开发以学生为中心的工具来评估中学生对声音的概念性理解

Haim Eshach

本古里安内盖夫大学，谢尔8410501，以色列

（2013年3月10日收到; 2014年1月21日公布）

本文介绍了声学概念库存仪（SCII）的开发和现场测试，旨在衡量中学生的声音概念。该乐器的设计基于已知学生在理解声音和与声音相关的科学史方面的困难，并着重于声音的两个主要方面：声音具有材料属性，声音具有过程属性。最终的SCII包括71份被调查者认为是真或假的陈述，也表明他们对五点量表的信心。对355名中学生的管理导致Cronbach alpha为0.906，这表明其可靠性很高。此外，学生对声音与材料属性相关联的陈述的答案的平均百分比显着高于将声音与过程属性相关联的陈述的平均百分比（p lt;0.001）。SCII是一个有效而可靠的工具，可用于确定学生的声音概念。

DOI：10.1103/PhysRevSTPER.10.010102 PACS号码：01.40.-d，43.10.Sv

一、介绍

本文的目的是描述一个以学生为中心的乐器的发展，旨在评估学生对声音的概念理解。我将首先提供一些背景，比如这样一个工具的发展需要，以及传统的融合型评估工具和这里介绍的以学生为中心的评估工具之间的区别。然后，我将描述用于开发乐器的数据源，即学生对声音和历史概念的概念。在此背景下，我将介绍仪器本身的发展情况，如何确定仪器的目标或主题，问卷的形式，仪器如何开发以及如何测试仪器。

二、标准化评估测试：概述

（一）健全的评估工具的需要

1.为什么标准化测试很重要？

本研究加入了科学教育研究人员长期的兴趣，为评估学生对物理概念的理解创造了有效的，标准化的，有意义的和实用的手段； 在这种情况下，声音的概念。已经在各种物理领域开展了评估工具的开发工作，如力学（如力量概念清单）[1]，力学基线测试[2]，以及运动学中的理解图测试[3]），天文学[4]，光学[5]和电磁学[6]。评估工具可以帮助教师发现他们的学生在理解科学现象时遇到的困难和障碍，如Vosniadou等人的[6] （392页）引用注释：

“认识到学生不是作为空洞的船只上学，而是具有代表性，信念和关于物理世界运行方式难以改变的前提，这对于科学教学的设计具有重要意义。 教师需要了解学生在设计教学时如何看待物理世界并学习如何考虑他们的观点。 需要设计教学干预措施，让学生意识到他们的隐含表征，以及限制他们的信念和假设。”

支持有效的标准化评估工具的重要性也可以在科学教育的其他领域找到。 例如，研究人员声称，开发一种有效的标准化评估工具来检查学生对科学本质（NOS）的看法非常重要，评估工具可能使NOS被纳入州或国家层面的大规模评估[9]。 这样做，据陈[10]可能会改变目前的情况，在这种情况下，NOS在今天的学校中没有得到应有的重视。 制定关于声音概念的评估工具可能会对从学校获得的关注作出类似的改变，目前这些改变目前尚未达到其要求[11]。 这样的文书还可以让科学教育工作者和教师进行比较研究，并将学生对声音的概念理解与其他可衡量的教育成果联系起来。 此外，虽然本研究旨在为中学生制定评估工具，但它也可能有助于评估中学科学教师的看法（对于其他情况，事实证明情况如此，请参阅Trumper [12])。

2.为什么？

如果科学教育的一个目标是促进学生对自己的世界和“有用的知识”的学习（见莱顿[13]，尤其是第五章），那么声音的主题应该是科学课程的重要组成部分。 为了让学生理解理论和实际问题，例如人们是否能够听到水中的声音，为什么听到嘈杂的音乐是危险的，听诊器的工作原理或超声波的工作方式，他们需要坚实的物理科学概念基础有声音的[11]。 另外，根据Hrepic等人[7]，因为声音是一种波动现象，所以它的理解可能对理解古典物理和现代物理都有很大的帮助。 因此，确定阻止学生正确理解声音现象的先入之见在科学课程中应该占据中心位置，并且也应该在科学教育研究中加以解决。

（1）评估工具：传统收敛型与以学生为中心

近年来，有人提出了一些反对意见，涉及使用融合型文书来评估学习者的概念。 在这些工具中，学生必须在预先定义的答案中进行选择，这些答案反映了乐器开发人员相信学生可能拥有的想法，从而阻止学生提供自己的答案，表达他们的真实看法。 例如，在使用多项选择工具来评估学生对NOS的看法时，许多研究人员认为，通过强迫在给定答案之间进行选择，收敛型工具可以将工具开发者对NOS的观念强加给答复者[14–15]，这会威胁这些文书的有效性[16]。 以学生为中心的文书试图解决这一问题。 在这样的文书中，学生被要求提供自己的答案。

