与热力学相关的4份概念测试量表的比较研究

方 伟 汤 莉 王盼伊 张 璟 袁 伟 袁 婧

（上海师范大学物理系，上海 200234；2.上海市星系和宇宙学半解析研究重点实验室，上海 200234）

1 引言

立秋早晚凉，中午汗湿裳，人类生活在冷与热的世界里，热学相关知识可以认为是人类接触最早、对人类生活影响最多的物理知识.人们在成长过程中基于日常生活经验形成了很多有关热与温度的概念，但这些概念很多并不是科学概念，更多的是基于直觉的前科学概念（也称naive conceptions、misconceptions、preconceptions等）.如认为热量是一种存在于物体中的物质，并且在此朴素概念基础上认为高温物体所含热量多；分不清热量与温度的概念；基于严寒冬天舌头能被户外铁块粘住但不会被木头塑料等粘住而认为户外铁块的温度更低；基于井水冬暖夏凉的体感而认为夏天井水温度更低；认为沸腾液面上方的水蒸气温度更高等，因而热量、温度等热力学相关概念的教学显得尤为重要.认知科学研究表明：人脑中固有概念的改变是非常困难的，知识并不是教师教会的，而是学习者通过与其脑中已有知识建立连接而建构起来的.如果新学知识匹配其头脑中的已有图式，则学习较快，但若要改变已在头脑中建立好的知识图式，则非常困难.因此需要基于研究的教学.［1］

20世纪70～80年代发端于美国的物理教育研究将科学研究范式注入物理教学之中，研发了各种客观的教学测试工具，以便调查学生学习现状，或评估教学效果.这些测试工具具体表现为针对某一部分物理知识的诊断性测试题目，但和一般试题不同，这些量表的试题经过前期大量调研、研究和试测，题干和每个选项都经过精心研究，具有很高的信效度，其功能类似于物理实验中诸如电压表、电流表一样的测量设备.［2-4］比较著名的概念量表如力学概念测试（Force Concept Inventory，FCI）、简明电磁学评估量表（Brief Electricity and Magnetism Assessment，BEMA）和 Lawson科学推理能力测试量表（Lawson Classroom Test of Scientific Reasoning，LCTSR）等.［5］国外对热量、温度等热力学相关的教学研究非常多，学者们也开发了多个与热量、温度等热力学相关的测试量表.［6］在由美国物理教师协会（American Association of Physics Teachers，AAPT）和堪萨斯州立大学联合开发并受美国国家自然科学基金资助的美国重要物理教育研究网站PhysPort上有95份针对不同物理学科领域、问题解决能力、科学推理、实验技能、学习态度等方面的量表，其中有6套与热学相关的量表如热学概念评估（Thermal Concept Evaluation，TCE）、热与温度概念评 估（Heat and Temperature Conceptual Evaluation，HTCE）、热力学概念量表（Thermodynamic Conception Survey，TCS）、热力学过程与热力学第一及第二定律量表（Survey of Thermodynamic Processes and First and Second Laws，STPFaSL），等等.［7］本文接下来将对与热量、温度、热力学概念和过程等相关的4份概念测试量表进行比较研究和国内外研究综述.本文作者研究团队在研究过程中也翻译了这4份量表，中文版已被PhysPort官网采纳.［8］

2 量表的介绍与比较分析

本节我们将集中对热学概念评估（TCE）、热与温度概念评估（HTCE）、热力学概念量表（TCS）和热力学过程与热力学第一及第二定律量表（STPFaSL）4份量表的内容进行介绍，并对它们进行比较分析.至于PhysPort上提到的另外两份与热相关的量表：TCI（Thermodynamics Concept Inventory）和 TTCI-T（Thermal and Transport Concept Inventory：Thermodynamics），本文将不涉及.对于TCI，其开发者表示该量表的开发仍在进行，不推荐使用.对于TTCI-T，PhysPort网站上并没有量表可供直接下载，从其量表标题看内容大致被前4份量表所覆盖，因此我们只重点介绍前4份量表.

