1、大一学生力学概念理解调查研究王长江 1，李卫东 1，杨兴 2（1.延安大学物理与电子信息学院 陕西 延安 716000； 2.陕西省黄龙中学 陕西 延安 716000）摘要：以 FCI 为研究工具，对 412 名大学一年级学生进行了力的概念测试，结果表明，不同性别的大学生，力学概念的建构水平有显著性的差异，男生的力学概念建构水平显著地高于女生；毕业前所在的高中学校的性质对大学生力学概念的理解影响不大；日常概念的结构不良特征及消极的思维定势是影响学生力学概念建构的重要因素。关键词：力学概念；FCI；前概念1 问题提出1.1 国内外研究现状国外学者对物理概念进行了大量的研究，采用的主要方法是问卷测
2、试和访谈方法。Hestenes 等人于1985 年设计了力的诊断测试（Mechanics Diagnostic test，简称 MD） ，后来于 1992 年发表了改进版的力学概念理解的测试卷力的概念测试表（Force Concept Inventory，简称 FCI） 。美国学者 Hestenes 等人的研究表明：学生对物理世界的一般直观感觉是学生在物理课程中学习什么的决定因素，然而这种直观感觉对物理学习的影响不经过仔细研究是难以确切的，传统物理教学对此几乎完全没有考虑。他们的结论是：通过传统教学，学生们没有掌握力学中最基本的物理概念 12。国内一些研究者开展了相关的研究。有学者对学生和教师
3、基本物理概念的理解做了调查研究 34，最后得出结论：不仅仅是学生对概念的理解存在问题，教师也对物理概念的理解存在一定的问题。为此，教师应该对物理知识进行再加工，在教学中把对物理概念的深入再思考放在首位。同时，还要改变教师的一些传统教学观念与方法，鼓励教师之间的交流等。1.2 问题提出在国内的相关研究中，主要对中学生进行了 FCI 的测试，根据测试的结果从选项的相似与差异等方面进行了比较与分析 5。学生物理概念的建构过程，主要是受日常概念的影响，还是维持因子这样的认知元素的影响？大学生对力学概念的理解处于什么样层次？这是论文研究的主要问题。2 研究方法2.1 研究工具我们采用 Hestenes
4、等人研制的力的概念测试问卷（ Force Concept Inventory，简称 FCI）作为测试工具。该试问卷由 29 道选择题构成，问卷中力学概念分布情况如表 1 所示。表 1 测试问卷题项分布考察内容 测试题项运动学基本概念 7、20、21、23、24、25牛顿第一定律 4、6、10、18、26、27、28牛顿第二定律 6、7、24、25牛顿第三定律 2、11、13、14叠加原理相关概念 9、18、19、28力学基本概念 1、3、5、9、12、15、16、17、18、22、23、292.2 研究对象采用整群抽样法，选取延安大学医学院 2008 级学生五个专业 415 人作为研究对象，发
5、放问卷 415 份，收回问卷 412 份。研究对象分布如表 2 所示。1表 2 研究对象分布班级 男生人数 女生人数 总人数医学检验 16 27 43医学影像 14 32 46医学护理 0 44 44麻醉学 15 44 59临床 1 班 42 72 114临床 2 班 37 69 106合计 124 288 4123 统计分析3.1 数据整理本研究运用社会科学统计软件包 SPSS17.0 对数据进行统计分析。本次调查在进行数据统计时，将原问卷中的选项 A、B、C、D 和 E，统计时均用阿拉伯数字 1、 2、3、4、5 表示。本次问卷结果统计后采用多种方式进行校对，结果完全相同。对调查问卷进行整
6、理统计，29 道测试题，被试答对题目人数统计如表 3 所示。表 3 答对题目人数统计题号女生答对率男生答对率题号女生答对率男生答对率1 281 0.98 121 0.98 16 201 0.70 95 0.772 282 0.98 120 0.97 17 233 0.81 96 0.773 259 0.90 110 0.89 18 244 0.85 110 0.894 232 0.81 111 0.90 19 187 0.65 86 0.695 271 0.94 117 0.94 20 154 0.53 71 0.576 96 0.33 63 0.51 21 207 0.72 83 0.677
7、 166 0.58 72 0.58 22 247 0.86 112 0.908 177 0.61 98 0.79 23 211 0.73 103 0.839 227 0.79 110 0.89 24 172 0.60 72 0.5810 213 0.74 107 0.86 25 152 0.53 93 0.7511 276 0.96 121 0.98 26 85 0.30 62 0.5012 0 0.00 0 0.00 27 156 0.54 93 0.7513 200 0.69 81 0.65 28 252 0.88 112 0.9014 250 0.87 113 0.91 29 193 0
