中学物理概念深层理解测试研究：以“静电场”为例

作者简介：张玉峰，山东泰安人，北京市物理教研员，北京师范大学教育学博士。兼任中国物理学会中学分委会副秘书长、北京市竞赛委员会副主任等。研究领域包括物理教学改进、学习诊断与评价等，在《课程·教材·教法》《教育学报》等杂志发表研究论文40余篇。

摘 要：概念深层理解的重要性早已是国际科学教育领域的共识。通过对北京市高二学生“静电场”概念理解的测试，发现：高中生对物理概念的理解水平有待提高，缺乏在事实经验基础上经历抽象、概括、推理的思维过程；缺乏围绕核心概念整合具体概念之间的关联，导致具体概念的碎片化；对概念的定性认识不够，缺乏对引入概念必要性的理解；缺乏对概念理解过程的反思，没有通过概念理解形成反省认知知识和程序性知识。为此，建议在课程、教学、评价等几个方面，强化核心概念的统领功能，整合教学内容；重视学生认识从简单到复杂的发展过程，一切为了学生的全面发展；关注学生差异，促进不同层次学生的认识发展。

关键词：概念深层理解；层级；具体表现

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）8-0001-7

“理解（understanding）” 一直都是教育工作者追求的终极目标之一[1]，也是有效课堂教学的判断标准之一。[2]概念深层理解的重要性早已是国际科学教育领域的共识。[3]

早在上世纪九十年代，美国就意识到其课程内容设置存在“一英里宽，一英寸深（a mile wide，an inch deep）”的不足，由美国科学促进协会推出“2061计划”，并且制定了《国家科学教育标准》。美国科学促进协会制定的《科学素养导航图》（ATLAS OF SCIENCE）一书在“前言”中明确指出，应该把学习目标看作是对理解的提高。并且进一步指出，不仅单个概念是重要的，而且概念间的相互支持也是非常重要的，有助于获得对所有概念的综合理解。

科学教育目标需要通过不同学科的教学得以实现。[4]概念理解是物理学习的重要目标，也是应用概念解决实际问题的前提；同时，也是影响学生物理学习兴趣的重要因素之一。有研究表明：学生物理学习兴趣不高的一个重要原因是学生对概念理解不透彻，没有弄清楚物理概念的“来龙去脉”。[5]

但是，国内物理概念教学的现状却不能令人非常满意，学生没有深入理解物理概念，学习层级比较低，应用物理概念解决实际问题的能力没有得到应有发展。[6]其主要原因在于： 概念教学不能让学生实现科学概念的建构。[7]大多数学生并不能真正理解课堂上所学的知识，即使那些能够在学校纸笔测试中取得好成绩的学生，也不能将所学知识很好地应用于解决课堂以外的问题。[8]在物理教学实践中，以概念的记忆和应用训练替代概念理解的现象比比皆是。有研究恰恰指出，理解概念与应用概念解决问题之间并不存在显著性相关。[9]

本研究拟在已有概念理解研究的基础上，结合物理学及其教学的特点，建构具有可操作性的物理概念深层理解层级及其具体表现，以高中物理“静电场”内容为例进行概念深层理解测试，并基于测试结果，分析概念理解存在的问题，提出有助于概念深层理解的具体建议。之所以选择静电场内容进行研究，是因为该内容不仅是物理教学的重点内容，还是教学的难点。[10]

