计算机建模工具支持的迷思概念转变研究——以力和运动概念为例

谢海燕 徐晓东

（1.华南理工大学广州学院，广东广州 510800；2.华南师范大学 教育信息技术学院，广东广州 510631）

一、研究问题的提出

概念是日常生活中认知世界的工具，也是学校教育的主要目标之一，可以说概念对于我们非常重要。然而，心理学以及科学教育领域中关于概念理解的研究指出，即使到了成年，许多人仍然持有一些错误概念，这些概念通常被称为迷思概念（Misconception），例如，“运动表示有力的作用”[1]。学生的迷思概念主要来源于日常生活经验。

国内外有关力和运动的概念转变研究都集中在力和运动迷思概念的调查研究、使用教学策略进行概念转变的实证研究上。有些研究表明，学生在经过教学后力和运动的迷思概念反而加重了，一个主要原因是牛顿第一定律与学生的直觉思维相矛盾，因为现实世界中总存在摩擦力，因此，为了维持一种运动状态，必须不断对物体施加外力。

经过调查发现，广州市高一学生关于牛顿第一定律的迷思概念主要是圆周冲力和打击提供冲力，这两个迷思概念背后的现象本原是运动表示有力的作用，要实现圆周冲力和打击提供冲力迷思转念转变，必须从其现象本原入手。运动表示有力的作用主要来源于日常生活经验，如人对物体施力，物体运动，停止施力，物体不动，而导致学生形成这一迷思概念的根源在于现实世界中总存在摩擦力。因此，要实现运动表示有力的作用概念转变，必须让学生建立起没有摩擦力时物体运动状态的心智模型。

建模是概念性参与最强的认知过程之一，这使建模具有强大的预测概念转变的功能，学生建立模型的结果是学生拥有了知识[2]。交互式物理作为一种计算机建模工具，可以模拟现实世界中有关力和运动的情境，包括摩擦力为零的理想环境。它通过人机交互的方式，完成建立数学模型、用模型仿真实际物理过程、数据处理及得到结果等一系列工作，由此体验研究物理问题的思路、方法及过程[3]。国内外有不少学者使用交互式物理进行力和运动的教学，但却几乎没有考虑到学生的迷思概念。

综上所述，本研究试图通过计算机建模工具支持的概念转变教学活动，促进学生力和运动迷思概念的转变。本研究中的概念转变是指，由迷思概念转变为科学概念，其评估标准是能应用科学概念解决一类问题，尤其是日常生活中的问题。研究中所采用的概念转变教学活动是，根据学生已有的先前知识和迷思概念，通过小组讨论、反例等策略引起学生的认知冲突，在认知冲突的基础上，利用真实实验和计算机建模工具进行探究，从而帮助学生实现概念转变，建构科学概念的学习。这种教学活动的特征是，基于学生已有的先前知识，尤其是迷思概念，充分利用小组讨论、反例等策略引起学生的认知冲突，强调使用日常生活素材进行实验探究，强调充分利用计算机建模工具帮助学生建模，从而实现概念转变。

二、研究方案设计

1.研究目标

通过准实验来验证计算机建模工具支持的牛顿第一定律概念转变教学活动能够有效地促进学生对力和运动的理解，从而转变学生力和运动的迷思概念，建构一个科学概念；与常规教学相比，概念转变教学活动在力和运动迷思概念转变中效果更好；合理使用计算机建模工具能够有效促进学生力和运动迷思概念转变。

2.研究被试

参与本研究的被试来自于广州市真光中学和第七中学的高一年级，年龄在15～16 岁之间的133 名中学生。这两所中学均是广东省国家级示范性中学，广州市重点中学，教学质量较好，学生素质较高。根据作者开展的广州市高一学生力和运动迷思概念调查研究结果表明，广州市高一学生中，54.71%的学生认为“运动表示有力的作用”，38.29%的学生存在“圆周冲力”的迷思概念，18.42%的学生认为“打击提供冲力”。参与研究的133名中学生“力和运动”概念水平相当，选取真光中学的两个班级作为实验班，第七中学的两个班级作为对照班。

3.研究方法

本研究采用不相等实验组控制组前后测准实验设计，实验组实施牛顿第一定律概念转变教学活动，对照组实施常规教学，对实验组和对照组进行前后测。本研究的干预是计算机建模工具支持的牛顿第一定律概念转变教学活动，常规教学为没有关注到学生力与运动迷思概念的教学。

