学生对外层空间的牛顿第二定律的误解.docx
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学生对外层空间的牛顿第二定律的误解
学生对外层空间的牛顿第二定律的误解
摘要
学生的迷思概念，在摩擦表面和太空关于牛顿第二定律进行了调查。
根据认知游戏，形成研究理论框架。
术语“认知”是指学生在参与解决问题的活动中建构新知识的一种手段。
该术语'游戏'是指一个连贯的活动，包括移动和规则。
一组学生被要求解决两个类似牛顿第二定律问题，被调查者是116名本科生，其中之一就是在地球上，另一个在外太空，研究结果表明，是学生认知的游戏喜好和比赛型（外层空间或摩擦表面）的问题之间的显著差异。
所以，当它来到的空间，学生谁用牛顿第二定律在地上不适用本定律，使用原始的推理。
在这些学生中自愿参与访谈的有18个学生。
访谈记录的分析表明：
（1）术语“空间”造成阻碍学生自发性使用牛顿第二定律;
（2）学生质疑在太空中应用牛顿第二定律，由于缺乏摩擦的条件;（3）学生因为各种原因，认为牛顿第二定律在空间是无效的，但大多基于这样一个事实，即物体在空间不与一个表面相接触。
关键词：
物理教育，牛顿第二定律，认知游戏，动态转移
1引言
运动及其成因之间的关系已经由牛顿正确地解释了已被称为牛顿第二定律定律。
此法的一个具体情况下，可以通过一个简单的等式来表示，F=ma,质量是常数。
这是运动学（FPD）的基本原则。
在具体情况下这个公式看起来是很简单。
表1根据教科书中该问题被设置分配牛顿第二定律的问题
当施加这两个力在同一个物体上，并且物体的质量是已知的。
但是，研究物理教育已经表明，使用这种简单的等式没有想象的那么简单（Coelho2010）。
在这个定律概念上，学生的困难包括
（1）力的概念（Clement1982,Gunstone1987,HallounaandHestenes1985,Viennot1985）,
（2）质量（BovetandHalbwachs1980,BrownandClement1992,Galili1993,1995,2001,Givry2003,Gönen2008,Halbwachs1979,Halbwachsetal1983,Heurtaux1978,MulletandGervais1990）（3）加速度（Coelho2010,Tas¸ar2010,TrowbridgeandMcDermott1981）,在这三方面进行了调查。
这些研究关注地球上的运动。
不过，也有文献涉及摩擦的空间和外星环境中（Chandler1991,BrownandClement1992,GürelandGürdal2002,Givry2003,Sharmaetal2004,Gönen2008）的一些研究。
这些研究旨在考察学生的概念理解，不解决这些问题定量。
尽我们所知，至今没有关于在摩擦外层空间使用FPD的研究。
关于牛顿第二定律在物理教科书中的应用问题一般涉及地球的运动。
表1示出了根据那里的情况给出，如地球，空间，其他行星或卫星介质的问题的分布。
此表编制，通过分析在三个物理教科书，国际熟知的实例（工作问题），问题（概念上的问题）和问题（通常是定量的）。
这些教科书的土耳其翻译是提供给普通物理的主要资源， 学习我课程的学生参加了这项研究。
共有361问题（包括样品和问题），其中对外层空间的只有五个问题是。
这五个问题中，只有两个使用了牛顿第二定律的问题。
剔除这两个问题，没有发现其他问题的计算使用了牛顿第二定律进行。
因此，由于给定的牛顿动力学问题仅适用于地球上，可能学生认为牛顿定律，尤其是他的第二定律，只适用于地球上的情况呢？
应用牛顿第二定律解决图1中的问题似乎并不难，因为只有一个系统，只有一种力使物体移动。
