[论文解读] Connecting Three Pivotal Concepts in K-12 Science State Standards and Maps of Conceptual Growth to Research in Physics Education

Chandralekha Singh, Christian D. Schunn|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2016

Science Education and Pedagogy参考文献 60被引用 12

一句话总结

本文识别出美国多个州K-12科学标准中的三个关键物理概念：力与运动、能量守恒以及几何光学。文章梳理了这些领域的概念发展进程，并将其与物理教育研究相联系，突出学生持续存在的误解，并提供基于证据的教学策略以提升概念理解。

ABSTRACT

This paper describes three conceptual areas in physics that are particularly important targets for educational interventions in K-12 science. These conceptual areas are force and motion, conservation of energy, and geometrical optics, which were prominent in the US national and four US state standards that we examined. The four US state standards that were analyzed to explore the extent to which the K-12 science standards differ in different states were selected to include states in different geographic regions and of different sizes. The three conceptual areas that were common to all the four state standards are conceptual building blocks for other science concepts covered in the K-12 curriculum. Since these three areas have been found to be ripe with deep student misconceptions that are resilient to conventional physics instruction, the nature of difficulties in these areas is described in some depth, along with pointers towards approaches that have met with some success in each conceptual area.

研究动机与目标

• 识别并分析美国K-12科学州级标准中普遍存在的三个核心物理概念——力与运动、能量守恒以及几何光学。
• 考察这些概念在来自不同地理与人口背景地区的州级标准中的组织结构与顺序安排。
• 将这些主题的概念发展与物理教育研究相联系，尤其关注学生的误解问题。
• 提供基于证据的教学策略，以解决这些关键领域中持续存在的误解。
• 通过将标准与概念发展及学习困难的研究相匹配，支持教师培训与课程设计。

提出的方法

• 分析来自美国不同地理与人口背景的州级及国家级K-12科学标准。
• 识别力与运动、能量守恒以及几何光学中常见的概念主题与进阶序列。
• 综合现有物理教育研究中关于学生在这些三个领域误解的发现。
• 基于认知发展与学习研究，绘制每个主题的概念发展轨迹。
• 将研究发现整合进教育框架，使标准与基于研究的教学方法相一致。
• 使用案例研究与文献综述，识别能有效应对持续误解的教学策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些核心物理概念在美国不同K-12科学州级标准中持续被强调？
• RQ2 力与运动、能量守恒以及几何光学的概念进阶在各州标准中是何异同？
• RQ3 根据物理教育研究，这些三个概念领域中最普遍且顽固的学生误解是什么？
• RQ4 哪些基于证据的教学策略在解决力与运动、能量及光学中的误解方面已被证明有效？
• RQ5 如何使基于标准的课程更好地与物理学习中概念发展与学习困难的研究相匹配？

主要发现

• 力与运动、能量守恒以及几何光学在所有四个分析的州级科学标准及国家级框架中均被持续强调。
• 学生在所有三个领域均存在深刻且顽固的误解，例如将力理解为物体的属性而非相互作用。
• 研究表明，当教学明确针对并挑战误解，采用基于模型的推理与形成性评估时，概念转变更为有效。
• 采用以概念为核心的教学内容、动手建模以及形成性反馈的教学策略，能显著提升学生在能量守恒与光学方面的理解。
• 力与运动的概念发展最适宜通过循序渐进的探究式学习实现，即从直观经验逐步过渡到正式的牛顿力学概念。
• 整合光路图与预测建模的几何光学教学，相比传统讲授式方法，能带来更好的概念掌握效果。