基于Peer Instruction教学方法研究大学生物理错误概念——以动生电动势为例

张 萍 齐 薇 王媛平 张齐齐

（北京师范大学物理学系，北京 100875）

学生在系统学习物理概念之前，头脑中已经存在了一些来自于生活经验的对物理现象的一般认识，这就是前概念（preconceptions）．由于这些前概念通常不同于科学概念，也被称为错误概念（misconceptions），学生处于不同学习阶段的概念水平不同，其错误表现也不同，这些错误一方面源于生活经验，另一方面来源于前期课程的学习．错误概念广泛存在于学生头脑中，并会严重影响学生对物理概念的学习，所以研究学生的错误概念对有效教学、提高教学质量有重要意义．

1 Peer Instruction教学方法与错误概念的研究

我们使用同伴教学法（Peer Instruction简称：PI）讲授大学物理课程［1］，要求学生课前自学掌握课程基本知识，上课时老师不再按部就班地讲授全部课程内容，而是围绕课程的核心概念设计一些概念测试题（ConceptTest），让学生基于这些问题进行小组讨论，加深对物理概念的理解［2］，教师基于学生自学和相互讨论后达到的学习水平，确定课程教学内容，只讲重点、难点和关键点，帮助学生完善物理知识结构．为了设计出好的概念测试题引发学生讨论，为了瞄准学生学习困难高效地讲授课程，教师必须了解学生中存在哪些错误概念，因此，使用PI教学法要求我们研究学生的物理错误概念．同时，PI教学方法要求学生在课堂上基于概念测试题进行小组讨论，口头交流可以使学生的错误概念外显，为教师提供研究学生错误概念的机会．

2 研究方法

使用PI教学方法，设计概念测试题（多项选择题），在课堂上让学生先给出个人答案，然后在小组中讨论，教师对学生讨论进行录音，通过对所有小组的录音进行转录，发现学生在讨论过程中出现的各种错误说法，将学生各种说法进行分析、归类、编码，统计得出学生中存在的物理错误概念．研究设计分两个步骤，进行两轮研究．第一轮研究的概念测试题是单选题，学生选择自己认为正确的答案，在小组讨论中说明自己选择的理由，然后相互交流和讨论．这一轮的研究设计是希望学生的讨论相对开放，目的是定性地获得学生中存在哪些错误概念．第二轮研究是在第一论研究的基础上，将第一论研究得出的错误概念编入原来概念测试题的选项中，由于一个学生可能同时存在多个错误概念，大多数测试题改为多选题，通过统计学生的答案分布可以量化研究这些错误概念在学生中存在的程度，由于学生的讨论都围绕选项中对应的错误概念进行，从而使我们的研究更具针对性．两轮研究结果可以彼此互证和互补，提高研究的信度．

3 研究结果

为了研究学生在动生电动势概念上的错误，我们设计了两个题目：一个是导体棒在匀强磁场中平动，另一个是导体棒在匀强磁场中转动．为了方便讨论，先将动生电动势的公式写在下面：

3．1 导体棒在匀强磁场中平动

我们使用题1－1进行第一轮的研究：按照PI教学方法的规则要求学生课前自学，课上给出概念测试题，让学生先使用Clicker发送自己的答案，然后小组讨论，讨论后学生再次发送自己的答案．

题1－1：如图，长度为l的直导线ab在均匀磁场中以速度v移动，直导线ab中的电动势为：

（1）Blv；（2）Blvsinα；（3）Blvcosα；（4）0；（5）其他．

题1－1 用图

这个题目答题的有效样本数是133人，第4选项为正确答案，一个看似很简单的题目只有20%学生答对．选择选项2和3的学生分别占42%和35%，经过学生的讨论后，这道题的正确率上升为89%．我们对学生讨论的录音进行分析得出学生的错误，见表1：

表1 关于导体在磁场中平动时产生动生电动势的错误概念

我们把这些错误概念外显出来，编入原题的选项中，设计成题1－2．在第二年的同样的课程中，使用新的测试题进行错误概念的第二轮研究．

题1－2 用图

题1－2：如图，长度为l的直导线ab在均匀磁场中以速度v运动，关于直导线ab中的电动势，以下说法正确的是：

（1）因为磁场是不变的，所以不产生电动势；

（2）因为没有形成闭合回路，所以说电动势为零；

（3）根据动生电动势的公式，速度和磁感应强度是叉乘关系，电动势为Blvsinα；

（4）因为导线垂直于磁感应线的有效长度是lcosα，电动势是Blvcosα；

（5）以上都不对．

这个题目答题的有效样本数是125人，第5选项为正确答案，有22%学生答对，错误选项集中在（3）（27%）、（4）（46%）两个选项上，70%左右学生在使用公式（1）时，只考虑其中两个矢量的夹角关系（正确使用动生电动势必须考虑B、l、v三个矢量之间的运算关系）．经过学生的讨论，这道题的正确率为91%．对学生讨论的录音进行分析又发现两个新的错误概念，见表2：

