通过“以问题为引导的物理探究实验”策略测量和转变未来物理教师的迷思概念——以几何光学为例

侯 丹

（天津师范大学物理与材料科学学院，天津 300387）

物理教师的专业知识指的是教师所具备的物理学科知识，他们是未来物理教师培养的重要内容之一，且教师教学的所有行为都建立在坚实的学科内容基础知识之上.而教师专业发展是以职前教师教育为基本途径的，因此要完成在职后顺利、快速的发展，就要在职前形成良好的学科知识基础.笔者采用问卷调查法对10所师范类院校的预从事物理教学工作的未来教师的概念理解情况作了调查，发现他们对中学物理几何光学相关的概念理解存在着迷思概念.同时在调查的过程中发现，未来物理教师存在的迷思概念不易被发现，也不易被改变，具有隐蔽性和顽固性的特点.这些隐藏的迷思概念对未来物理教师的教学、知识的进一步学习，特别是对教师专业发展存在着至关重要的影响.因此，探寻新的测量和转变物理教师迷思概念的方法对未来物理教师的培养是有重要意义的.

1 关于测量未来物理教师迷思概念的方法研究

在本研究中，从被试群体特点和学科特点出发，对未来物理教师迷思概念的测量方法进行设置.在调查研究中发现，未来物理教师有过几年的系统全面学习物理知识的经验，因此他们的迷思概念更不易被探测到，因此传统的测量方法例如个人访谈法、纸笔测试法、概念图法、计算机诊断法、POE、DOE等方法在测量未来物理教师迷思概念时，均存在着一定的缺陷，不能很好地了解未来物理教师的知识结构及认知结构的特点.此外，物理学是一门实验学科，它以实验为基础，通过物理实验来验证物理知识.因此，在教和学的过程中，探究式物理实验可以更好地还原物理知识的本质问题，在探究的过程中发现自身存在的物理问题.但是，单纯的物理实验探究虽然可以经历物理知识的发现过程，可学生更多地专注于物理实验结果的获得和实验知识的掌握，不能意识到头脑中存在的认知冲突，这样对迷思概念的测量是教师强加给学生的，对概念的转变不能起到良好的铺垫作用.因此，需要在探究实验的过程中对未来物理教师加以适当的引导，而通过教师直接引导则对测量迷思概念有暗示作用，最行之有效的引导方式便是通过“提问”的方式.因此要在实验的过程中加入适当的“问题”，以便学生发现迷思概念，并在此基础上进一步转变迷思概念.

根据以上分析与研究，可知未来物理教师的物理知识结构体系严密而完整，待测量知识所属物理学科本身是一门以实验为基础的学科，拟采用以探究实验操作为测试环境，同时渗透一系列问题的方式对未来物理教师的概念理解情况进行考察，从而达到测量未来物理教师迷思概念的目的.在实验与问题的设计过程中，应注重知识之间的联系性、承接性以及问题启发的程度的适宜度.笔者将此命名为“以问题为引导的物理探究实验”迷思概念测量策略，该策略操作流程如图1所示.

图1 迷思概念测量操作流程图

2 关于转变未来物理教师迷思概念的方法研究

对于未来物理教师迷思概念的转变方法的研究，同样依据被试群体特点及物理学科特点进行设置，未来物理教师存在的迷思概念比较顽固，难于进行转变，这就需要教师采用更加有效的方法完成他们迷思概念的转变.在采用“以问题为引导的物理探究实验”进行迷思概念测量的过程中发现，学生在通过实验进行迷思概念测量的过程中，有些顽固的迷思概念也会随之发生转变，因此，采取同样的方法对未来物理教师的迷思概念进行转变也是一种行之有效的方法.在原有测量迷思概念设置的基础上，加入有助于转变学生迷思概念的探究实验项目和问题，以同样的方法完成迷思概念的转变.具体执行过程如图2所示.

