西藏大学物理师范生力学概念测试研究
摘 要
物理概念是物理教学的核心内容及重要组成部分，对物理概念和规律的掌握有利于促进物理学科核心素养的发展。力学是整个物理学基础知识的根基和精髓，力学概念的掌握情况是深入学习物理学和促进学生物理能力发展的前提。本文对西藏大学物理师范生力学概念掌握情况进行了调查，旨在了解西藏大学物理师范生对牛顿力学基本概念和规律的理解情况，同时揭示学生在力学学习过程中普遍存在的客观困难，从而提出相应的教学策略，以期提高西藏大学物理教学质量，为西藏大学教育发展提供参考。
1 研究材料、方法及对象
1.1 研究材料
本次测试的工具是力学概念测试卷（Force Concept Inventory），由 David Hestenes、Malcolm Wells 和 Gregg Swackhamer 编写，首次出版于1992年3月的《物理教师》（Physics Teacher），并经过多次修改后于1995年8月再版。该问卷内容涵盖运动学、牛顿运动定律、运动和力的相关概念，所有试题均不需要复杂的数学运算。测试包含30题，每小题均有A、B、C、D、E 5个选项，且只有一个选项是正确答案。FCI 从问世至今，被广泛用于考查学生对牛顿力学基本概念的理解，评价教学效果，并据此革新教学设计，制定相应的教学策略，作为一种重要的测量工具，无论是在信度还是效度方面，都被证实是可靠的[1]。
1.2 研究方法
使用 FCI 测试卷对学生进行后测，并利用 SPSS 软件对结果进行统计分析，以了解学生力学概念的掌握情况。
1.3 研究对象
参加测试的被试对象是西藏大学2010级到2018级连续九届的物理师范生，共361人作为研究的样本。测试时间安排在力学教学后的大二或大三学年，事前不通知学生，由任课教师负责监考。
2 结果与分析
2.1 学生整体力学概念测试成绩分析
力学概念测试共有30道题目，每题一分，满分为30分。按照18分为牛顿力学概念的入门线，18分及18分以上可认为学生对力学概念掌握情况良好，低于18分说明学生对力学概念的掌握较差，需要进一步加强提高。各年级测试情况如表1所示。
由表1可知，2010级、2014级、2015级、2016级、2017级、2018级学生的测试平均分均低于18分，整体得分不高，说明学生对力学概念的理解还存在很大问题，需要对教学进行改进。对样本的 FCI 成绩进行统计，绘制学生整体 FCI 测试正确率与年级的对应情况统计图，如图1所示。
2.2 各届学生力学概念测试成绩分析
对整体情况进行分析后，我们再按照不同年级对汉藏学生 FCI 测试题的正确率进行逐一统计，如表2所示。
对样本的 FCI 成绩进行统计，绘制 FCI 测试正确率与各年级汉藏学生的对应情况统计图，如图2所示。
由图2可知，在各届学生力学概念测试正确率中，2015级和2016级藏族学生的平均正确率要低于其他年级。所选取的九届被试样本中只有这两届采用的是分班教学，即把区内（藏族）和区外（汉族）生源分为两个班进行教学。这表明藏族学生力学概念测试情况在藏汉分班教学模式中的表现要低于其在藏汉合班教学模式中的表现，藏汉分班教学可能不利于藏族学生的物理学习。
对九届汉藏学生 FCI 测试正确率进行统计，使用 SPSS 对样本进行了 t 检验，从总体上考查汉藏学生在 FCI 测试成绩上的差异，结果如表3所示。
表3结果表明，汉藏学生在 FCI 测试成绩中存在显著差异。在测试中汉族学生的平均正确率为80%，藏族学生的平均正确率为33%，汉族学生在 FCI 测试中的表现优于藏族学生。藏族学生平均正确率不足60%，说明藏族学生力学概念建构的水平较低，还不能较好地使用力学概念来分析解决问题。