按照不等组实验组控制组前后测准实验设计，需要对实验组和对照组进行前后测，本研究选定的测量评价工具是FCI（力的概念调查表）。FCI 是由Hestenes 等人在1992年推出，是目前国内外有关力和运动迷思概念调查工具中信度效度最高、应用最广泛的调查与教学评价工具。FCI 共调查牛顿力学概念的6 个方面及其对应的迷思概念，包括运动学、牛顿第一定律、牛顿第二定律、牛顿第三定律、叠加原理、力的种类，一共有30题，每个题目5 个选项[4][5]。作者选取了FCI 中有关牛顿第一定律的测试题，形成了两份等值的调查问卷，一份用于调查学生的迷思概念，同时作为前测，一份用于教学干预后的教学评价，作为后测。此外，为了了解学生选择某个选项背后的原因，在每题后面增加了“选择该答案的理由 ”，这种二阶式诊断测试可以了解选择答案背后的因素，帮助了解概念的脉络性[6]。

4.计算机建模工具

本研究中所采用的计算机建模工具是力与运动教学系统（界面截图如下图1），由作者读研究生时所在的认知与技术实验室设计并开发。本系统开发工具是VS2008，采用MFC 实现系统的整体架构，并使用GDI+实现系统的主要功能，操作系统要求是windows 系列操作系统。力与运动教学系统是独立的可执行软件，对用户端无特殊要求，使用者只需具备基本的计算机操作能力就可以使用该系统。

力与运动教学系统模拟了人推车的情境，主要包括三个功能块，左上区是参数设置功能区，使用者可以根据需求设置各种参数，主要包括力、摩擦系数等，右上是建模区，可以直观的呈现运动中各参数间的关系图、柱形图等，使用者可以导入或导出数据进行建模，下方是运动状态区，可以直观查看运动状态。力与运动教学系统能够实现摩擦力为零的运动情境，和真实实验配合使用，能够满足教师和学生用来探究力和运动之间的关系，帮助学生建模。

5.研究过程

在实验学校教师的参与下，基于TEL（技术支持的学习）模型，作者设计并制定了计算机建模工具支持的牛顿第一定律概念转变教学活动。TEL 模型是台湾HSU教授设计的，TEL 模型包括五个认知阶段：(1)概念化，激活先前知识与经验，呈现真实有意义的情境给学生；(2)意义建构，产生解释与冲突，学生想象和描述复杂情境的动态过程并将它简单化；(3)解释，形成与检验假设，学生会计划和实施他们的实验；(4)建模，对现象之间的关系进行综合，学生会形成假设或建立模型来揭示他们的发现：(5)应用，在不同的情景中应用观点[7]。

图1 力与运动教学系统界面截图

教学要求在物理实验室中进行，学生以小组的形式进行协作学习，可以对学生预先进行小组讨论和协作的能力训练，牛顿第一定律概念转变教学活动包括以下5个环节：

(1)教师用圆形管道中小球运动轨迹的问题（如下）为引子，调查学生有关牛顿第一定律的先前知识及迷思概念。教师先提出问题，让学生思考，再以小组形式讨论，并挑选小组作答，然后让学生回忆平时甩干雨伞上的雨滴，雨滴的运动轨迹。

问题：下面图中所示的哪条路径最接近由r 点离开管道进入无摩擦桌面时的运动方向？（ ）为什么？

（俯视图）

(2)教师引入反例，引发学生的冲突。教师询问学生：“物体的静止需要力来维持吗？”教师手拿一支粉笔，问学生：粉笔是静止的，如果我松开手，粉笔就会掉到桌子上，这样看来，粉笔要保持静止，必须要我的手给它一个力，因此，我认为“物体的静止状态需要力来维持”，我的这个观点对吗？学生在观察老师的活动后，思考并回答老师的提问，然后引导学生得出“粉笔的静止状态合力为零”，物体的静止状态不需要力来维持。再引入另一个反例，教师做两个简单的真实实验让学生观察，①粉笔盒原来是静止，我推它就动，不推它就不动；②我推一辆小车，小车就动了，我撤去推力，小车没有立即停下。让学生思考这两个现象背后的原因，引导学生得出摩擦力的影响，并让学生思考摩擦力是如何影响物体的运动？如果没有摩擦力，物体的运动状态是怎样？物体的运动需要力来维持吗？

(3)实验探究，形成与检验假设。利用毛巾、小车、实验桌等工具来做实验探究。①推动一辆放在毛巾上的小车一段时间，然后放手并观察小车的运动情况；②推动一辆放在实验桌上的小车一段时间，然后放手并观察小车的运动情况；③对比前面1、2 步骤中的小车的运动情况，并设想在一个绝对光滑的平面上，小车的运动情况又是怎样？