图2 迷思概念转变操作流程图

3 基于“以问题为引导的探究实验”迷思概念测量和转变的策略提出

通过对未来物理教师迷思概念测量和转变方法的研究，提出“以问题为引导的物理探究实验”策略，以几何光学为例对此策略进行说明.在本研究方法中，共设置实验项目37个，这37个实验项目中又包含了64个小实验和130个问题.这些实验和问题围绕以下5个要素进行编写.5个要素为：主试（教师）、被试（未来物理教师）、探究实验、问题设置、待测概念（包括基本概念和迷思概念）.其中，未来物理教师是被测试的主体，在整个过程中起着主导作用；教师是整个过程的设计者，起着引导的作用；探究实验和问题设置相互影响，相辅相成，是整个过程的载体和操作平台；概念既包括待考察概念也包括迷思概念，它是选择实验和设置问题的基础.

整个过程的流程为，教师通过已总结的待测物理知识和已探测到和可能出现的学生具有的迷思概念，选择或自行设计合适的探究实验，设置相应的引导问题，渗透在实验前、中、后，（实验的选择和设计以及问题的安排与陈述方式，均请专家进行理论指导，请学生进行实证研究后修改完成），实验内容来源于生活、选材于生活，以便其符合科学性的同时，更便于学生的理解和应用.实验准备就绪后，学生进行具体的操作，在操作过程中，回答问题，并可与教师和同组成员进行讨论，发现自己的认知冲突，完成迷思概念的转变和物理学体系的再建构与完善.基于“以问题为引导的探究实验”迷思概念测量和转变策略的具体内容如图3所示.

图3 迷思概念测量和转变操作流程图

4 实证研究结果分析

本次研究中，选择几何光学为例，进行测试题目的设置.测试题目分为2大部分5个系列：第1部分，光是什么及光的直线传播（包括系列1：光的作用；系列2：光的直线传播；系列3：小孔成像）；第2部分，平面镜的成像（包括系列4：反射；系列5：平面镜成像）.在整个研究过程中，笔者选择了北京师范大学32名未来预成为物理教师的物理专业学生进行实验（包括本科生和研究生），在测量的过程中，大部分学生认为通过本次学习可以发现自己认知方面存在的问题，这些问题的存在以往并没有被意识到，同时在迷思概念改变方面，大部分学生也认为具有良好的效果，此外，学生还发现在整个测试过程中，自己在实验能力的提高方面也有很大的收获，原本没有想过的或者认为不能进行的实验，通过本次学习得以实现和动手操作，并认为在今后的教学活动中，也可以使用相同的实验方法进行教学.同时在进行研究的过程中，也发现了许多问题，在实验的过程中逐渐改正，期待能够把测试题目进一步完善，可以进一步推广.

4.1 未来物理教师迷思概念测量结果及分析

通过测试与分析，未来物理教师对几何光学知识的理解情况，存在着一些迷思概念，这些迷思概念如果不通过相应的真实的问题情景设置，他们的迷思概念也是不能够被轻易探测出的.

这些迷思概念可分为两类：一类迷思概念是由于未来物理教师对物理概念本质的理解情况出现了偏差，他们虽然记住了这些原理和概念，但是对这些知识的本质并没有理解，在进行传统试题解答的过程中不会体现出来的，比如说平面镜成像的若干知识，这些迷思概念通过简单的纸笔测试是比较难于探测的；另外一类是未来物理教师自身对知识的理解程度带来的问题，由于他们具有多年解题和考试能力的培训，将这些迷思概念掩盖起来，通过纸笔测试的形式更加难于测试出.

4.1.1 关于未来物理教师“记忆”方面的迷思概念

被测得的迷思概念中，若迷思概念是由于未来物理教师的“记忆”进行隐藏的，则通过实验操作的过程和中间问题设置的回答得以探测.

迷思概念1：认为人眼是沿着入射光线看下去的，所以是因为入射光线使人看到了物体.

迷思概念2：认为小孔成像中，物体离光源越近影子越小.

迷思概念3：物体通过三角形的小孔进行成像，成像应为三角形，他们认为只有圆形的小孔才能进行小孔成像.

迷思概念4：小孔成像中，小孔的大小是会影响物体通过小孔的成像大小.

迷思概念5：平面镜成像中，观察者的位置对成像的位置有所影响的迷思概念.

迷思概念6：物体与平面镜的距离、人与平面镜的距离会影响成像的大小.