2.3 男女生力学概念测试成绩分析
对样本的力学概念测试成绩进行统计，绘制 FCI 测试正确率与性别的对应情况统计图，如图3所示。
对九届学生 FCI 测试正确率的结果进行统计，使用 SPSS 对样本进行了 t 检验从总体上考查不同性别的学生在 FCI 测试成绩上的差异，结果如表4所示。
表4结果表明，男女生在 FCI 测试成绩中存在显著差异。在测试中男生的平均正确率为62%，女生平均正确率为43%，男生在 FCI 测试中的表现优于女生。究其根源，男女生的思维方式不同，在抽象思维和逻辑分析方面男生更为优秀，女生更容易依靠经验和感觉进行主观判断[2]。物理是一门对学生的空间想象能力和逻辑思维能力要求比较高的学科，这往往导致女生的物理学习成绩和能力明显落后于男生。
2.4 藏族学生力学概念测试分析
针对藏族学生 FCI 测试成绩普遍偏低的情况，我们需对其力学概念的掌握情况进行细致分析，找出存在问题的原因，给出相应的解决对策，以此来提升学生的物理水平，为今后的发展奠定基础。为了解学生对各个知识点的掌握程度，统计了每道题目的正确率，如图4所示。
FCI 测试题是基于牛顿力学概念体系中的基本概念而设计的，包括运动学、牛顿第一定律、牛顿第二定律、牛顿第三定律、迭加原理、力的种类六大类[3]。
我们将30个题目进行统计，选取正确率高于60%的两道题目以及正确率低于20%的七道题目进行分析，以了解藏族学生对力学概念的掌握情况。
第1题讨论物体自由落体运动的下落时间问题，第29题讨论静止状态下物体的受力分析问题。两题学生的正确率较高，说明学生对于单一情景下的简单概念掌握情况较好。
第10题考查学生对力的瞬时性理解。学生错误认为“速度会先增大一段时间之后减小”，原因在于学生对某一时刻运动状态的惯性保持理解为对某一时段运动状态的惯性保持，表明学生对某些概念、规律没有真正理解。
第11、17题考查物体在运动方向上是否受力的问题。多数学生选择了“沿运动方向存在力”的错误选项，表明大多数学生没有真正理解力不是维持物体运动的原因，仍认为存在沿运动方向的力来维持物体的运动。
第12、21、23题考查的是不同情境下物体运动轨迹问题。学生在这类题上失分严重是因为没有理解到曲线运动的条件以及运动的合成与分解。一方面学生犯了“力维持物体运动”的错误，另一方面学生不清楚矢量运算法则，就把运动轨迹选错了，没有从深层次上理解分运动和与合运动的关系。此外，21题仅有18.3%的学生选择了正确选项，正确率还不到12题的一半，可能是学生比较依赖于对图景的记忆，遇到不熟悉的物理情境难以用已有的知识与方法解决问题，更容易用直觉经验做出选择。
第22题和第26题考查学生对牛顿第二定律的理解。学生想当然地认为力和速度应该成正比，觉得“当力增加一倍，速度就应该增加一倍”，而忽略了牛顿第二定律告诉我们加速度才是连接力和运动的桥梁这个道理，即力是产生加速度的原因，有了加速度速度才会改变，归根到底还是学生对概念理解不够深入。
通过以上分析，总结藏族学生在 FCI 测试中主要存在以下几点问题：
（1） 多数学生的 FCI 测试成绩较低，说明学生对力学概念掌握的情况较差，需进一步提高；
（2） 相同概念在不同情境下的考查，学生测试的正确率有较大区别，说明学生易受物理图景的影响，难以将学过的知识迁移应用到新的物理情境中，没有真正理解知识，概念构建的情景单一，存在机械学习的现象；
（3） 学生对力的瞬时性、力与运动的关系、物体运动方向是否有力的作用以及曲线运动等知识的掌握程度不够。
（4） 学生头脑中存在与牛顿力学概念相矛盾的错误前概念，当遇到陌生的物理情境时，还是倾向于使用直觉思维和前概念分析问题。
2.5 FCI 成绩与高考成绩的比较