(4)力与运动教学系统验证假设，帮助学生建模。①将地面设置为粗糙（等同于真实实验的毛巾），给小车一个50N 的推力，推力的作用时间为1s，观察小车的运动情况是否与（3）①步骤的观察一致。②将地面设置为普通（等同于桌面），给小车一个50N 的推力，推力的作用时间为1s，观察小车的运动情况是否与（3）②步骤的观察一致。③将地面设置为光滑，给小车一个50N 的推力，推力的作用时间为1s，观察小车的运动情况是否与（3）③步骤的猜想一致。教师引导学生得出惯性的概念，并讨论影响惯性的因素有哪些，建立科学的概念。

(5)不同情境的应用：

①一物体沿光滑斜面向上运动，它受到几个力的作用？

②广州的一辆公交车上，人多拥挤。忽然，由于前方紧急情况，司机来了个急刹车，就在这一瞬间一位书生模样的小伙子顺势倒在了旁边一位摩登女孩的身上。女孩红颜大怒，向小伙子吼道：“瞧你那德性，还想占我便宜！”小伙子听了，并没有与其争吵，而是微微一笑说道：“小姐，不是德性是惯性，实在是身不由己啊！”车上的人都乐了，还不住的夸奖小伙子的机智和幽默！请你解释一下：为什么小伙子说“不是德性是惯性”。

三、结果与讨论

1.研究结果

牛顿第一定律概念转变教学活动主要针对圆周冲力、打击提供冲力及其背后的现象本原运动表示有力的作用。测试问卷中学生选择代表某个迷思概念的选项，给10 分，分数越高，表示学生某个迷思概念越重。根据学生前后测所得分数，进行两因素方差分析。

（1）圆周冲力两因素方差分析结果

表1 真光实验组与控制组圆周冲力前后测描述性统计量

表2 实验组与控制组圆周冲力前后测方差分析：被试内效应检验

表3 实验组与控制组圆周冲力前后测方差分析：被试间效应检验

图2 真光实验组与控制组圆周冲力前后测交互效应图

表1-3 为真光实验组与控制组圆周冲力前后测两因素混合设计方差分析结果。从表2 被试内效应分析可知，PRE_POST 的F（1，131）=58.151，P=0.000＜0.01，表明真光实验组与控制组前后测差异非常显著；PRE_POST*GROUP 的F(1,131)=2.274，P=0.134＞0.05，表明GROUP 与PRE_POST 交互效应不显著。从表3被试间效应分析可知，GROUP 的F（1,131）=15.548，P=0.000＜0.01，表明真光实验组与控制组差异非常显著，从图2 交互效应图可知，真光实验组教学效果更好。

由此可知，牛顿第一定律概念转变教学活动和常规教学在促进“圆周冲力”概念转变中前后测差异非常显著；与常规教学相比差异非常显著，且牛顿第一定律概念转变教学活动更能促进“圆周冲力”概念转变。

（2）打击提供冲力两因素方差分析结果

表4 真光实验组与控制组打击提供冲力前后测分数描述性统计量

表5 真光实验组与控制组打击提供冲力前后测方差分析：被试内效应检验

表6 真光实验组与控制组打击提供冲力前后测方差分析：被试间效应检验

表4-6 为真光实验组与控制组打击提供冲力前后测两因素混合设计方差分析结果。从表5被试内效应分析可知，PRE_POST的F（1，131）=30.291，P=0.000＜0.01，表明真光实验组与控制组前后测差异非常显著；PRE_POST*GROUP 的F(1,131)=2.530，P=0.114＞0.05，表明GROUP 与PRE_POST 交互效应不显著。从表6 被试间效应分析可知，GROUP 的F（1,131）=6.130，P=0.015＜0.05，表明真光实验组与控制组差异显著，从图3交互效应图可知，真光实验组教学效果更好。

由此可知，牛顿第一定律概念转变教学活动和常规教学在促进打击提供冲力概念转变中前后测差异非常显著；与常规教学相比差异非常显著，且牛顿第一定律概念转变教学活动更能促进打击提供冲力概念转变。

2.讨论

对圆周冲力、打击提供冲力两因素方差分析结果进分析后，得出了与构想相一致的模式，在开展了牛顿第一定律概念转变教学活动后，15～16 岁的中学生牛顿第一定律概念转变绩效明显得到提高，学生概念转变和建构情况得到明显改善。由此可见，由计算机建模工具支持的牛顿第一定律概念转变教学活动这一干预，在促进学生牛顿第一定律概念转变、提升概念建构绩效上，有非常显著的作用。这一准实验研究结果还证实了，顺序地合理地利用有日常生活素材参与的真实实验和计算机建模工具支持的虚拟实验，与学生概念转变绩效存在着功能关系。

