三种牛顿第三定律教学方式的比较外文翻译资料

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三种牛顿第三定律教学方式的比较

尽管引导-探究式的基础物理教学方法已被单独证明其在提高概念理解方面比传统的讲授式教学更有效，但物理教育领域的研究人员还没有详细研究基于课程改革之间的差异。一些研究人员开发了华盛顿大学风格的辅导材料，但不同的课程没有相互比较。我们的研究考察了三个旨在提高学生对牛顿第三定律的理解的教程：华盛顿大学的基础物理教程(TIP)，马里兰大学基于活动的教程(ABT)，以及同样是马里兰大学开发的开源教程(OST)。各个教程都有其不同的目的，并且都运用了不同的方法来帮助学生理解物理。我们分析了前测和后测数据，包括课程考试和力与运动概念评估数据。综合力与运动概念评估与课程数据，我们发现使用开源版本教程的学生比使用另外两种版本教程的学生表现得更好。

一、引言

近年来进行的研究表明，引导-探究、华盛顿大学式的教程可以有效地补充传统的基础物理教学。然而，关于不同类型的教程在效果上的比较，或在结构和内容上的差异，几乎没有进行过研究。我们希望可以解决前一个问题，认识到解决后一个问题可以解释差异。在牛顿第三定律的背景下存在三种教程，并且可以在风格和有效性上进行比较：华盛顿大学的基础物理教程中的一种纸笔教程；马里兰大学开发的基于微型计算机的实验室教程，作为其基于活动教程的一部分；和一个改善初始直觉的教程，它是马里兰大学开发的开源教程的一部分。本研究旨在比较每个教程在提高学生对牛顿第三定律的理解方面的效果。在整个过程中，我们将通过它们的缩写TIP、ABT和OST 来引用它们，即使是像“ABT 教程”这种和“PIN 码”一样多余的短语。

这项研究是2004 年秋季在缅因大学的普通物理1课程中进行的。本课程是以代数为基础的基础课程的前半部分，每学期约招收100名学生(大约107人)。学习普通物理1的学生主要来自于生命科学和地球科学专业的，其中大约四分之三的人之前都学习过微积分课程。该课程包括两节 50 分钟的大班讲座、两节 50 分钟的辅导课和每周一节两小时的实验课。学生群体分为六个部分，用于课程的教学部分。实验室也被分配成6个部分，但这部分的人数分配与教学部分无关。该课程的大部分教程来自 TIP。

在我们的研究中，我们将教程分为六块，以便每种牛顿第三定律的教程都由两个部分组成(每种教程大约占总人数的三分之一)，并且没有学生完成一个以上的教程。我们的目标是通过将教程随机分配到某个部分并尝试控制课程中的所有其他变量来观察学生学习的差异。

二、教学材料

1.牛顿第三定律的物理学

用最简单的形式来描述牛顿第三定律，即一个物体对另一个物体的作用力与另一个物体对该物体的作用力大小相等，且方向相反。我们将学生对牛顿第三定律的推论分为2类：推动情况与碰撞情况。当两个物体长时间接触时，就会出现推动情况。物体可能正在作加速、匀速或减速运动。此外，物体可能被排列成质量不相等的情况，最前端或最末端的物体具有更大的质量。无论如何排列，其结果都是相同的，但不同的排列方式可能给学生带来问题。例如图1的一个例子。当两个对象在短时间内相互作用时，就会发生碰撞情况。与推动情况一样，物体相对速度和质量的各种组合可能会影响学生对所施加力的推理方式。碰撞情况的示例如图2所示。这两种情况在本研究中都很普遍，并且在牛顿第三定律的教学中经常被引用。

图1.小车A、B放在桌子上。用手对小车A施加恒定的力，使小车以恒定的速度加速。比较小车A施加在小车B上的力与小车B施加在小车A上的力的大小和方向。

图2.小车B静止在桌子上。小车A从左侧接近小车B并与小车B相撞。碰撞后，两车立即分开。比较小车A施加在小车B上的力与小车接触时小车B施加在小车A上的力的大小和方向。

2.所有课程的教学共同点

本研究期间实施的所有的三种课程都使用引导-探究的方法作为牛顿第三定律教学的基础。在教程中，学生以三人或四人为一组完成学习单，该学习单要求他们检查物理的定性性质，而不是像教科书中通常要求的那样强调解决问题。教师充当引导者，提出适当的问题来使学生参与进课程，而无需明确告诉他们正确的答案。

每个课程最初都被设计为50分钟，但学生很少在规定的时间内完成。因此，缅因大学的学生被允许每周利用两个50分钟的课时来完成教程。

在我们的研究中，所有学生都参加了相同的未评分预测试，并回答了相同的家作问题(材料来自于ABT教程)。此外，所有学生在讲座和实验课上都接受了相同的指导。教学的唯一区别发生在于教学方法本身。