这是个虚构的问题，而不是要求直接计算出飞船的加速度值，要求学生预测两个太空船之间的拉力赛的冠军。
如果他们的加速度进行比较，根据F=ma，在一个质量大情况下有较少的加速度，其中它们的质量被认为在比赛过程中保持恒定。
这意味着，如果两个飞船比赛中，一个具有较小的质量将有更多的加速度，因此将获胜。
但是，它不应该忘记的是，这两款车都在外太空，没有引力质量和学生对惯性质量在空间的作用有概念上的困难。
在这种情况下，这可能是一种策略，以帮助学生在尝试解决这个问题？
可能学生对牛顿第二定律或惯性质量的直观知识被认为是这样一种方式，在外太空与质量无关？
从这个角度来看，本研究的目的是分析学生使用相关的FPD的在外层空间特定情况下解决问题的策略。
假如两艘飞船在无摩擦的外太空进行比赛，
两艘飞船给予同样大的外力100N，
飞船A和B具有相同的发动机
A飞船500kg,B船750kg,
哪个飞船会赢得这场比赛？
为什么？
（在比赛过程中飞船的质量可假设为不变。
）
图1飞船竞赛问题的一个例子
这项研究是指认知游戏的理论框架（TuminaroandRedish2007）。
这个理论框架提出了一个认知模型识别和分析解决问题的策略。
所以，'什么认知游戏激活在什么条件下？
'可以通过使用认知游戏预定义在这个理论框架的分析。
1.1解决问题作为一个游戏：
认知游戏
在本研究中，解决一个问题被认为是一个认知的游戏，一个连贯的活动需要使用特定的知识和启动一些程序（TuminaroandRedish2007）。
在这里，术语“认知”是指学生在问题解决活动中的参与作为构建新知识的一种手段。
和术语'游戏'“是一个具有本体部件协调一致的活动，找出游戏中玩家的'东西'，件，一个打板 和结构的开头和结束，动作，规则，这使得它从其他活动区分开“（TuminaroandRedish2007,p4） 。
一个认知游戏中有两个主要的本体论和结构部件。
本体论的元素包含一个知识基础（即数学和物理资源），并有一个认知的形式（即物理方程，口头解释，图像，计划等）。
结构元素包含入门结束条件和动作。
入门结束条件说明当一个特定的认知游戏的开始和结束。
他们还定义了一个特定问题解决问题的期望。
当运动时，它们可以被视为任务。
TuminaroandRedish（2007）确定了六个认知游戏，通过观察物理课程。
些认知游戏中的两场比赛都很重要，本研究：
数学映射得意义（MMM）和物理机制（PM）的游戏。
一个MMM游戏第一解决问题定量，用于通过使用一个物理方程，然后解释所计算的值来预测所研究的系统的行为或系统参数的发展。
一个下午的游戏涉及到的情况，使用直观的知识，没有参考方程式建设一个描述性的故事（解释）。
一个下午的游戏涉及到的情况，使用直观的知识，没有参考方程式建设一个描述性的故事（解释）。
一个MMM游戏有知识基础的数学资源和认知形式是一个物理方程。
一个下午的游戏有知识基础的推理原语和认知形式是口头解释。
表2两种认知动作游戏是根据Tuminaro和Redish（2007）和我们的外太空比赛问题例子。
映射数学意义的游戏
运动号码
运动
在飞船竞赛问题
1
确定目标概念
加速度的概念
2
找到与目标概念等概念的方程式
FPD：
F=MA（的情况下，他们的质量是目标概念，其他概念沿比赛应该不变）从这个方程中每个飞船的加速度的计算方法如下。
飞船A：
FA=100N（netforce）mA=500kg,aA=100/500=0.2ms-2
飞船B：
FB=100N（netforce）
mB=750kg,aB=100/750=0.13ms-2
3
讲一个故事用这个比赛的结果可以通过比较概念之间的关系来预测