FCI 成绩旨在考查学生对力学概念的掌握情况，而高考成绩反映了学生入学前的个人学习状况和对知识掌握程度。这是不是说，FCI 成绩与高考成绩之间存在着较高的相关程度呢？我们选取了2010、2016、2017、2018届学生高考入学成绩，把学生的 FCI 成绩与高考成绩进行相关性分析，结果如表5所示。
由表5可知，这四届学生的 FCI 成绩与高考成绩之间的相关系数平均大于0.6，显著度水平 Sig. 小于0.01，表明两者具有较强的相关性，即高考成绩越高，FCI成绩也就越高，反之亦然，其原因可能是学生学习基础的好坏影响着对力学概念的掌握和理解。藏族学生入校高考成绩普遍偏低，较为薄弱的基础可能难以适应高强度的大学学习，导致对所学知识理解不到位、测试成绩不理想。针对藏族同学数理基础差、知识储备还未达到大学水平的问题，可以先进行以补习为目的的预科教育，在这之后再进行大学内容的学习。预科教育重在提高学生的基础水平，以高中物理课程为主要内容，适当穿插大学物理的知识方法、培养学生的思维习惯，目的在于巩固学生中学物理基础知识、加强学生的基本技能的同时，为大学阶段的物理学习做好铺垫。预科教育要与高中教育有所区别，如果依然使用传统的教学方法、陈旧的教学内容、落后的教学手段，依旧会使学生对物理提不起兴趣、对物理感觉到枯燥乏味，上课没有积极性，不利于物理知识的掌握和物理成绩的提高，导致预科教育的效果不佳。
3 结论与建议
3.1 主要结论
本文用 FCI 测试卷对西藏大学2010级至2018级物理师范生力学概念掌握状况进行了调查，通过对学生力学概念测试结果进行分析，主要得出以下结论：
（1） 在 FCI 测试成绩中，藏汉分班教学效果略逊色于藏汉合班教学效果；
（2） 汉族学生和藏族学生在力学概念掌握程度上存在差异，汉族学生表现优于藏族学生；
（3） 男女生在力学概念掌握程度上存在差异，男生表现优于女生；
（4） 学生 FCI 成绩与高考成绩具有极显著正相关，说明学生的基础知识水平影响着学生对物理概念的掌握与理解。
3.2 教学建议
根据研究结果，提出以下几点教学建议：
（1） 提倡进行藏汉合班教学。藏族同学天生活泼好动、乐观开朗的性格在课堂上有助于师生互动、积极调动课堂气氛，能带动性格内敛的汉族同学参与到课堂讨论中来，使得课堂气氛活跃，教学效果良好。而汉族同学沉稳内敛的性格又能保证在气氛活跃的课堂中教学计划的顺利完成，二者相得益彰。另外汉族同学良好的学习习惯和优异的考试成绩有助于在班级中形成良性竞争，在无形中激励藏族同学好好学习。同时汉族同学能在学习过程中帮助藏族同学理解一些没有听懂、难以掌握的知识。藏汉合班教学一方面能提升课堂教学质量，另一方面有助于促进民族团结和文化交流，对于维护边疆地区和平稳定、长治久安起到积极作用。
（2） 对于男女生在力学概念学习中性别差异问题。①教师在教学过程中应给予激励性评价，肯定学生学习物理的能力，对女生在学习物理中存在的问题、出现的错误要进行积极的引导，对其取得的成绩要多多鼓励，逐渐提升女生在学习物理中取得的成就感，增强其学习物理的兴趣和信心；②关注男女生在学习物理方面的差异，注重教学过程中推理能力和抽象思维的培养，教师可以将抽象的知识具体化，通过直观的图像、视频来加深学生感性的认识，尝试从女生的思维方式出发，设置符合女生认知特点的问题，帮助女生了解推理的过程和进行推理思维的方法，养成推理的习惯[4]。
