中美大学生静电学心智模型的比较研究

张静，徐大海 （长江大学物理与光电工程学院，湖北 荆州434023）

2012年美国颁布的用来指导新一轮科学课程标准修订的《K－12科学教育的框架：实践，跨学科概念与核心概念》［1］明确将心智模型写入课程文件，这是美国科学教育研究领域关于模型的研究成果在课程文件中的体现，具有重大意义。心智模型的建构能够作为一套与已有知识高度匹配的认知表征，日益在不同的研究领域达成共识。学术界并没有对心智模型的准确定义达成共识。总体看来，研究者认为心智模型是长时记忆中的要素与外在情境或刺激物相互作用所产生的内在表征，是对事物 （情境或过程）的结构化类比，是个体根据特定目的所形成的动态的认知结构。心智模型起源于个体对于自身经验与观点的操作，可以当作是一种解释与预测外在世界的工具［2－4］。

在国内，物理教学十分重视模型的教学及其相关研究，但却很少关注内隐于学生头脑内部的心智模型。而静电学是一个具有挑战性的教学内容，主要原因是其核心概念都十分抽象和复杂。笔者通过对中美两国学生静电学心智模型的比较，重点探讨以下2个问题：①中美两国学生静电学心智模型的类型存在哪些异同？②中美两国学生心智模型的稳定性如何？

1 研究方法

1）样本选取。美国样本来自于俄亥俄州立大学的大一工程学专业学生。采用投票器 （clicker）收集数据，因此每题的样本数略有差异，大多数样本量为40人左右。中国样本来自长江大学二年级电信专业学生 （未学习大学电磁学课程），《大学物理》课程在二年级开设，样本量为137人。

2）研究方法。采用纸笔测试和诊断性访谈来确定学生的心智模型。研究采用了Rasil博士开发的“电磁学中基于模型诊断测试题 （A model－based diagnostic instrument in electricity and magnetism）”［5］，仅选择静电学部分试题。静电学测试题包括6个主题：（a）静电学中的牛顿第三定律 （2题）；（b）静电感应（2题）；（c）电场叠加 （2题）；（d）导体上电荷的分布 （4题）；（e）导体上的电势 （3题）；（f）接地导体上的电荷分布 （6题），共19题。测试题的特点是多个问题或情境属于同一个概念主题。因为无法直接调查学生头脑内部，该研究的测试题采用二阶测试 （Two－stage test），即学生需要提供得到答案的解释，通过这种方式将内隐于学生头脑内部的心智模型转化为表达模型。

为了确定2国学生心智模型的异同，研究采用了2种比较方法：一种是通过各题各选项的百分比分布的比较，采用卡方检验来分析2国学生表现的差异性，并忽略随机的猜测数据，关注典型分布和主要集中的选项；另一种方法是对学生的解释进行定性分析。

2 研究结果

通过对中美两国学生的比较表明，两国学生静电学心智模型相对一致的主题有 （b）、（c）、（d）、（f），存在差异的主题有 （a）和 （e）。

研究以主题“（a）静电学中的牛顿第三定律”为例进行分析，主题 （a）包括2道试题。题1需要学生比较3库仑和1库仑点电荷之间的相互作用力的大小。题2需要学生比较3库仑点电荷和1库仑带电球体之间的相互作用力的大小。

中美两国学生所选选项的百分比分布如表1所示。通过卡方检验，得出样本在题1上的卡方值χ2（1，N＝177）＝36.3，显著性概率p ＝0.000，小于0.05，即在置信概率95%的情况下，两国学生在题1上的选项百分比分布存在显著差异。但在题2上的卡方值χ2（2，N＝177）＝4.829，显著性概率p＝0.088，大于0.05，即在置信概率95%的情况下，两国学生在题2上的选项百分比分布没有显著差异。结果表明，两国大多数学生能够选择正确选项，但对于题1，中国学生全部正确，而美国学生尚有26%的学生选择错误选项。

基于以上统计结果，对两国学生的心智模型进行分析 （见表2）。2题中所包含的情境因素有电荷的电量和球体的尺度，情境因素会影响学生对相关概念或规律的调用。2试题是用来检测学生是否存在电量模型或尺度模型的。研究表明，两国学生持有一些相同的心智模型，如电荷直接映射到库仑定律，而没有考虑球体上电荷的分布及库仑定律的使用范围。两国学生也存在一些不同的心智模型。如美国学生认为带电体所带电量不同则2带电体受力也不同；带电量多的带电体受力大，或尺度大的带电体受力大，即美国学生持有电量模型和尺度模型，而中国学生较少持有该模型。大多数中国学生之所以选择正确选项，是因为他们直接调用了牛顿第三定律。还有部分在题2中选择错误选项的学生，考虑了静电感应，学生认为球体上的电荷分布发生了变化，因此受力也将发生改变，而美国学生没有考虑这一点。