这类工具包括深入访谈，这已被证明是非常有成效的[3,17–18] 和开放式问卷[15]。 然而，采访和开放式文书也不免受批评。 事实上，研究人员已经详细阐述了开放式工具的几个弱点。 例如，陈[10] 认为参与者在40-60分钟内充分表达自己的观点非常困难，研究人员很难从每个参与者那里获得预期的信息。 事实上，根据我自己的经验，每当要求学生填写开放式问卷时，他们倾向于使用短而简洁的答案，这些答案不一定能够澄清他们对该主题的理解。 此外，开放式问题需要更高水平的写作能力，因此测试可以衡量写作能力，而不是理解主题。 因此，Lederman的小组本身并不奇怪[18] 建议开展后续访谈，以澄清他们编写的公开调查问卷是否确实反映了学生的观点。 根据这些作者的后续访谈，学生有机会进一步详细阐述他们的答案和观点。

采访，开放式问卷或两者兼而有之，都存在一个额外的困难 - 即由于这种承诺所需的巨大资源，他们在大量学生中几乎站不住脚 - 这些资源通常无法用于研究人员[19]。此外，据Beichner说[3] “统计分析来自大量客观分级多项选择考试数据的能力可能会使研究结果具有更大的普遍性，尽管分辨率低于基于访谈的结果”（第750页）。 总之，一方面，开放式问卷和尤其是采访 - 或者两者结合 - 可能比多项选择题测试具有更高的解决方案，但另一方面，这些工具在需要大规模的评估。

研究人员提供的一个可能解决上述问题的行动方案是使用以学生为中心的过程来构建仪器项目，具体如下：（a）使用已知学生的误解作为调查问卷中的干扰因素，困难（例如[20–21]）。这种方法不是基于学生对教育理论研究假设的可能观点的基础上，而是将它的假设建立在学生已知的虚假知觉的经验记录基础上。 这个基础可能会给乐器的分心带来异常高的有效性，因为学生在乐器选择中读入的含义往往与学生在面试中自发地表达自己的观点时表达的意思相同[22]。（b）允许学生以开放式的形式表达他们认为代表他们对目标问题观点的任何想法。 为此，以下选择应该被添加到每个问卷的问题：“上述选择都不符合我的基本观点。

（2）选择数据源

旨在评估学生对声音的概念性理解的以学生为中心的乐器的制定必须考虑到学生发现最困难的声音的要素。 为此，我们在乐器制作过程中利用了两个主要数据来源：已知学生在理解声音和科学史方面的困难。 科学史可以成为有用的数据源，因为在历史文献中可能发现的关于科学概念（包括声音）的一些常见误解与现代学生中的类似误解相对应。 因此，历史人物的误解可以用来识别学生之间类似的误解[11,23]。 因此将提供对声音被（误）理解的各种方式的简要描述。

但在介绍学生理解声音方面的困难并简要描述其历史发展之前，先介绍一下九年级的学生应该了解哪些声音（在这种情况下，根据他们在统一的以色列科学课程中的进展情况），这是值得的。 这个年龄段的学生应该知道：（a）声音需要一种物质媒介; 它不能在真空中创造; （b）声音与其媒体的压力变化有关; （c）声音不仅可以通过空气传播，还可以通过诸如水和固体的液体传播。 当然，科学观点并不认为声音是一种物质，尽管它需要物质（作为媒介）。 因此，对声音的深刻理解应包括对声音本身不是一种事物的理解，而应该认为它是一种物质现象。

（3）学生的声音概念

天真的声音概念尚未广泛研究[24]。 Boyes和Stanisstreet[25] 考察了中学生对来源与听众之间声音之路的概念。向受试者提供了一张收音机和一个人的照片。 他们被要求回答这个问题，“你如何看待声音传播，让人听到收音机上的内容？”并在画面上画出指示声音路径方向的箭头。 结果显示，只有约40％的年轻瞳孔（11-13岁）和78％的年长组（13-16岁）表明声音从声音传播到听者。 Asoko等人[26] 调查了4至16岁的学生，发现年幼的儿童往往将声音的产生与他们自己的行为联系起来，或者认为声音是其起源对象的一部分。 另外，Asoko等人发现声音在空中传播的概念只存在于16岁（在该组中有70％的参考）。

Chi和同事[27–29] 表明学生的错误观念可归因于主体赋予概念的本体论范畴与概念通常属于的本体论范畴之间的不匹配。 例如，在物理学中，科目无法理解诸如电流，热量和光的概念，因为当它们属于“过程”的本体论类别时，它们将这些实体分配到“物质”的范畴，[30]。 Chi等人 陈述“新手似乎倾向于物质或物质为基础的概念”（第2页），当涉及到描述抽象物理概念时。 例如，学生可能会将电流看作是一种“电汁”或“电子汁”，它是电流本身，从电线的一端流向另一端，而不是将电流视为涉及整个过程的过程电路，包括电子等物质元素。 这被发现对于声音也是有效的[24]。