表1列出了TCE、HTCE、TCS和STPFaSL 4份量表的具体信息，其中包括开发者及开发时间，题量、施测时间、施测对象及题目内容所涉及的概念知识点.除STPFaSL量表中的题目牵涉多个概念（见图1）外，其他量表的题目都明确对应某版块的概念.从内容上看，HTCE中热量与温度的概念和TCE中的非常相似，但TCE中有关热量与温度的题目专注于学生的日常生活经验，测试题大多以对话场景出现，让学生选取最认同的那个选项.HTCE中有3道题涉及温度随时间的变化曲线，TCE问卷中则没有这类图表题.TCS内容分为两部分：第一部分是前16题，主要涉及温度、热传递和理想气体，适合初高中学生；后面的19题为第二部分，涉及热力学第一定律、热力学过程等，适合大学物理层次.教学实践中，可将第一部分作为前测，将整个问卷两部分一起作为后测.TCS中的问题2、4、5、6和热学概念评估TCE中的第8、11、14、6相同，TCS中的问题1、3则和HTCE中的问题8、1相同.TCS有着比TCE和HTCE都多的热力学概念，例如TCS中的热力学第一定律和理想气体概念，在TCE和HTCE中均无涉及.而且TCS中的题目也比HTCE和TCE中的要更复杂些，例如在TCS中有一题涉及活塞压缩气体的过程，该过程一共经历5个步骤，每一步骤活塞位于不同的位置，相应的题目会问这个过程中的做功、吸放热及能量变化关系.STPFaSL比TCS多了热机、可逆与不可逆循环、热力学第二定律等内容，但少了热量与温度的概念考查.对于热力学第一定律，两问卷的考查内容有相似之处，例如STPFaSL中的第10题和TCS中的第32-34题所用p-V图几乎相同，考查的内容也类似，都是相同始末状态的不同过程的做功、吸放热和内能变化.

表1 TCE、HTCE、TCS和STPFaSL 4份量表的详细信息

图1 STPFaSL量表各题涉及的知识点一览图（注：R表示解决此题必需此概念，I表示尽管没有明确要求但解决此题暗含需要此概念，M表示提到此概念但专家们认为并不是解决此问题的必要条件.［10］）

TCE、HTCE、TCS和STPFaSL 4份量表中的几乎所有题目均为单选题（只有HTCE中的第24题为作图题）.这些量表中的题目之间往往并不完全独立，例如HTCE中的第1-4、5-7、8-9、10-11、12-15、16-19、20-23、26-28题 均基于同样的题目情景，因此尽管总共有28道题，但实际题目情景不过10个.同样情况也出现在其他量表中，如TCS中的第8-10、11-12、13-15、16-19、20-25、26-28、29-31、32-34题，STPFaSL中的第1-2、3-4、5-8、11-13、23-25、31-33题，这类设计有利于全面考察学生对某个知识点概念的理解情况，同时还能互相印证，提高量表的信效度.对于TCE量表，尽管没有类似的组题，但整个量表将所有问题都放在同一个形象化的类真实场景中，也就是一群学生小伙伴正在厨房或者自助餐厅里，这些学生善于观察身边的物理现象，并乐于向其他人提出自己的解释，测试者则需从4～5个选项中选出最认同的那一个.综合4份量表内容，结合国内实际，TCE、TCS的第1部分适合中学生，TCS的第2部分、HTCE、STPFaSL等问卷适合大学生，整个4份量表差不多能囊括国内从初中到大学的宏观热力学内容.

3 相关研究综述

热学概念评估TCE由澳大利亚科廷大学的Shelley Yeo和Marjan Zadnik于2001年开发.该论文至今已获得230多次的相关研究的引用，是本文所介绍的4份量表里流传最广的.2012年，TCE的开发者及其合作者利用因子分析方法对该量表进行了更细致的研究，通过对515名10-12岁的韩国学生的测试，给出了量表的4个概念组，并且发现相比热传递及温度改变、冷冻与融化两个概念组，沸腾、导热性与热平衡两个概念组题目的平均得分要低很多.［9］国内利用该量表进行研究的并不多，文献［6］综述了国外学生对温度和热量概念理解的研究进展，其中有对TCE的介绍，文献［11］利用TCE量表进行了初中生学习热量和温度概念的研究，发现学生对热量与温度的概念掌握的并不好，文献［12］借鉴TCE量表进行了中学生对热学概念的认识现状及其学习进阶研究.

热与温度概念评估HTCE由David Sokoloff和Ron Thornton于2001共同研发.HTCE量表具有代表性的测量结果如表2所示.通过对澳大利亚和泰国的4所大学超过1000名学生的测试，显示学生对冷却率、传热速率、比热容、相变等概念的理解最差，这和我们的测试结果是吻合的.这些结果可为教学提供参考.［13-14］