1 文献综述与理论探讨

概念学习与理解一直是教育心理学研究者们普遍关注的热点问题。但由于研究目的不同，研究者们的研究视角、思路也不同。主要包括两大类：（1）对概念学习与理解分类的研究，有研究者从学习过程的角度对学习进行分类，比如，皮亚杰的认识发生论提出了概念建构需要经过同化、顺应、平衡等方式完成。[11]有研究者则从学习的复杂性角度对概念学习与理解进行分类，比如，奥苏贝尔的学习分类理论，该理论提出意义学习，并指出意义学习是把新知识与已有知识建立实质性联系的过程，属于深层学习。[12]还有研究者也是从学习复杂度角度对学习进行分类，但出发点却是为了方便教育目标的测量，比如，布卢姆的教育目标分类学对学习过程和学习结果的分类。[13]（2）对概念学习条件或者影响因素的研究，主要包括：自从上个世纪八十年代兴起的概念转变（conceptual change）理论，主要研究了从错误概念转变到科学概念的条件、影响因素、类型等方面[14]；概念学习进阶（learning progressions）理论则是最近10多年来逐渐兴起的研究热点，用来描述对概念的认识从简单到复杂、具有层级的思维发展路径[15]。在不同的研究背景下，理解具有不同的含义。[16]因此，给理解下一个统一的、明确的定义，或者描述它，都还是相当困难的。本研究基于概念理解测量视角，在综合已有研究的基础上，界定概念理解，并拟定概念理解层级及其具体表现。

1.1 概念深层理解的界定

本研究认为，概念深層理解是指个体弄清楚事实或者经验与概念，以及概念与原有知识体系间实质性联系的认知过程。根据理解内容或者结果的不同，可以分解为三个具体过程：（1）抽象概括过程，从事实与经验经过抽象、概括，得出作为思维形式的概念的过程；（2）整合过程，把作为抽象思维形式的概念纳入原有知识体系，与已有知识建立具有实质联系的过程；（3）反思过程，对建立概念所使用的跨学科概念、科学思想方法等思维工具进行反思，以获取反省认知知识。

需要指出的是，首先，这里的“理解”不同于“记忆”，因为“理解”需要在事实与经验的基础上历经抽象概括、科学推理等思维过程；其次，“理解”意味着在不同事物或者其属性间建立实质性联系，而不是表面联系；第三，概念理解与概念应用之间有关联，理解有助于应用，应用能促进理解，但并不意味着理解了概念就能应用概念，反之亦然。

1.2 概念深层理解层级及其具体表现

已有测试（如PISSA、TIMMS、NEAP等测试）往往注重应用概念解决实际问题，而忽视了对概念理解过程及其影响因素的评价。但从教学诊断与反馈的角度看，需要了解学生概念理解的具体水平，在哪些环节存在问题，是哪些因素导致学生不理解或者错误理解等。endprint

因此，本研究以Knut Neumann等人在研究能量概念时提出的概念学习进阶假设[17]为依据，结合物理学科自身的特点，建构物理概念学习进阶假设。并以SOLO分类学习理论作为分析框架，拟定学习进阶各层级的具体表现。物理概念深层理解层级及其具体表现如表1所示。

2 概念深层理解测试工具开发

本研究以高中物理“静电场”内容为例，开发概念深层理解测试工具，开发过程如下。

2.1 确定关键概念

首先依据科学概念层级模型[18]，选取“静电场”主题中的若干关键概念，如表2所示，以概念深层理解进阶层级与具体表现框架作为工具，命制测试题。

2.2 命制初测试卷

依据物理概念深层理解层级及其具体表现，借鉴已有研究，命制初测试卷。本研究命制了静电场核心概念及其具体概念的五份测试卷。测试卷涉及的概念、题目数量如表2所示。

依据概念层级及其具体表现框架，命制静电场内容中各具体概念的测试题。

2.3 修订并完善初测试卷

初测试题命制后，分别从三个层次的学校选取测试样本（容量n=110人），进行初测，目的是修订测试卷。根据测试结果，并结合对参与测试的学生和教师的访谈，调整测试题，为第二次测试做准备。

修改后的测试卷共有五套，涵盖静电场核心概念及其具体概念，总测试题数为101道。

3 概念深层理解测试对象与研究方法

3.1 测试对象

本研究选取北京市高二年级学生为研究样本。为了提升测量的效度，采用分层抽样，样本容量n=462人。样本由A、B、C等三所学校的高二年级学生构成。A学校是北京市首批示范校，该校在每年的高考中一类本科升学率一般可达到100%；B校为中等校，该校在每年高考中一类本科升学率一般为60%左右；C校为薄弱校，该校在每年高考中一类本科升学率一般为30%左右。A学校参加测试的总人数为265人；B学校参加测试的总人数为105人；C学校参加测试的总人数为92人。这三所学校所使用的教科书都是人民教育出版社出版的2003年课标教材。