其中迷思概念1是关于“光是什么”中人眼的可视性的迷思概念，概念2、概念3和概念4是关于“光的直线传播”中应用部分的小孔成像的迷思概念，概念5和概念6是关于“平面镜成像”的迷思概念.在研究过程中发现，关于平面镜成像的理解，未来物理教师的迷思概念均属于这一类，他们基本都是通过记忆定理和原理对生活中的实际现象和问题进行解答，而对其本质的理解通过实验过程的观察并没有完全理解.对于迷思概念1，如果不通过实验和相应的问题设置，未来物理教师不会考虑自身在对物体可视的情况下是沿着入射光线看下去的，还是逆着反射光线的方向在观察.而对于小孔成像方面的迷思概念，未来物理教师对其的理解有一些也限于用记忆去解决实际问题，没有对其本质获得深入的理解.

4.1.2 关于未来物理教师“理解”方面的迷思概念

被测得的迷思概念中，若迷思概念是由于未来物理教师的理解问题产生的，则通过未来物理教师对问题的回答得以探测.

迷思概念1：认为只要是狭缝发出的光就均为平行光，忽略了光是沿四面八方以直线的方式传播的.

迷思概念2：认为狭缝太窄了，人眼就不能够看到小灯泡，忽略了人眼可以看到物体的条件，物体本身发出的光或反射的光射入人眼既能够看到物体，只要有光线射入人眼就能够观察到物体.

迷思概念3：对能够看到小灯泡的位置范围判断过大，同样也是忽略了人眼可以看到物体的条件，物体本身发出的光或反射的光射入人眼既能够看到物体，在没有光线射入人眼的位置是看不到物体的.

迷思概念4：认为白光照射在某一颜色的物体上，由于白光是七色光，所以不知道物体会呈现什么颜色，因为某些颜色会混合.

迷思概念5：认为物体吸收了它自身颜色波长的光才会显现出该颜色.

迷思概念6：分不清上弦月和下弦月什么时候出现.

迷思概念7：认为小孔成像所成的像会随灯泡方向的移动而移动.

迷思概念8：小孔成像中，如果成像物体是涂有白粉，看不到灯丝的灯泡，那么它的成像将与小孔形状相同，将灯泡看成了光源，忽略了它也是一个物体.

迷思概念9：人眼的观测点不知道该如何寻找，认为只要光源在镜中成像，只要人不挡住孔，就能够观测到对面孔中光源的成像.

上述迷思概念中：迷思概念1、迷思概念2和迷思概念3是关于“光是什么”中，视觉产生的原因的迷思概念，迷思概念4和迷思概念5是“光是什么”中关于物体如何呈现自身颜色的迷思概念，概念6是关于“光沿直线传播”的应用中的月相形成的迷思概念；概念7和概念8是关于“光的直线传播的应用”中小孔成像的迷思概念，概念9是关于“平面镜成像”中的观察平面镜成像观察点的范围的迷思概念.

这些迷思概念是未来物理教师在平时的习题和日常生活中没有注意到的自身存在的问题，对于迷思概念1，如果不经过仔细思考，是不会考虑狭缝出来的光线仍然应该是梯形的，而通过前面的面光源的对比，可以清晰地得出这个答案；对于迷思概念2和迷思概念3是通过实验过程的观察有效地判断出的；迷思概念4和迷思概念5是通过实验探究与问题的分析和总结得出的迷思概念；迷思概念6、迷思概念7和迷思概念8如果不通过探究实验，未来物理教师是不能够发现存在的问题的；迷思概念9在相应的实验情境的设置下，才能得以更好地体现其认知冲突的存在，完成探测的目的.

4.2 未来物理教师迷思概念转变情况及分析

在对未来物理教师迷思概念转变情况的研究中，发现有些概念转变是发生在“发现迷思概念”的过程中的，即学生发现了自身迷思概念的过程中，他们的迷思概念即已经发生了转变；还有一些概念转变是发生在“发现迷思概念”之后的，这些迷思概念通过探究实验得以发现，再通过进一步的实验探究得以转变.

