计算机支持的概念转变研究——以高中物理“力和运动”为例的实证研究

摘要

随着《基础教育课程改革纲要（试行）》和《全日制义务教育物理课程标准（实验稿）》的颁布，高中物理教育课程改革拉开了序幕，虽然在教学内容与教学手段上已有所改进，但仍存在许多问题。导致这些问题产生的一个主要原因就是教师习惯于“备教材”、“备教法”，但却很少“备人”，常常将学生当作一块白板。国内外科学教育研究指出，学生在进入课堂学习之前已具有“前概念”（preconception）、“迷思概念”（misconception），学习是概念的转变，而不是概念的获得，教师必须在充分了解学生的前概念尤其是迷思概念的基础上进行教学，才能让学生建构科学概念，实现概念转变。本研究从“计算机建模”的角度出发，对高中物理“力和运动”迷思概念进行调查并针对其概念转变开展实证研究。
　　 本研究包括3个子研究：1、“力和运动”迷思概念调查研究：采用调查研究法，基于Hestenes92年开发的“力的概念调查表（FCI）”，设计一份二阶式诊断问卷“力和运动调查问卷”，对广州市培正中学、第七中学、真光中学1000余名高一学生“力和运动”迷思概念进行调查；2、开发研究：采用开发研究法，用Visual Studio2008、Rational rose设计开发“力与运动教学系统”，用于支持高中学生“力和运动”概念转变；3、计算机支持的概念转变准实验研究：在调查研究结果的基础上，基于概念转变理论，使用“力与运动教学系统”作为计算机建模工具，对高中物理（必修1）中第四章“力和运动”前四节教学内容进行“概念转变教学设计”，以概念转变教学设计作为干预，以常规教学设计作为控制，在广州市培正中学、第七中学、真光中学中，针对高一学生开展“力和运动”概念转变的两因素混合设计（前后测*实验组控制组）准实验研究。
　　 研究结果表明广州市高一学生普遍存在“力和运动”的迷思概念，主要集中在“运动意味着主动力”、“圆周冲力”、“打击提供冲力”“力导致加速度到末速度”、“速度与作用力成正比”、“未区分速度与加速度概念”等；男女“力和运动”迷思概念差异显著，女生“力和运动”迷思概念比男生多；导致高一学生形成“力和运动”迷思概念的主要原因是日常生活经验与不关注力和运动迷思概念的教学。设计开发的计算机建模工具“力与运动的教学系统”能够有效促进“力和运动”概念转变，计算机建模工具用时比纸笔、口语报告少，概念转变效果比纸笔、口语报告更好。“力和运动”概念转变教学设计在“圆周冲力”、“打击提供冲力”、“速度与作用力成正比”等概念转变的前后测中差异非常显著，与常规教学设计相比，差异显著。
　　 研究表明在物理等科学领域，教师应基于概念转变理论进行教学，充分考虑学习者的前概念，尤其是迷思概念，合理利用认知冲突与类比策略，提供机会让学生表达自己的概念，使用日常物品来进行实验。研究还表明使用计算机建模工具是促进概念转变的有效方法之一。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1．1 问题的提出

1．1．1 基础教育课程改革对物理教育提出的新要求

1．1．2 我国物理概念教学现状

1．2 国内外相关研究

1．2．1 概念转变研究概况

1．2．2 力与运动迷思概念

1．2．3 概念转变的方法、策略、具体教学过程

1．2．4 主流的概念转变理论

1．2．5 概念转变的理论基础

1．2．6 计算机建模工具概述

1．3 研究概述

1．3．1 概念界定

1．3．2 研究目的

1．3．3 研究目标

1．3．4 研究内容

1．3．5 研究意义

2“力和运动迷思概念”调查研究

2．1 调查研究方法与过程

2．1．1 调查目的与调查内容

2．1．2 调查对象

2．1．3 调查问卷的设计与开发

2．1．4 调查过程

2．2 调查数据的收集与分析

2．2．1 调查数据的收集

2．2．2“牛顿第三定律”迷思概念调查数据分析

2．2．3“牛顿第一定律”迷思概念调查数据分析

2．2．4“牛顿第二定律”迷思概念调查数据分析

2．2．5“运动学”迷思概念调查数据分析

2．2．6“力和运动”迷思概念男女性别差异分析

2．3 调查结果与讨论

2．3．1 广州市高一学生普遍存在“力和运动”的迷思概念

2．3．2“力和运动”迷思概念男女性别差异显著

2．3．3“力和运动”迷思概念调查结果对教学的启示

3“力与运动教学系统”的开发研究

3．1 系统的需求分析

3．1．1 对功能的规定

3．1．2 对性能的规定

3．2 系统设计

3．2．1 系统组织结构

3．2．2 程序设计说明

3．3 系统的开发

3．4 系统的测试

3．4．1 测试计划

3．4．2 测试设计说明

4 计算机支持的概念转变准实验研究

4．1 准实验研究方法与过程

4．1．1 准实验研究目的与实验假设

4．1．2 准实验研究对象

4．1．3 准实验干预——“力和运动”概念转变教学设计

4．1．4 准实验设计

4．1．5 准实验实施过程

4．2 准实验研究数据收集与分析

4．2．1 准实验数据收集

4．2．2 准实验一数据分析：牛顿第一定律

4．2．3 准实验一数据分析：牛顿第二定律

4．2．4 准实验二的数据分析：小组所用时间

4．2．5 准实验二的数据分析：前后测

4．3 概念转变准实验研究结果

4．3．1 准实验一的研究结果

4．3．2 准实验二的研究结果

5 研究结果与结论

5．1 广州市高一学生“力和运动”迷思概念调查研究结果与讨论

5．1．1 广州市高一学生普遍存在“力和运动”的迷思概念

5．1．2 高一学生存在“力和运动”迷思概念的原因

5．2 计算机支持的概念转变准实验研究结果与讨论

5．2．1 准实验一的研究结果与讨论

5．2．2 准实验二的研究结果与讨论

5．3 研究结论

6 研究的未来展望与对其他教学的启示和建议

6．1 研究的未来展望

6．2 研究对其他教学的启示和建议

参考文献

附 录

附录1：FCl——力的概念调查问卷

附录2：FCl分析表

附录3：“力和运动”前测调查问卷

附录4：“力和运动”后测调查问卷

附录5：“力和运动”前后测调查问卷分析表

附录6：“力与运动教学系统”功能测试用例

附录7：高中“力和运动”概念转变教学设计版本Ⅰ——第1节

附录8：高中“力和运动”概念转变教学设计版本Ⅰ——第2节

附录9：高中“力和运动”概念转变教学设计版本Ⅰ——第3节

附录10：高中“力和运动”概念转变教学设计版本Ⅰ：第4节

附录11：高中“力和运动”概念转变教学设计版本Ⅱ：第1节

附录12：高中“力和运动”概念转变教学设计版本Ⅱ：第2节

附录13：高中“力和运动”概念转变教学设计版本Ⅱ：第3节

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和参与课题