表2 HTCE量表在国外的应用结果

热力学概念量表TCS由泰国清迈大学和澳大利亚悉尼大学的P.Wattanakasiwich等4位学者于2013年发布，目的是评估学生对热力学基本概念的理解.在TCS出来之前，只有2001年发布的TCE和HTCE两份评估问卷与热力学领域的温度、热量相关，但没有评测学生掌握热力学第一定律和热力学过程的量表.TCS量表由35道单选题组成，前面7题考查温度与传热概念，与TCE、HECE大致相同，后面的28题涉及理想气体定律、热力学过程、热力学第一定律等热力学内容.量表从2009年开始设计，综合了诸多前人的工作，经过了2000多名学生的多轮测试和研究，历时4年才正式发布.［15］P.Wattanakasiwich等人的研究结果表明，学生有如下一些错误热力学概念：① 不正确地建立压强与温度的关系，以为温度升高，压强一定会增加；② 不正确地建立温度与热量之间的关系，认为热量是一种可以注入某物体或者能从某物体中移除的物质；③混淆系统对外做功和外界对系统做功的区别；④ 以为吸收或放出的热量是状态的函数；⑤ 难以运用热力学第一定律直接从p-V图得出吸、放热的大小.TCS量表可以作为前后测用在大学热学课程中，来评估和检验学生热力学相关知识的掌握程度.2015年，悉尼大学的H.Georgiou和M.D.Sharma利用TCS量表作为前后测来评估学生积极主动参与类的课堂和传统课堂的教学效果差异，发现积极主动参与类的课堂的教学效果确实要优于传统课堂.［16］Javad Hatami等人开发了一类热力学的概念图来作为评估课堂学习效果的工具，文中将该概念图测试工具与TCS量表做了相关性分析，发现两工具之间有中到强的相关性（相关系数为0.6）.［17］P.Barniol与G.Zavala对TCS量表进行分析后指出，TCS量表的部分题目设计有些问题，他们对其进行了修正和完善.［18］

TCS量表并不含有任何关于热力学第二定律的内容，美国匹兹堡大学Benjamin Brown和Chandralekha Singh于2015年开发了热力学过程与热力学第一及第二定律量表STPFaSL，该量表由33道单选题构成，考查的知识点涉及热力学过程、热力学第一定律、热力学第二定律、p-V图、可逆过程与不可逆过程等.量表对2400多名大学生做过测试，信效度都很好，论文中基于STPFaSL量表测试结果给出了对热力学过程、热力学第一定律和热力学第二定律的教学建议.［10］

4 教学启示与结语

本文介绍的4份量表中，除了热学概念评估TCE有国内学者研究外，其余3份量表HTCE、TCS、STPFaSL均未检索到有国内学者研究，这一方面和国内初高中物理中热学所占比重较少有关，另一方面与当前国内基于实证的物理教学研究较少有关.这4份量表都是关于热力学宏观理论，也有学者开发了分子动理论等热力学微观理论的量表.［19-20］研究表明，学生能在概念量表测试中拿得高分，一般也能在传统考试中取得高分，但反过来未必.需要指出的是，物理教育研究也不能过于迷信概念量表，概念量表不可能包括课程里的所有知识概念，概念量表也不能测试出学生的数学能力和问题解决能力，不过有研究表明基于概念测试结果的、专注于基本知识概念理解的教学，有利于提高学生对传统问题的解决能力.［1，21］

国内的教育研究有不少是关注政策的偏向宏观性和逻辑思辨性的文章，还有不少是基于个人经验性的文章，但基于实证、基于数据的物理教育研究还不多.在不少教育类硕士论文中，用于检验教学实验的前后测试量表编制过于简单和草率.量表相当于测量教育过程和结果的“尺子”，其编制是一个相当复杂和严谨的系统工程，一般要经过如下7步：① 通过访谈或开放式问题收集学生想法；② 利用这些想法编制题目，问题的各选项应包含收集到的学生的常见错误观点；③ 找另一组学生来试测编制的题目，为确保学生是基于正确的原因才得到正确的答案，开发者要在测试后对每个试测的学生进行访谈；④ 将问卷分发给领域内的专家，以确保题目所考察的确实是该知识版块的重要概念，同时也请专家核实答案的正确性；⑤ 基于专家和学生的反馈修改问卷；⑥ 向更大范围的学生施测问卷，详细检测问卷结果的可重复性和各选项的得分分布，利用不同的统计方法来检测量表的信效度；⑦ 再次修改量表.［21］可见量表并非如编制课后测试题那么简单，要经过多轮测试和专家把关，这也是本文介绍4个涵盖初高中直至大学层次的热力学量表的原因，这些量表编制过程遵循了科学研究的规范，具有较高的信效度，用于教学实验的前后测量较为可靠.由于国外学生的思维、成长环境、精力等与国内学生不同，导致学生的迷思概念可能也有不同，因而在利用这些量表开展国内研究时，要对量表进行试测和（或）适当改编，对量表的信效度要重新考查，最后得到适合国内学生的修正版量表.如果能基于物理教育研究的科学范式，自主开发出完全基于国内学生实情服务于国内物理教育研究的概念量表，则其意义更为重要.