这场比赛的结果可以通过比较概念之间的关系来预测飞船的加速。
因为它们的初始速度是零，一个有最大加速的飞船会赢得比赛。
4
评价的故事
因为aA>aB，所以飞船A会赢得比赛
物理机制的游戏
1
制定一个关于物理情况的故事
在相同条件下，重物没有轻物体灵活。
因此，更轻的物体比重物运动更快
2
评价的故事
由于飞船A和B具有相同的发动机，其中一个500千克飞船比另一个飞船快
MMM游戏和PM游戏上方的外太空问题的例子是表1为图1中呈现的比赛问题给出。
在这个问题中，学生的任务是预测哪些飞船将赢得比赛。
两种策略使得能够回答这个问题。
首先，是应用运动学理论来计算飞船的加速度。
由于这两个飞船是在一个拉力赛没有初始速度，那里面大多数的加速会更快根据运动学公式：
V=at。
在这种策略，、数学被使用。
其他的策略，没有明确提及物理学原理，是基于这样的事实，该轻的宇宙飞船将赢得比赛。
在这第二个策略，我们不使用数学只有依靠原始的推理。
以上两种策略中的表2中运动术语的解释。
这里，问题是，一个是不确定的两个事实：
（1）它不是众所周知，如果学生将在空间应用的运动学定律由于空间空的方面;
（2）它不知道，如果学生推理正确，是由于质量往往被忽视。
2这项研究的目的
本研究旨在分析学生对在无摩擦的太空牛顿第二定律的迷思概，要求他们解决两个类似的问题，其中之一就是在地球上，另一个在外层空间。
在一个认知游戏的理论框架，制定以下研究问题。
●学生的认知游戏偏好和比赛问题类型（在外空和摩擦表面比赛）之间是否有显著差异？
●为什么学生发挥两种不同的认知游戏在外层空间和摩擦表面进行比赛的问题？
3方法
本研究采用一种多混合研究方法的方法（2009年克雷斯韦尔）。
该方法包括定量和定性研究，其中每一个响应一个不同的问题的序列组成。
进行定量研究，以调查两比赛之间的问题和学生的认知游戏偏好。
案例分析研究采用为定性研究。
本数据来源于纸质铅笔会话和面试阶段。
3.1纸，铅笔会议
纸铅笔会议组织根据本研究的目的，创建一个相关的案例。
第一个问题是关于空间（上文），第二个是关于摩擦表面。
两者都涉及飞船之间的竞争与质量不同（这些问题在附录中给出）。
在每一个问题，学生们被要求预测（说明理由）哪个车会赢得比赛。
在这个环节中，学生并没有在他们的提问引导，他们应该使用什么样的策略。
他们可以使用牛顿第二定律加速计算或根据日常生活经验直觉（即使物理课程没有完成）
问题集在2013-14学年给予116根据典型案例抽样的方法选取的本科生（鉴于2008年，Marshall1996）。
这些学生来自不同的高中在土耳其24个城市。
所有的学生都被安置在科学教学部，就其在中央民族大学入学考试的排名。
他们都学习了介绍牛顿力学课程。
3.2采访会议
根据该纸，铅笔会议的结果，谁参加MMM游戏中的摩擦表面问题，和下午在外空中的比赛问题的学生被邀请去采访会议。
面试根据动态转移的理论框架（Rebello等人，2004年），其目的是了解学生的推理过程组织，特别是“学生如何根据他们以前的学习和经验动态地建立和传递知识”（Rebello等，2004，第221页）。
根据上述标准，31名学生被邀请去采访会议。
其中，18名学生自愿同意参与。
在与这18个学生面试环节进行面谈收集资料。
在纸铅笔会话相同的两个问题被要求的学生。
学生们大声地回答问题。
学生在面试时解决问题，并提供解释时，有必要供应了纸。
采用半结构化面试。
他们历时5-10分钟，并分为三个子序列：
自发转移阶段，脚手架传输阶段和动态转移框架线索移交阶段。
在自发转移，面试官不提供外部链接。
在脚手架转移，学生们自觉地直接从面试官的问题导致了答案。
在线索传递，引导学生看两个问题之间的相似性。
访谈开始提问“谁赢得比赛？
”。
这个问题开始自发转移。