3.三种课程的描述

牛顿第三定律的TIP教程用于我们研究的对照组，因为在课程的其余部分使用了TIP教程。TIP教程强调引发学生反应、面对错误答案和解决差异的过程，以此作为处理学生错误想法的一种方式。让学生处于一种情况，即质量不等的物体受到外力的推动，外力作用在与小质量物体接触的大质量物体上，并推动小质量物体。在教程中，学生必须为每个物体绘制受力图，并使他们的图与物体系统的运动一致。研究包含不同的物理情况，比如匀速运动和加速运动。出于比较的原因，我们注意到TIP教程仅包含推动的情况。

ABT教程由马里兰大学开发，并利用基于微机的实验室MBL数据采集技术。ABT教程采用低摩擦力的小车和测力探头，让学生进行涉及推动和碰撞的定性实验。在推动的情况下，学生进行着类似于TIP教程中的实验。即小车的质量不等，质量较大的小车推动着质量较小的小车进行加速运动。在碰撞情况下，学生检查在碰撞时产生的力，其中一辆小车具有初始非零速度，而另一辆小车在初始时于静止状态。测试了两种情况：一种是小车质量相等，另一种是质量不等。数据用测力探头收集并在实验期间绘制在计算机屏幕上。学生观察计算机收集到的图表数据，表明牛顿第三定律在几种情况下都成立。即使与他们的直觉认知不同，学生们很快就从图表上了解到力的大小相等，方向相反。

OST教程也是在马里兰大学开发的，强调在学习牛顿第三定律时对学生直觉的改善。本教程从碰撞情况开始，用一辆大型卡车与一辆静止的、质量较小的汽车相撞。要求学生比较较大的卡车对汽车施加的力与较小质量的汽车对卡车施加的力。通常，学生们认为卡车施加的力更大，他们的推理因人而异。一些学生说卡车施加的力更大，因为卡车在移动，而汽车是静止的。其他人说卡车施加的力更大，是认为卡车的质量比汽车的质量大，因此会造成更大的损坏。总而言之，学生倾向于说汽车在碰撞过程中会比卡车“发生更多的反应”；因此必须在较低质量的物体上施加更大的力。本教程将引导学生进行一系列观察(包括类似于ABT教程中的MBL实验)并且这些思维练习旨在让他们完善原始直觉。通过帮助学生定义直觉中的冲突并考虑解决这些冲突的方法，本教程帮助学生了解力和加速度之间的区别。OST 教程最初只包含碰撞情况。为了在所有教程中创设常见的情境（用于通过普通的家庭作业和一些试题），我们在教程的末尾添加了一个包含推动情境的部分，作为学生练习他们在教学中所学内容的一种方式。这与 ABT 教程中的推动情况非常相似，但没有使用 MBL实验。

我们注意到，这三个教程是针对与缅因大学不同的人群编写的。TIP和ABT教程都是为基于微积分的基础物理课程设计的，尽管这两个教程都没有明确要求任何微积分知识。作为一名高中物理老师，OST的教程作者Andrew Elby在创作 OST 教程时考虑到了没有学习微积分的这一人群，因此与TIP和ABT教程一样，成功完成OST不需要用到高等数学。所有的教程都假定学生已经学习过了牛顿第二定律与运动学，并且在先前的课堂上已经讨论过牛顿第三定律。但是OST教程却不受以上这些假定的约束。

三、研究设计

1.研究步骤

普通物理1课程的教程部分分为六个部分。在定期安排的教程期间，每种类型的教程都分为两个部分。每个部分都是随机选择的。在教程课之前，牛顿第三定律已包含在课程的讲授部分中。我们收集了四种类型的数据，来自课后、课程前预测试、课程后作业、课程考试以及力与运动概念评估(FMCE)。我们将在下面的内容中更详细地描述这些数据。所有数据都是在评分之前收集的，并且分析与评分过程完全分开。

2.收集的收据

无论教程如何，所有学生的预测试与后测作业、考试评估都是相同的。

预测试和家庭作业问题来自ABT教程随附的材料，包含推动和碰撞两种情况。学生在第一个教程课的前十分钟内完成了预测试。因此，我们拥有预测试数据的所有学生都参与了教程，我们的匹配数据仅包括来自教程中的学生的数据。在第二个教学期结束时，我们为学生布置了家庭作业。他们有大约一周的时间来完成。

考试题是在制作时具有一定的局限性，只包含一个推动的情况。(这就是我们会在OST教程中添加推动情境的原因）在教程完成约2周后，这些将被分成11道题目（包含4个开放性问答、7个多选题）放进期中测试中。学生将被要求回答牛顿第三定律的相关问题。