由于两次测试题目的选项不同，学生在讨论时涉及的内容不同，学生对题1－1的讨论相对更开放，表1中的错误概念分散在各个小组，每个组讨论时侧重点不同，不是每个小组的讨论都涉及到表1中的所有内容，大多数小组中的学生在意识到导体并没有切割磁感应线后，得出正确答案，结束讨论．对题1－2的讨论，学生基本是围绕题目选项进行，即使发现导体并没有切割磁感应线，得出正确答案，还必须依照题目中的各个选项，逐个排查表1中所有的错误，学生在（3）和（4）两个选项的相互争论和交流中，逐渐地对公式（1）中B、l、v三个矢量关系形成了正确理解．矢量分解、投影和有效长度等“策略”来源于学生以前的学习经验，许多学生只记住了结论，不理解其中的物理含义，在新的问题情景中单纯调用这些“策略”导致错误．让学生在相互讨论中，发现自己学习中的问题，教师也应借机告诉学生：“学习物理应该致力于理解物理的本质，而不是只记住一些解题策略和技巧”．

表2 关于导体在磁场中平动时产生动生电动势的错误概念（补充）

3．2 导体棒在匀强磁场中匀速转动

与上面研究方法相同，使用题2－1进行第一轮研究，有效样本为128人，这道题正确答案是选项（4），讨论前有47%学生答对，讨论后的正确率为77%，通过录音分析得出学生相关错误见表3：

表3 关于导体棒在匀强磁场中匀速转动时产生动生电动势的错误概念

题2－1 用图

题2－1：如图所示，导体棒AD在均匀磁场B中绕通过C点的垂直于棒长且沿磁场方向的轴OO′转动（角速度ω与Β同方向），BC的长度为棒长的1／3，则（ ）

（1）A点比D点电势高．

（2）A点与D点电势相等．

（3）A点比D点电势低．

（4）有稳恒电流从A点流向D点．

依据第一轮研究发现的错误概念编制测试题2－2，由于一个学生可能同时存在多个错误概念，这个题目设计为多选题．

题 2－2： 如 图 所示，导体棒AD在均匀磁场B中绕通过C点的垂直于棒长且沿磁场方向的轴OO′转动（角速度ω与B同方向），DC的长度为棒长的1／3，关于A、D两点的电势，以下说法错误的是（ ）（可多选）

（1）A点的速度比D点大，所以A点的电势比D点高．

（2）A点到转轴的距离比D点远，所以A点的电势比D点高．

（3）A、D之间没有电流，所以A点与D点电势相等．

（4）CA段电流方向是由C指向A，CD段电流方向是由C指向D，所以A点比D点电势低

（5）因为AD是导体棒，所以平衡的时候A、D等势．

这道题目答题的有效样本数是124人，1－5选项都是错误的说法，表4是学生答案的分布，未选某选项意味着学生不能指出其中错误，说明学生存在相关错误．

题2－2 用图

表4 题2－2学生答案分布

在这个题目中，A点电势高于D点，选项（1）和（2）中的结论虽然是对的，但是理由并不完整，从学生讨论的录音分析中，发现大约有60%学生在多变量问题中只考虑单一因素的影响；选项（3）数据表明：14%学生存在“导体上没有电流，导体是等势体”的错误；选项（4）的数据表明：31%学生错误地调用稳恒电流无源电路的概念，认为导体棒上有电流，电流从高电势流向低电势．选项（5）的数据表明：31%学生在这个问题中错误调用静电平衡导体是等势体的概念．由于表3中第（6）个错误概念不直接与题目问题情景相关联，所以没有编入题2－2，然而在对学生讨论的录音分析中，发现35%的学生存在“电动势的方向是从高电势指向低电势”的错误概念．

4 讨论

（1）物理错误概念广泛地存在于学生中，这些错误概念的存在造成新课程学习的障碍．Hestenes、Wells等（1992）研究表明“错误概念的存在使得学生听不懂物理课，从而导致他们强行记忆一些没有关联的片段，做着没有意义的作业，使很多学生有厌学情绪”［3］．

（2）大学生的错误概念多源于他们之前的学习经验，在传统教学中，学生简单记忆公式、知识点和题型，很少尝试多角度理解物理概念的本质，他们缺少面对陌生环境利用所学的概念和定律进行推理的能力，遇到新的问题情景时，学生外显的还是他们的错误概念．

（3）加强学生间的合作学习是转变学生错误概念、构建科学概念的最有效的方法．Clement（1982）认为“通过学生之间的讨论，学生说出错误概念，通过将自己的错误概念和科学概念的比对，意识到错误概念的存在，产生认知冲突，可以有效地转变错误概念”［4］．

我们的研究也表明：使用PI教学方法讲授大学物理课程，通过学生之间的相互讨论可以促使他们产生更多的新思想、新方法、更高层次的推理及更好的知识迁移，从而获得对物理概念更深刻的理解［5］．

［1］ 张萍，涂清云，等．大学物理课堂互动教学模式的研究——基于“教室应答系统”的构建［J］．中国大学教学，2011，（07）：21－23．

［2］［5］ 张萍，涂清云，等．课堂中的合作学习——同伴教学法对物理概念学习的促进作用［J］．中国大学教学，2012，（06）：56－59．

［3］ Hestenes D，Wells M，Swackhamer G．Force concept inventory［J］．The Physics Teacher，1992，（30）：141－158．

［4］ Clement J．Students’preconceptions in introductory mechanics［J］．The American Journal of Physics，1982，50（1）：66－71．