8、.67 105 0.8515 75 0.26 33 0.273.2 性别差异对力学概念理解水平的影响在测试力学概念理解的 29 个题目中，男生、女生回答正确的题目统计如表 4 所示。表 4 男生、女生回答正确的题目总数对比班级 女生答对题目总数男生答对题目总数医学检验 513 325医学影像 594 289医学护理 818 0麻醉学 866 314临床 1 班 1531 943临床 2 班 1376 799答对题目总数5896 2776人均答对题目数20.47 22.39答题平均正确率70.59% 77.20%注：延安大学医学院 2008 级护理专业中男生人数为 0 。2运用统计学知识对男、女
9、生回答的情况进行 t 检验，即利用 t 分布统计量进行检验。计算得出：t=4.907。查 t 分布双侧临界值表得到：t a/2 =2.576（a=0.01 ） ， t a/2=1.960（a=0.05） ，t a/2=1.645（a=0.10） 。在 0.01、0.05、0.10 处 t 值均大于 t a/2 值，故男、女生的力学构建水平存在极其显著的差异。且相同年级大学生中男生的力学概念建构水平高于女生，这与国外学者 Hertens 等人的测试结果相同。3.3 高中毕业学校的类型对力学概念理解的影响我们探究了大学生高中所在学校的类型对力学概念理解的影响，结果如表 5 所示。表 5 入学前来自
10、不同类型的中学对力学概念的影响高中所在学校的性质样本人数 人均正确的题目数目 人均正确率省级重点中学 237 21.35 73.64市级重点中学 92 20.41 70.39普通学校 83 20.64 71.17根据表 5，可以看出大学生高中所在学校的类型，对大学生力学概念的构建水平影响不大，省级重点中学学生的力学构建水平高于其他学校学生，这可能与学校的师资力量有关。3.4 典型易错试题分析按 29 个题目逐一统计，在全部的 29 道题目里面，平均正确率统计如表 6 所示。表 6 平均准确率分布平均正确率 题目 合计00.5 6、12、15、26 40.50.6 7、20、24、25 40.6
11、0.7 1、13、19、27 40.70.8 10、16、17、21、23、29 60.80.9 3、4、9、14、18、22、28 70.91.0 1、2、5、11 4此次调查结果分析中均采用平均正确率，也就是调查对象中平均每个人答对试题的准确率，即答对题目总数与总人数的比值。 如第 1 题，样本人数为 M，做对该题的人数为 N，本题的平均正确率为 R。在表 6 中，平均正确率超过 90%的题目共有 4 个，平均正确率在 80.1%90%的题目共有 7 个，平均正确率在 70.1%80%的题目共 4 个，平均正确率在 60.1%70%的题目共 4 个，平均正确率低于 60%的题目共 8 个。
12、由统计结果可以看出，大学生中对牛顿第一定律和力学基本概念的理解，依然存在很多问题，测试题中，这些概念对应的题目的正确率较低。与国内的有关研究比较后 ，我们发现，大学生力学概念的理解水平高于中学生。这可能与我们大学学习的自主程度有关，大学学习的环境使得学生的力学构建水平进一步得到完善。为进一步探究影响大学生力学概念构建水平影响的因素，我们对回答正确率最低的 6、12、15 和 26试题进行简单的分析。（1）试题 6 分析原题：图中描绘了一个小球在光滑水平面上从 a 匀速运动到 b。小球到达 b 点时受到一个来自同一水平面上的瞬间的冲撞，方向如黑箭头所示（左图） 。那么，.小球受到冲撞后的运动路线
13、为（右图）：3本题的平均正确率为 38%，考查牛顿第一定律的相关概念，很多学生由于受日常概念的影响，认为物体原先就做直线的话，物体在仅受平衡力作用下，会做直线运动。但是，如果物体原先的运动是平抛等曲线运动，许多学生就会认为，物体仍会继续做曲线运动。在第 6 题中，学生还会受到题中“瞬间冲撞”这一情境的干扰。一些学生认为，小球在受到瞬间冲撞后，会相应地受到一个持续向前的冲击力，产生的轨迹为类平抛运动的轨迹。学生受日常概念的影响，没有能及时对情景进行转化。（2）试题 12 分析原题：静止在桌面上的书所受的力有：（1）向下的地球的引力。 （2）桌子给予的向上的力。（3）由于大气压产生的向下的合力。
14、（4）由于大气压产生的向上的合力。(A)只有（1） (B)（l）和（2） (C)（1） 、 （2）和（3） 。(D)（l） 、 （2）和（4） 。 (E)因为书静止，故无作用力。12题答对率是最低的，在答错的情况中，大多数学生没有考虑大气压的作用，还有部分学生认为，大气压产生的净力是向下的，既然是大气压，就对物体有压力，而压力自也然是向下的，学生并没有真正掌握浮力的概念。浮力是生活中经常遇到的现象，正因为如此，使得浮力这一概念既具有结构不良的特征，又容易被我们所轻视和忽略。（3）试题 15 分析原题：一个从静止下落的橡皮球落到地板上后反弹，它的运动方向发生变化的原因是：(A)小球的能量守恒。