力与运动概念评估放在常规课程工作的开始与结尾，囊括了牛顿第三定律的力与运动概念评估包含了推动与碰撞两种情况。我们比较了新生在力与运动概念评估总分上的表现，以表明学生在教学前通常是平等的。

四、数据分析

我们检查了初步的预测试数据，以找到一种方法来对学生在思考牛顿第三定律时所犯的错误进行分类。最初的目的是量化学生所犯的错误，并确定他们从预测试到后测式时对这些错误运用的变化程度。我们发现的错误与基于认知资源和推理方面的描述非常一致。大多数学生的反应可以分为三类：动作依赖、速度依赖和质量依赖反应。偶尔会给出不属于这些类别的答案，但这种情况很少见，不值得增加一个类别。虽然是单独定义的，但我们的分类与Bao、Hogg和Zollman撰写的相关文章特征非常相似。

A.定义推理的相同方面

我们根据推理的各个方面来描述学生的反应。Facet Innovations公司，提供了一种叫做Facet分组的分类方式，我们用他们提供的分类方式来描述学生回答问题的一些常见方式。它们是从学生在课堂上实际所说的内容中“略微抽象”出来的。虽然关于“相互作用力”的整个内容里面包含与我们的研究无关的元素，但有几个方面对我们的研究非常重要。

我们使用通用的分组编号系统，值越高（高达99）教学问题越大，值越低（00，或者01、02等等）越正确。对我们的研究来说最重要的是facet 60左右的这一组。Facet 60说明：“学生之所以会指出一对力中的力的大小不相等，是因为物体在某些属性上是不同，例如某些物体更大、更强、速度更快等等。”

这一组当中有几个不同的地方，包括：

61：“更强”的物体施加更大的力；

62：运动的物体或运动较快的物体受力较大；

63：越活跃或越有活力的物体施加的力越大；

64：更大或更重的物体会施加更大的力。

特别的是，我们发现第62、63和64的facet对我们的研究和分析很重要。基于我们对学生会给出的反应类型的初步分析，我们将所有学生对facet 60这一组的反应分为三类：类似于facet 63的动作依赖、类似于facet 64的质量依赖和类似于facet 62的速度依赖。我们将在下面更详细地描述这三个facets。

所有教程都讨论了facet 60这一组的要素，TIP和ABT教程有推动质量不等物体的情况。ABT和OST教程涉及具有不等质量物体和不等质量不同预接触速度的碰撞情况。

1.动作依赖facet

动作依赖facet（ADF）体现了一个物体产生力，而另一个物体感受该力的概念。这个facet很可能受到牛顿第三定律的常见错误陈述的影响，“对于每一个动作，都有一个相等但相反的反应。” 通常，学生更有可能关注该描述的动作反应方面，而不是相等对立的部分。

ADF在推动和碰撞情况下的表现略有不同。在推动的情况下，学生可能会说推动的物体比被推动的物体施加更大的力。在碰撞情况下，学生可能会说初速度较大的物体比初速度较慢的物体施加的力更大。如上图1、2所示，学生说A施加在B上的力大于B施加在A上的力并给出适当的错误解释，可以归类为使用 ADF。ADF是我们研究中学生最常用的错误推理。

2.速度依赖facet

速度依赖facet（VDF）源于速度和加速度之间的混淆。学生通常认为力是运动中物体的内在属性，类似于动量，而不是两个物体相互作用的产物。

在推动的情况下，学生可能会表达这样的想法，即只有当两个物体以恒定速度移动时，物体施加在彼此上的力才相等。误打误撞，VDF可能会使学生得出正确的答案。在碰撞情况下，学生可能会讨论移动的小车在开始移动时被转移或传递给静止的小车的力。在我们的研究中，学生对VDF的应用相对较少。

3.质量依赖facet

质量依赖facet（MDF）表达了这样一个概念，即质量越大的物体总是比质量较小的物体施加更大的力。学生经常会引用牛顿第二定律F=ma作为证据；然而，学生们经常忘记牛顿第二定律处理的是物体上的合力，而不是每个单独的力。MDF 类似地被用于推动和碰撞情况。

4.使用多个分组

我们和Bao等人一样，发现学生在处理牛顿第三定律的情况下可能会使用这些facets中的两个或更多facets。一个更大的物体撞击一个更小的静止物体可能会在一个问题中引发所有三个facets。在这种情况下，学生可能无法完全描述他们的推理，因为每个facet都会导致一致的结果。我们发现，在不同facet的应用产生相互冲突的结果的问题中，更容易确定学生使用了哪些facets。在图2中，由ADF引导的学生可能会说物体A对B施加的力大于B对A施加的力，而由MDF指导的学生则相反。通过在两个论点之间相互进行弥补，学生可能会给出正确答案：ADF和 MDF的观点平衡使得施加的力相等。我们发现，在书面解释中，学生很少写下使用多于一种facet的解释。这方面的进一步工作

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