一些研究已经确定了中学生对声音的唯物主义认识倾向。 例如，Driver等人描述的研究[31] 是瓦特和罗素的[32]，这表明中学生可能会将声音看作是具有尺寸的无形物体，这需要空间才能移动。Eshach和Schwartz[11] 使用了Reiner等人的物质模式特性，这些特性是材料物质的共同特征，并且通常可以用来描述任何实质性的物质，以检验中学生是否拥有对物质的声音思维。 与物质模式一致，参与者认为声音是可推动的，摩擦的，可容纳的或过渡的。总而言之，声音是我们每天经历的一种常见现象，它似乎是一个学生在理解过程中表现出许多困难的领域。

（4）声音的历史概念

文献中记载了科学概念的历史观念与学生对这些概念的看法之间的联系。 驰[27]例如，声称“天真的学生和中世纪科学家在物理科学概念的概念中存在明确的相似性，而且我解释了这种通信是由采用物质实体观点的两个群体产生的”（第159页） 。 以下来自公元前100年的希腊哲学家Lucretius的引述说明了Chi的观点：

“声音和其他声音可以影响感官的事实本身就是它们肉体性质的证明。 此外，声音往往会刮伤喉咙，呼噜声会使气管在其向外的路径上变得粗糙。 会发生什么情况是，当比以往更多数量的声音原子开始通过狭窄的出口挤出，过度拥挤的嘴门被刮掉。 毫无疑问，如果声音和文字具有引起疼痛的这种力量，它们必须由物质颗粒组成“[33] （第146-147页）。”

由于科学概念的历史观念也可以在学生对这一概念的看法中找到[11]，这里提出可以在制定一个旨在检查学生关于这个概念的观点的工具时使用历史资料。 在这种背景下强调重要的是，只有在全面的文献回顾清楚地表明，对现代学生已经识别出与历史相关的声音观念具有类似的重要认知之后，从历史中提出的观点才被纳入调查表。 因此，历史概念仅仅为可能的分心提供了详细的内容，而不是作为对可能的误解的独立建议。

二、声学存量仪器（SCII）的开发

（一）、确定SCII的目标或主题

据Beichner说[3]一旦确定制定问卷是一项有价值的工作，就有必要制定一份与调查问卷所针对的概念的理解相关的具体目标清单。 在文献回顾的基础上，采访了五位高中物理教师，三位物理教授和两位物理教育教授，确定了以下两个主要目标：

中学的学生应该明白声音是一种过程现象，其特征如下

• 1. 声音与介质的压力或密度的变化有关；
  2. 学生应该明白，声音不具备材料特性。以下列出的材料特征，学生必须理解没有，是基于Reiner等人[30] 和Eshach和Schwartz[11]的工作；
  3. 隐形材料；
  4. 具有微粒性质的表面和体积；
  5. 可推动 、能够推动并被推动 ；
  6. 由物体通过媒介；
  7. 在与某些表面接触时摩擦 - 经历“拖曳”；
  8. 可以被包容的东西；
  9. 消耗性能够被耗尽；
  10. 对重力敏感 - 坠落时坠落；
  11. 听力受到声音粒子大小或数量的影响；
  12. 根据Hrepic等人的说法，它能够通过真空[7] 认为声音在真空中传播表明声音被看作是一种独立的材料。
  13. 声音的材料特性列表基于“物质方案”，即物质物质通用的那些属性，并且通常可以扩展以描述任何物质物质[30]。 Eshach和Schwartz[11] 建议在声音很好的情况下，Reiner等人的物质方案将不得不进行修改。 因此，上面的清单是一个更具体的适用于声音的物质方案。
  14. 决定问卷的形式；
  15. 通常用于检查学生对科学概念的概念性理解的评估工具是多项选择问卷，学生必须从多个陈述中选择一个他们认为最能解释问题的陈述。 尽管这种形式的调查问卷在这里很容易适用，但我选择了另一种形式，在这种形式中，学生需要 - 而不是仅选择一个项目 - 对所有这些问题做出回应，并针对每个问题说明是否正确。 Roedel等人[34] 认为通过利用一种机制，要求读者选择不只一个正确的答案，研究人员可以更好地指出学生对特定概念的理解水平。 以同样的方式，本文提供的工具使学生能够选择多个正确或不正确的陈述。 这种格式特别适合于识别学生将声音视为与过程（例如介质的压力或密度的变化）和物质（例如将声音感知为“可推出”）相关联的情况。

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