3.2 研究方法

本研究采用测验法测验高中生物理概念深层理解水平，采用基于Rash模型的Winstep软件和SPSS17.0社会学统计软件分析测验数据。

用Winsteps软件对测试结果进行分析，如表3所示，测试题和样本的信度分别为0.99和0.91，分离度分别为3.10和10.86。数据表明：从整体上看，测试卷和被试都具有较好的信度，是可靠的，测试卷和被试都具有较好的分离度。

在进行概念测验的同时，自编半开放型访谈提纲，对教师和参与测验的学生进行深度访谈。通过访谈调查，了解高中生概念深层理解存在的问题，分析与解释问题产生的原因。

4 概念深层理解测试结果与分析

4.1 高中生物理概念深层理解的整体状况

如图1为测试的怀特图。可以发现，从整体上看，高中生的物理概念深层理解水平不太理想，大部分仍然处于基于事实经验的感性认识阶段，缺乏对事实经验的抽象概括，导致不能从多个角度理解概念，建立概念的数学表征，缺乏概念与其对应的核心概念之间的关联。从概念理解各层级的比较看，学生在学习静电场具体概念过程中，认识达到整合层级的学生比例较少，遇到的困难也是最多的；对概念层级的认识次之；其他依次为关联层级和事实经验层级。这一结果也定性验证了本研究提出的静电场概念学习进阶假设。

进一步应用SPSS19.0软件对概念学习各层级进行差异显著性检验。数据表明：概念理解的各层级间难度均在0.05水平上达到显著差异。这说明学生对静电场概念理解处于不同层级。

图2所示为达到静电场具体概念学习各层级难度平均值的人数百分比，100%的学生达到“事实经验”层级的平均水平；97%的学生达到“映射”层级的平均水平；90%的学生达到“关联”层级的平均水平；68%的学生达到“概念”层级的平均水平；8%的学生达到“整合”层级的平均水平。

如图3所示为概念深层理解各层级存在困难的人数百分比，可以发现，并不是所有的学生在所有“事实经验”和“映射”层级均具有良好的表现，仍分别有19%的学生在这两个层级上存在学习困难。因此，从整体上分析，高中物理静电场教学的效果还有较大的提升空间，尚有接近30%的学生对事实与现象的抽象概括水平比较低，并未达到概念层级；绝大部分（92%）学生对静电场概念的学习未达到整合水平。

上述测试结果与静电场教学实践经验具有较大的一致性。在学习静电场内容时，有少部分学生缺乏建立概念的事实和经验，这部分学生往往不能建立场的概念，在遇到具体问题时仍习惯从电荷之间作用力的角度分析问题；有相当一部分学生即使知道了电场的概念，但由于静电场内容的抽象性，仍然不能建立起描述静电场性质的具体物理概念；只有较少数学生能整合静电场内容，建立其静电场概念的联系、静电场与场概念的联系、静电场概念与相关跨学科概念之间的联系。

4.2 在概念理解各層级上表现出的学习困难

测试还发现了学生在静电场学习中遇到的若干具体困难。下面分别对静电场具体概念学习进阶的各层级中发现的学习困难举例说明，并结合个人教学经验和长期的课堂观察对学习困难的产生原因做初步探讨。

（1）在事实经验层级上表现出的具体学习困难

充足的事实与经验是学生学习概念的基础。五套测试题分别对若干静电场具体概念建立的事实与经验进行了考查。测试结果表明：大约15%的学生对建立概念的事实和经验存在不足。例如，“静电场测试四”的第3.1题是对匀强电场中电场力做功的考查，属于建立电势差与电场强度关系概念的事实经验。测试结果表明：约有5%的学生并不能掌握此事实与经验。endprint

根据测试结果，反思当前的物理教学实践可以发现，出现此种结果的主要原因可能有两个方面：一是新课教学中部分教师忽视了概念建构过程的教学，也不注意在学生的事实经验基础上引导学生建构物理概念，把主要精力放在了获取作为结论的知识，而忽视了知识获得的过程；二是从评价和习题训练的角度看，更多题目侧重考查学生应用知识对现象进行解释或预测，解决问题，而考查知识建构过程的题目较少。