基于以上研究，笔者进一步调查了学生心智模型的稳定性。以“主题 （f）接地导体的电荷分布”为例，主题 （f）包括6道试题，研究表明学生的心智模型是情境依赖的。通过对学生L的访谈发现，学生L的初始模型是“接地端电量与大地所带电量相等”，通过教师一系列问题引导后，学生L第1次转变了其心智模型，认为“同种电荷排斥到导体远端”。当发现其心智模型的缺陷之后，他第2次转变其心智模型，认为“接地端电势为0”。研究表明，在学生头脑中同时存在2种不同的心智模型，如果给予某些暗示或更换情境，学生可能会根据问题情境的特点来调用不同的心智模型。该结果与Rasil博士的研究结果一致。

表1 中美两国学生在主题 （a）上的结果比较

表2 中美两国学生在主题 （a）上心智模型的比较

3 结论与建议

3.1 结论

通过中美大学生静电学心智模型的比较研究发现，两国学生静电学心智模型所表现出来的共同特征有：在静电学中学生最普遍采用的模型是超距作用模型；学生均尚未建构科学的物质微观结构模型和电场模型；电场和电势的概念仅仅是以“定义”的形式存在，且不助于形成一套工作模型；对于同一现象的解释学生存在2个以上的不同心智模型，且各心智模型之间不存在矛盾；学生的心智模型是情境依赖的。

但两国学生也存在一些差异：中国学生更习惯采用数学模型和程序规则，因此相对美国学生而言，情境对中国学生的影响更小；中国学生通常应用已有模型或教师告知的模型，学生很少在新情境中自主建构模型；中国学生较少考虑模型的适用范围，只要能成功解决问题 （但不一定正确），学生则不再进行心智运作。

3.2 建议

1）需加强实物物质微观结构和电场模型的教学。研究表明学生在涉及电介质、导体中的电荷移动（包括接地问题）、电荷分布问题，及金属导体上的电场强度和电势问题上均存在较多的与科学模型相异的心智模型，其根本原因在于学生尚未建立起清晰的实物物质微观结构模型和电场模型，教学中应强化这些静电学核心模型的建构。

2）教师应避免过早的应用数学模型和物理术语。传统的物理教学和评价，使得学生在物理学习中建立起了很好的公式、符号的模型表征，但学生并未真正理解物理概念模型。因此，教学时应在学生对物理对象模型、过程模型及概念模型建立之后再建立数学模型。而测试也应该减少定量计算问题的考察，多设计考察学生在真实物理情境中建构模型的试题。大量研究已表明学生即使会算题，也并不意味着学生建构了物理概念，并能解决实际问题。且在教学初期应尽量避免物理术语的使用，因为学生对“物理术语”的理解可能存在误解。

3）在教学和测试中应为学生提供机会来表征和交流他们的心智模型。建构主义学习理论指出，学生的学习是基于其已有认知的。因此，教师只有充分了解学生初始的心智模型，才能在此基础上有效的开展教学。而教师要想了解学生的初始模型，就应在教学和测试中给予学生表征自己心智模型并与同伴交流的机会。

4）采用多种教学策略来帮助学生建构和应用模型。要促进学生建构和应用科学模型，必须要让学生亲身经历模型的建构过程。而对于学生的不同初始模型状态，在教学中可以采用不同的教学策略来有效实现学生心智模型建构，如架桥策略、认知冲突策略、图示策略等。

［1］ Achieve.The Next Generation Science Standards－AppendixA ［EB／OL］.http：／／www.nextgenscience.org／sites／ngss／files／APPENDIXAConceptual Shiftsinthe Next Generation Science Standards.pdf，2013－04－16.

［2］ Norman D A.Some observation on mental models：Mental Models［M］ .Hillasdale：Erlbaum，1983：7－14.

［3］ Vosniadou S，Brewer W F.Mental models of the Earth：A Study of Conceptual Change in Childhood ［J］ .Cognitive Psychology，1992，24：535－585.

［4］ Chi M T H.International handbook of research on conceptual change ［M］ .Hillsdale，NJ：Erlbaum，2008：61－82.

［5］ Warnakulasooriy R.Students’models in some topics of electricity ＆ magnetism ［D］.Ohio State University，2003.