15、(B)小球的动量守恒。(C)地板作用于小球的力阻止小球下落，并使它向上运动。(D)地板档住了小球的去路，而小球必须保持运动状态。(E)以上都不对。本题平均正确率仅为 26.2%，在这个问题情境中，很多学生认为橡皮球的速度的大小和方向改变的原理是力，这在学生认真思考之前就有了一个定性的直觉的理解，这与他们在日常生活中形成的一些直觉经验有关，日常感念与科学概念之间的差异性影响了学生正确的科学概念的建立。（4）试题 26 分析原题：左图示为一个不受外力作用的火箭在外层空间从点 a 横向漂移到点 b，此时火箭发动机开始工作，产生一个垂直于直线 ab 的恒定推力，到某点 c 发动机熄火。右图中哪条曲线能
16、代表火箭在 c 点以后的运动路线：本题的正确率为 35.7%，很多人都选了错误答案 A、C 、D 、E。本题考查对惯性和平抛运动等概念的认识。火箭从点 a 横向漂移到点 b 过程中，水平方向上具有一定的速度，由于不受水平力，它在水平方向上做匀速直线运动，在 b 点受到一个推力作用，做类平抛运动，此时的运动方向开始发生变化，沿切线方向，熄火后原沿切线方向左做直线运动。本题错误的原因可能是学生没有从本质上理解惯性的概念4和平抛运动的实质。以上几道测试题中由于日常形成的一些概念，对我们大学生力学概念的正确构建产生了一定的影响。因此，我们必须合理利用学生原有的知识经验并加以引导运用，使学生对原有的知识
17、经验进行调整，改造并建立科学的概念。日常概念与科学概念存在较大偏差，学生的建构过程就会发生困难，日常概念形成的思维定势对力学概念的建构也会产生影响。当学生习惯于日常生活中一些直观的、常见的现象时，常会对其形成消极的思维定势，阻碍科学概念的正确形成。如在第 12 题中，由于学生对浮力现象的熟视无睹与想当然，使412 名学生参加的测试中，只有极少的学生回答正确。而对于大人小孩一起拉箱子求合力轨迹的第 19 题，有很多的学生受到了“轨迹是水平向前的”的思维定势的干扰。消极的思维定势对概念建构的影响常常是隐蔽的、顽固的。当学生形成了一种思维定势时，这种思维定势往往在很多时候可以有效而迅速地帮助他分析、
18、解决问题，使学生不论是在思维习惯还是在情感认识上，都相当地依赖与信任。但是，物理概念涉及的问题是错综复杂的，面临的情境是具体多变的，仅仅依靠思维定势的惯性作用，而不对具体的问题进行具体分析与思考，往往会造成许多概念建构的错误与困难。参考文献1 David Hestenes，Malcolm and Gregg Swackhamer. Force Concept Inventory.The Physics Teacher，1992，30(3):141-158.2 David Hestenes and Ibrahim Halloun. Interpreting the Force Concept I
19、nventory 一 A response to Huffman and Heller .The Physics Teacher， 1995，33:502-506.3 曲亮生，郭玉英. 认识我们的教师和学生.物理教师，2000，(5)：4-10.4 曲亮生，郭玉英. 国外教育工作者关于物理概念教学的研究.学科教育，1999，(6)：27-29.5 王红梅，刘辉兰，王振. 中学生牛顿力学部分概念相异构想的调查研究. 德州学院学报，2007,23（6）：107-110Freshmes Understanding of Mechanical Concept in CollegeWANG Chang-
20、jiang，LI WEI-dong(College of physics and Electronic information, Yanan University ,Yanan,716000, China)Abstract：412 freshmen are selected as research subjects, through the test and interview of students with the application of“Force concept inventory“(FCI), this paper finds that (1) there are signif
21、icant differences betwween male students and female students, (2) the types of the high schools where these research subjects have ever graduated has little effect on understanding of mechanical concept, and (3) ill-structured features of daily concepts and negative thinking set is an important factor.Key words: mechanical concept; FCI; pre concept通讯作者：王长江电子邮箱：通讯地址：陕西省延安市延安大学物理与电子信息学院， 邮编 716000联系电话：13244118050