图3 真光实验组与控制组打击提供冲力前后测交互效应图

这是因为牛顿第一定律概念转变教学活动以圆形管道中小球的运动轨迹的问题为引子，调查学生关于牛顿第一定律的先前知识和迷思概念；在学生充分讨论的基础上，让学生回忆日常生活中甩干雨伞上的雨滴的运动轨迹，以引起学生的认知冲突；然后，教师引入“手托粉笔，需要手施力来保持粉笔的静止”、“手推粉笔盒动，撤掉推力，粉笔盒不动，表明粉笔盒的运动需要力来维持；手推小车动，撤掉推力，小车还运行了一会，没有立即停下来”等反例，进一步加强学生的认知冲突；在学生认知冲突的基础上，让学生利用真实实验探究物体运动状态与力的关系；在真实实验的基础上，使用计算机建模工具来进一步探究力和运动的关系，进行概念建模。

教师意识到学生有迷思概念，且能引出学生先前知识中的迷思概念是概念转变教学活动设计的关键。教师必须要意识到学生的学习是基于学生的已有知识和迷思概念进行的。迪塞萨[8]指出，那些仅仅教导老师懂得迷思概念观点的干预已经取得了惊人的成功。此外，选择恰当的问题引出学生的迷思概念才能针对迷思概念进行教学活动设计。圆周冲力来源于学生运用“运动意味着力的作用”来解释圆周运动，因此，选用小球在圆形管道中的运动轨迹作为引子可以很好的引出圆周冲力的迷思概念。

通过反例等策略引起学生认知冲突是概念转变教学活动设计的另一关键。在学生讨论后提示学生回忆甩干雨伞上的雨滴的运动轨迹，是一个较好的反例，因为这个反例是日常生活中常见的运动现象，如果学生持有圆周冲力，则无法解释这一现象，能够引起学生的认知冲突。教师再引入“手托粉笔，需要手施力来保持粉笔的静止”、“手推粉笔盒动，撤掉推力，粉笔盒不动，表明粉笔盒的运动需要力来维持；手推小车动，撤掉推力，小车还运行了一会，没有立即停下来”等反例，进一步加强学生的认知冲突。波斯纳[9]指出，学生要不满足于自己先前的概念，用库恩的话来说就是经历了“大量反常的事物”才能改变他们的概念体系。

计算机建模工具的支持是牛顿第一定律概念转变教学活动的关键。正如前文讨论的，牛顿第一定律的迷思概念主要来源于日常生活经验，而究其根源是因为现实世界中总存在摩擦力。计算机建模工具能让学生在真实实验探究的基础上，验证没有摩擦力的运动状态，建构没有摩擦力时物体的运动状态的心智模型，最终建构牛顿第一定律，实现概念转变。

顺序地合理地开展真实实验和虚拟实验，是成功使用计算机建模工具支持力和运动概念转变教学活动的一个条件。计算机建模工具提供的是模拟的运动状态，并非真实的，如果不建立在真实实验的基础上，无法令学生信服。此外，利用日常生活素材进行真实实验，也是概念转变教学活动强调的一个因素，因为迷思概念主要来源于日常生活经验，使用日常生活素材相比实验室器材，更能令学生印象深刻。

四、结论与启示

本研究在科学教育、学习科学等先行研究的基础上，从教育技术学的视角出发，设计并开发了解决牛顿第一定律的概念转变教学活动和支持这一教学活动的计算机建模工具，在准实验研究的基础上，验证了计算机建模工具支持的概念转变教学活动这一干预的有效性，说明计算机建模工具支持的概念转变教学活动对促进力和运动迷思概念转变具有明显效果，与常规教学相比差异显著。

概念转变教学活动的成功依赖于几个关键环节：教师意识到学生有迷思概念，且能引出学生先前知识中的迷思概念；通过反例、小组讨论等策略引起学生认知冲突；多使用日常生活中的现象；顺序地合理地开展真实实验和计算机建模工具支持的虚拟实验。

目前的概念转变教学活动主要依赖于前测与后测，这对于评价具体的概念转变过程作用不大[8]。概念转变研究的核心问题“概念是连贯的还是零散的”目前还在争论中，连贯说认为概念具有不可通约性，是革命性的转变，即快照式概念转变；而零散说则认为朴素理论是由相对独立的零散知识构成，零散说的支持者认为概念转变是缓慢的，但目前还没有模式可用来追踪这个缓慢的过程。不管是快照式概念转变还是缓慢的概念转变，找到一个合适的模式来追踪这个过程将是今后研究的一个重点。

此外，概念转变教学活动后，学生是否依然表现出对情境的敏感依赖也将是今后研究的一个方向，概念转变教学活动虽然强调应用日常生活情境，但是否对应用的情境表现出敏感依赖需要进一步研究。

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