[论文解读] Learner intuitions about energy degradation

Abigail R. Daane, Rachel E. Scherr+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2013

Science Education and Pedagogy参考文献 80被引用 4

一句话总结

本文提出将学习者关于能量耗散的直觉观念——如能量被‘用尽’或‘浪费’——融入K-12科学教育，以弥合日常经验与能量守恒定律及热力学第二定律的正式原理之间的鸿沟。通过在教师专业发展过程中将这些直觉与学习目标对齐，本研究增强了概念理解，并加强了物理概念与能源可持续性等社会政治议题之间的联系。

ABSTRACT

A primary learning goal for energy in K-12 science instruction is that energy cannot be created or destroyed. However, learners' everyday ideas about energy often involve energy being used up or wasted. In physics, the concept of energy degradation can connect those everyday ideas to the principle of energy conservation. Learners' spontaneous discussions of aspects of energy degradation and the second law of thermodynamics include ideas concerning the inaccessibility, usefulness and dispersion of energy. These ideas have motivated us to introduce new learning goals into our K-12 teacher professional development courses. We identify alignments between these learning goals and learners' informal ideas and discuss instructional implications created by these alignments. Our aim is to create stronger ties between formal physics knowledge and sociopolitical issues by making these learning goals a priority in our professional development.

研究动机与目标

• 弥合学生对能量被‘用尽’的日常直觉与能量守恒科学原理之间的差距。
• 确定学习者关于能量耗散的非正式观念与能量不可用性、有用性及分散性等核心物理概念之间的关联。
• 为K-12教师专业发展制定新的学习目标，将这些直觉与正式物理知识相融合。
• 通过有针对性的教学，加强科学能量概念与能源可持续性等社会政治议题之间的联系。

提出的方法

• 分析学习者关于能量耗散及热力学第二定律的自发讨论。
• 识别学生在能量被浪费、分散或不再有用方面的非正式推理中的重复主题。
• 将这些直觉观念与熵和能量分散等正式物理概念进行映射。
• 基于这些对齐关系，设计并实施K-12教师专业发展课程中的新学习目标。
• 利用这些对齐的学习目标，促进将物理原理与现实社会政治背景相联系的教学。
• 通过在专业发展环境中迭代开发与反馈，评估教学影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 学习者如何自发描述日常情境中能量的耗散？
• RQ2 学习者关于能量被‘用尽’的非正式观念与热力学第二定律等正式物理概念之间存在何种联系？
• RQ3 如何系统性地将这些直觉观念与K-12科学教育中的关键学习目标对齐？
• RQ4 当这些直觉被整合到教师专业发展中时，会涌现出哪些教学策略？
• RQ5 能量耗散概念在哪些方面能够加强物理教育与能源可持续性等社会政治议题之间的联系？

主要发现

• 学习者经常将能量描述为被‘用尽’或‘浪费’，反映出他们在正式教学之前已对能量耗散具有直觉认知。
• 这些日常观念与能量不可用性、有用性降低及分散性等核心物理概念具有有意义的对应关系。
• 当这些直觉被明确与正式物理知识关联时，可作为教授热力学第二定律的有效切入点。
• 将这些观念融入教师专业发展，可增强教师将科学原理与现实问题相联系的能力。
• 非正式推理与正式物理概念之间的对齐，有助于在K-12课堂中实现更连贯且有意义的能量教学。
• 该方法通过将能源教育与能源效率和可持续性等社会政治关切相联系，增强了其相关性。