4.2.1 迷思概念的发现和转变“同步”进行的概念转变例证分析

小孔成像系列实验，共有8个实验项目，通过至上而下的实验安排，对小孔成像原理、影响小孔成像所成像大小的因素、多个物体同时通过小孔成像以及不同形状、不同大小小孔对成像影响的情况进行探究和分析.整个实验过程中通过问题的回答和实验的完成完成迷思概念的测量和转变.例如，在进行小孔成像是否受小孔形状影响的实验探究中，学生可以将模板上的小孔换成三角形、五角星形或其他形状（这些小孔均由未来物理教师自己在黑色的模板纸上刻出），探究物体成像形状，通过实验结果的观察，未来物理教师会发现自己的迷思概念同时转变这些迷思概念.

4.2.2 迷思概念的转变发生在发现迷思概念之后的概念转变例证分析

关于光的直线传播的探究过程，我们采用的实验设置和问题设置方式如下：实验装置图如图4所示；实验器材为灯箱、带有3个粗细相等狭缝的挡光片、带有1个狭缝的挡光片、A4白纸1张，实验在暗室里进行.实验的过程是，将1张A4白纸放置于桌上，将装有灯泡的灯箱放置在白纸前缘，用铅笔标识好灯箱的位置.首先对将要形成的光线进行观察，并记录下光线的行进范围，回答光线是在什么范围内行进的.这时候未来物理教师将发现光线是细锥形的（如图5所示），这就与学生原本认为的“光线沿直线传播”，因此出来的光线应该是长方形而非细锥形相矛盾，从而产生认知冲突.这时再通过问题和实验步骤引导学生进行下一步的探究.

图4 实验装置图

图5 光线记录图

将3缝挡光片放在灯箱灯泡前端的凹槽里，将灯箱放在白纸边缘，记录它的位置.接上电源，记录3缝挡光板中间光束的传播路径，我们将其称为中央光束.在挡光板前方8cm处放置1个单缝挡光板，且单缝放置位置恰好可以让中央光束从单缝中通过.记录单缝挡光板的位置，画出形成光线的路径图.比较光束的行径与没有放单缝挡光板之前的异同之处.这个时候学生会发现，现在的光线看着更细更亮（见图5），但是为什么狭缝是一样宽的，会出现这种现象呢，这时又进一步产生认知冲突.学生通过仔细观察会发现，灯箱里面发出的光并不是平行光，我们平时给大家看光沿直线传播的实验，会选择激光或由平行光组成的光学系统，而本次探究选择的光源，是向四周发散的光，正是由于光沿直线传播，所以通过狭缝之后自然就会产生锥形的光束.再通过单狭缝放在其前端进行进一步的探究，光线通过了狭缝，形成了更细锐的光线，这也进一步说明了光沿直线传播的现象.

5 小结

对于基于“以问题为引导的探究实验”未来物理教师迷思概念测量和转变策略设计的测试题目的实证研究可以发现，该策略可以有效地测量未来物理教师头脑中已经存在的、隐藏在其对科学的概念、原理或规律的记忆下面的迷思概念，也可以有效地测量未来物理教师原有的、已经建构好的知识体系中的顽固的迷思概念.此外，通过基于“以问题为引导的探究实验”未来物理教师迷思概念测量和转变策略进行学习的学生能够更深入地对物理学原理和概念的本质进行理解，并更易应用这些知识解决身边的问题.学生在进行实验探究的过程体会物理知识探索的过程，熟悉了物理学科产生和发展的历史知识，以促使未来教师能够从科学发展和科学史观的角度进行教学，这些都促使未来物理教师完善了自身的物理学科知识体系，在知识理解方面达到从科学本质上理解物理知识；从不同的方面全面理解物理知识；从可持续发展的角度学习物理知识.

1 McDermott L C and the Physics Education Group at the University of Washington，Physics by inquiry［M］，Wiley，New York，1996：110－189.

2 顾江鸿.物理演示实验教学策略的理论与实践——基于学生实验观察认知特点的POE、POAA［D］.北京师范大学，2010（04）：81－122.

3 杨薇，郭玉英.PCK对美国科学教师教育的影响及启示［J］.当代教师教育，2008：6－10.

4 陈燕.问题互动式情景教学设计——以“电场强度”教学为例［J］.物理教师，2013（10）：14－15.