（2）在映射层级上表现出的具体学习困难

对概念物理意义的理解是物理概念学习的重要内容。本研究的五套测试题对物理概念的意义做了重点考查。测试结果表明：学生对物理概念意义的理解不太理想，大约有四分之一的学生对静电场具体概念的意义理解不够。这与测试预期存在较大差距。例如，“静电场测试五”的第2题考查学生对静电场意义的理解。学生对电场意义不能从力和能量两个角度全面认识。

结合教学实际，分析出现上述测试结果的原因，这与高考、会考等利害性测试的测试内容可能有关系。这类测试一般不直接考查关于物理概念的意义，因此导致一线教学中对物理概念意义的学与教的缺失。

（3）在关联层级表现出的具体学习困难

能说出静电场具体概念与其他哪些概念有关，并能定性描述这些关系是具体概念关联层级的主要学习内容。在静电场具体概念学习进阶的五套测试题中分别设计关联层级的考查。测试结果表明：有少部分学生对个别静电场概念的关联层级认识仍有困难。例如，“静电场测试三”的第3.1题考查学生是否能说出电势和电场强度分别是从哪个角度描述电场的。测试结果表明：接近20%的学生不能正确作答。

从物理教学实践看，出现上述情况的主要原因是：有些教师往往比较重视概念教学的结果，即概念的定义式，而对概念从事实经验逐渐抽象、概括或者推理的得出过程重视不够。

（4）在概念层级表现出来的具体学习困难

能区分反映场性质的物理量（如电场强度和电势）和反映电荷在电场中所具有的性质（如电场力和电势能），并理解它们的定量关系，是概念层级的主要学习内容。具体说来，电场强度、电势、电势差等物理量是描述场性质的；而电场力、电势能等是来描述电场对处于电场中的电荷的作用的。在五套测试题中分别涉及了此问题。测试结果表明：有较大数量的学生不能区分表征静电场本身性质的物理量和电荷在电场所具有的能或者所受的力。例如， “静电场测试五”的第4.1题考查学生能否区分电场强弱与电荷在某点所受力大小关系。测试结果表明：相当多的学生不能区分电场强弱与点电荷受力大小。

出现此种情况的原因可能是多方面的，其中的一个重要原因可能是，学生学习中“死记硬背”的现象仍然是普遍存在的，学生记住公式后，并没有真正理解其内涵，在实际应用中便出现了“硬套公式”的应答方式。

（5）在整合层级表现出的具体学习困难

测试结果表明：学生对静电场具体概念之间关系的认识，以及具体概念与其对应的核心概念和跨学科概念都存在认识不够深入或者错误认识。例如，“静电场测试一”的第2题和第6题都涉及了对电场物质属性的考查。測试结果表明：没有学生知道电场属于物质，并对电场和一般的实物粒子作出区分。

从当前高中物理教学的现状看，出现此种情况的主要原因在于教师在教学中更关注知识点的教学，强调落实每一个知识点，而忽视知识点之间的联系，忽视学生大概念的发展；与高考的指挥棒作用亦不无关系，在高考的考试说明中，物理知识被拆分成一个一个的知识点，而没有阐释对它们关系的要求。

测试结果还表明：较大数量的学生对概念得出过程所涉及的跨学科概念、思想方法等存在认识不清楚的现象。例如，“静电场测试五”的第4.7题要求学生说出得出电势差与电场强度关系所使用的数学方法和物理学研究方法。测试结果表明：只有大约10%的学生能说出部分方法，大部分同学的答卷是空白的。

从核心概念角度和具体概念学习需要的策略性知识分析，本研究认为，之所以出现这种情况，主要原因有两个：第一，物理教学中往往更加重视具体概念内涵、外延的学习，特别是如何应用概念解决问题等方面的训练，而相对缺乏建立具体概念与其对应核心概念之间的联系等方面的内容。第二，物理教学中更加重视物理学知识本体的教学，而较少讨论在获取知识过程中所涉及的策略性知识，教师在教学过程中，特别是在概念教学过程中，更是较少明示概念学习过程中所涉及的这类知识。

