建议的6个课时相差较多．