（3） 对于藏族学生基础教育薄弱的问题。①可以开设预科教育，夯实基础，对藏族学生在基础教育阶段尚未达到平均水平的薄弱科目和没有掌握的理论知识进行集体辅导[5]；②将统编教材内容与藏族优秀传统文化中的物理课程资源相结合，创设与学生日常生活相关的物理情境，使教学内容变得鲜活生动，让学生在能够理解知识的基础上提升学生对物理学习的兴趣和积极性[6]；③革新教学方法，教师要改变以往“灌输式”教学，让学生成为课堂的主人，采用“互动式”教学，让学生积极参与到课堂当中。一方面学生通过自己动脑加深对物理知识的印象、巩固理解；另一方面教师在与学生的交流中可以察觉到学生基础薄弱、容易出问题之处并实时进行指导和纠正，让学生在课堂上完成对物理知识的建构，为之后的学习打好基础。
（4） 对目前的教学模式进行改革。由于西藏大学学生的高考成绩相差悬殊，物理基础水平参差不齐，导致无差别的传统教学模式存在各种弊端，因此建议采用注重个体差异的隐性分层教学模式。隐性分层教学是教师在综合考虑学生实际情况的基础上将学生暗中分为不同层次，分层结果只是教师自己心里有数，不向班级公布[7]。虽然上文调查结果显示，汉族学生的整体基础水平优于藏族学生，但并不代表没有成绩优秀的藏族学生和成绩较差的汉族学生，因此要摒弃单以生源地或民族为依据的错误分层想法。为确保科学合理地进行隐性分层，教师需综合学生的高考成绩、日常表现、学习潜力等因素，根据每位学生的实际情况，给学生创设适合的学习环境。这种教学模式不仅能避免显性分层给学生带来的心理负担，又能在教学过程中注重学生的个体差异，把因材施教提高到可操作水平。合理分层后，课前教师根据不同层次学生的实际情况制定不同的教学目标，课堂教学采用统一教学，课后划分不同学习小组，不同小组实行不同的课后辅导，以达到不同的教学目的，从而使成绩得到整体提高[8]。对于基础薄弱的学生来说，大学阶段的物理学习存在较大困难，应针对此类学生的实际水平，制定合适的教学目标，重点提升其学习兴趣，在课堂上引导学生学会思考，摒弃以往死记硬背的学习方式；在学习结束后为学生单独出题检测，重点检验其对基础知识和基本方法的掌握程度。对于成绩较好的学生来说，他们有扎实的基础功底，缺乏的是学科思维和治学能力，应针对此类学生的学习特点，以培养具有竞争优势的高水平人才为目标，注重培养其创新性与创造思维，可以适当给予一些难度大、综合性强的开放性问题，对所学知识进行加深和扩展；鼓励其加入课外兴趣小组，积极参与各类竞赛，提高其理解应用和思考钻研的能力。根据学生的水平差异采取隐性分层教学，不仅能适应不同水平学生的学习情况，而且有利于教学的整体良性发展。
参考文献
基金项目: 国家级一流本科专业建设点“西藏大学物理学”；2021年教育部高等学校教学研究项目（编号：DWJZW202137xn）；2021年西藏自治区级一流本科课程中学物理教学论；2017年西藏自治区高等学校优秀教学团队“西藏大学普通物理学教学团队”；西藏大学“课程思政”教育教学改革示范课程（编号：ZDK2020-07）；西藏大学一流本科课程（编号：XZDXYLKC-202101）。
通讯作者: 杨晓荣，女，西藏大学教授，主要从事基础物理、课程与教学论的教学与研究，xzdxyr@126.com。
引文格式: 王梓名，杨晓荣. 西藏大学物理师范生力学概念测试研究[J]. 物理与工程，2021，31（6）：153-158.
Cite this article: WANG Z M, YANG X R. A Study on the testing of mechanics concepts for physics teacher trainees at Tibetan University[J]. Physics and Engineering, 2021， 31（6）：153-158. (in Chinese)
END
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