结合物理教学的现状，分析静电场测试中反映出来的问题，概括起来看，主要还是因为当前的物理教学中仍然存在重结果轻过程，以概念应用替代概念理解等不良教学倾向。

5 基于概念深层理解测试结论的建议

通过对测试结果的分析，并结合对参与测试的学生和教师的访谈，本研究得出如下结论：

第一，高中生物理概念理解的整体水平不高，缺乏在事实经验的基础上经历抽象、概括、推理的思维过程。在学习过程中，更倾向于死记硬背结论，而忽视概念得出的过程。

第二，高中生缺乏围绕核心概念整合具体概念之间的关联，学习结果往往表现为记忆了一些孤立的“知识点”，导致具体概念的碎片化，不利于形成良好的物理概念体系。

第三，高中生对概念的定性认识不够，能记住概念的数学表达式，却不一定能说明表达式的内涵，无法区分物理量的定义式和决定式。特别是对引入概念的必要性缺乏理解，不明白为什么引入概念。

第四，高中生缺乏对概念理解过程的反思，没有通过概念理解形成反省认知知识和程序性知识，例如跨学科概念、物理学思想方法等。

基于上述概念理解的结论，为了更有效地促进学生对物理概念的深层理解，本研究为课程、教学、评价等方面提出如下建议。

5.1 对课程的建议

课程内容应该紧紧围绕核心概念。核心概念与学生的生活实际紧密相连，对学生未来的学习产生更重要的影响，更容易迁移。选取内容时，应确定具体概念在促进核心概念理解中的地位与作用，从而做出合理取舍。同时，内容选取还应考虑到学生的可接受性，应基于实证，了解学生对概念的理解层级，而不是单凭经验作出判断。endprint

课程内容的呈现方式应该体现并促进核心概念的学习进阶。第一，以核心概念学习进阶为主线，安排具体概念的顺序。第二，适当显化跨学科概念、物理学思想方法、科学本质观、STSE教育等影响概念学习进阶的要素。这在某些版本的教材中已经有所体现，比如新课程人教版的“物理1”中已经以阅读材料的形式呈现关于“变化率”的相关知识。

建议对选修与必修内容的安排作出适当调整，具体包括以下几点：第一，在必修部分覆盖力、热、电、光、原全部内容，但主要侧重核心概念较低层级的学习，帮助学生形成物理学的概貌；第二，以核心概念组织各模块内容，兼顾各模块内容量的均衡；第三，围绕核心概念重新组织某些内容，比如2003年《普通高中物理课程标准（实验）》中“物理1”模块划分为两个二级主题：运动的描述、相互作用与运动规律。建议围绕“运动与相互作用”核心概念整合上述内容，使其围绕核心概念展开。建议课程标准中的内容标准参照美国新一代科学教育标准的呈现方式，划分学习层级并明确具体表现，这有利于一线教师实践操作，有利于教育评价部门对学生的学业水平进行评价。

教科書是最基本、最重要的课程资源之一，是课程标准的具体体现。建议：第一，在内容上体现不同层级学生的选择性，真正落实以人为本的课程理念，为不同层次的学生提供帮助。第二，合理编排章、节内容，力争围绕核心概念，以核心概念学习进阶为主线设计全章内容，以具体概念学习进阶设计节内容。

5.2 对教学的建议

基于本研究的过程性体会和研究结论，提出如下教学建议。

第一，围绕核心概念整合教学内容。整合教学内容时注意考虑两点：一是核心概念的学习层级有哪些，具体某一层级的理解是通过哪些具体概念实现的；二是影响概念学习进阶的要素有哪些，教材上的要素是否充分，还需要补充哪些影响理解的要素等等。

第二，注意引导学生逐渐梳理围绕核心概念建构具有清楚的层级结构的概念体系。具有层级结构的概念体系并不是一蹴而就的，需要在学习过程中逐步完成。

第三，围绕核心概念、基于具体概念学习进阶进行课堂教学设计。

第四，教学前，切实考查学生的认知基础，这是学生概念学习进阶的基础。所谓学生的认知基础，具体包括学习前学生拥有的学科概念、跨学科概念、思想方法、实践体验、能力等。

5.3 对评价的建议

在评价的内容和形式上，提出如下建议：

第一，围绕核心概念进行教学评价，也就是说，以评价促进学生对核心概念的理解。具体来讲，关注两点：一是评价的知识应该是物理学科的核心概念，而不是一些琐碎的“知识点”，特别需要指出的是，尽量避免选择与核心概念关系不大的一些偏、怪、难的知识点；二是评价的认知过程是“理解”，不能以考查“记忆”和“应用”替代考查“理解”水平。

第二，进一步重视形成性评价。已有概念理解评价往往更关注概念理解的结果，即“学会了概念能做什么”的评价。从“为了教学的评价”这一角度出发，建议关注概念理解的形成性评价，以获取改进教学的有用信息。具体来讲，关注两个方面：一是概念学习进阶的层级究竟是怎样的，以概念理解层级的具体表现，设置合适的评价问题；二是概念学习进阶的影响因素究竟有哪些，这些因素是如何促进学生概念理解的，以此作为依据，设置评价问题。

第三，测试内容和难度应该关注到不同层次的学生。评价的目的应该是促进（下转第10页）（上接第6页）不同层次的学生都有所进步，而不单纯是为了甄别和选拔学生。这就需要清楚地描述概念学习进阶的不同层级及其具体表现。

参考文献：

[1]Tina Blythe. The Teaching for Understanding Guide. San Francisco： John Wiley & Sons， Inc.， 1998： xi-xv，1-7.

[2]IOWA Department of Education. Characteristics of Effective Instruction [EB/OL]. 2012. http：//educateiowa.gov/index.php？ option=com_content&view=article&id=2102#tu. [2013-05-16].

[3]R.基思·索耶.徐晓东，等，译.剑桥学习手册[M].北京：教育科学出版社，2013.

[4]温·哈伦. 韦钰，译. 科学教育的原则和大概念[M].北京： 科学普及出版社， 2011.

[5]邓志祥.中小学生学习负担过重问题研究[D].武汉：华中师范大学硕士学位论文，2008.

[6]徐宁.基于认知模式转化的高中物理概念教学研究[D].北京：北京师范大学博士学位论文，2009.

[7]胡久华，支瑶.促进学生科学概念理解的教学设计[J].中国教育学刊，2006（9）：52-55.

[8]Ron Brandt. On Teaching for Understanding： A Conversation with Howard Gardner. Educational Leadership， 1993，4：4-7.

[9]Esther Bagno and Bat-Sheva Eylon. From problem solving to a knowledge structure： An example from the domain of electromagnetism. American Association of Physics Teachers. 2007（8）.

[10]苏明义，等.普通高中物理课程分析与实施策略[M].北京：北京师范大学出版社，2010.

[11]施良方.学习论[M]. 北京：人民教育出版社，2000.

[12]施良方.学习论[M]. 北京：人民教育出版社，2000.

[13]L.W.安德森，等. 皮连生，主译. 学习、教学和评估的分类学（布鲁姆教育目标分类学修订版）[M].上海：华东师范大学出版社，2007.

[14]吴娴，等. 概念转变理论及其发展述评[J].心理科学进展，2008，16（6）：880-886.

[15]王磊，黄鸣春. 科学教育的新兴研究领域：学习进阶研究[J]. 课程·教材·教法，2014（1）：112-118.

[16]Editorial. Teaching for Undestanding Across the Primary Curriculum.EVALUATION AND RESEARCH IN EDUCATION.2001（3）.

[17]Knut Neumann， Tobias Viering， William J. Boone etc. Towards a Learing Progression of Energy . Journal of research in science teaching. 2013， 50（2）.

[18]张玉峰. 科学概念层次分析：价值、变量与模型[J]. 物理教师，2015，36（11）：2-6.

（栏目编辑 廖伯琴）endprint