其他一些探索性的问题提出如下。
●你为什么认为在外空质量并不重要？
●如果他们是在摩擦外太空，你会怎么回答？
●为什么你对这两个问题有不同的反应？
●为什么这两个问题要使用不同（或相同）的策略来预测冠军？
●你会怎么说，如果这两个气垫船是在地球上的摩擦表面和外空赛车？
你会给出同样的答案？
并要求学生回答的最后一个问题是：
“是动态的基本原则（F=MA）在外空适用和有效吗？
”。
前两个问题是脚手架转移和最后四个问题的例子是线索移交的。
3.3数据分析
学生的纸铅笔测试按照所发挥的认知游戏，如MMM游戏和PM游戏编码分为两类。
如果学生的解决方案是比较加速度包括物理方程，这些解决方案被编码为一个MMM游戏。
相反，如果解决方案包括一个描述性的口头故事而不是方程如“质量越大速度越小”或惯性质量不重要性诸如“质量与空间没关系”的误解，它被编码为一个下午的游戏。
在此基础上编码，卡方检验用来调查认知游戏的偏好和两个比赛问题类型之间是否有显著差异。
根据这个测试的结果，学生谁参加了MMM游戏中的摩擦面的问题，和下午在太空问题上的比赛，则被邀请采访会议。
在访谈笔录和动态转移相鉴别。
然后计算触发自发转移的初始问题回答次数，和他们的两个问题进行比较。
在外太空比赛问题运用第二定律的困难被确定在脚手架传输阶段。
在这部分的采访中，困难被认为是认知游戏的进入和结束的条件进行了鉴定。
最后，学生的反应进行分类的线索传递给部分，使我们能够确定为什么学生认为，牛顿第二定律不能在空间应用。
4发现
4.1学生的认知游戏的喜好
已经回答了空间和摩擦竞赛题的116名学生的这些问题的答案和认知游戏扮演列于表3。
根据表3中的数据，下面的发现可以从学生的预测和认知游戏激活突出显示。
●学生的反应已经积累了周围的预言“A胜'和'一样'。
在外太空比赛问题“一样”的预测提请注意。
表3学生的答案与认知游戏
表4外层空间比赛和摩擦表面问题的交叉制表统计。
●使用运动学定律进行MMM的游戏解决两个飞船比赛问题，往往会导致正确的回答。
然而，出乎MMM的游戏，下午玩游戏的没保证正确的预测，特别是在无摩擦的外太空的问题。
●MMM的比赛是认知游戏被学生首选在两种比赛介质;但是，在外太空比赛问题时，使用PM的增加。
为了探讨一些学生他们从外太空比赛问题迁移到摩擦表面的比赛问题的战略转变，在表4中给出的交叉制表的统计数据做了。
根据表4的数据，79学生谁回答这两个问题并持续同样参加了认知游戏关于比赛问题。
31名学生（请参阅表3粗体数据）改变认知的游戏，当比赛问题被修改。
根据表4的数据卡方检验的结果表明，有一个激活认知游戏和比赛问题的类型之间显著差异（X2
（2）=30，158;P<0.05）。
31名学生参与MMM游戏的摩擦表面，并在下午参加外太空比赛。
这就是他们摩擦表面使用运动学定律，而在外空不使用运动学定律。
这一发现表明，一些学生的认知游戏喜好在两个类似的问题（在外层空间和地球上的摩擦表面）之间切换。
因此，第一个研究问题已经回答。
4.2访谈分析
参加MMM游戏的摩擦面的问题和PM游戏的外空问题的学生被邀请去采访会议。
作为一个例子，与极限压力的整个面试，列在表5。
这个采访的分析将与在其他访谈的发现得到支持。
这次采访持续了10分钟，可分为三个部分按照每个动态转移：
（1）与面试官的主要问题开始自发转移（1-4行和17-24行）;
（2）与面试官的提问脚手架上开始传输
这证明学生的自发转移（行5-16）的原因;（3）转让线索的由给定的两个类似问题的回应的比较与观察问题（行23-31）。
基于这些传输部分，我们将重点介绍和分析回答两个问题时，有关学生的方式三点：
（1）自发地或谨慎的回应在外空间和摩擦表面的两个比赛的问题和不同的反应和推理;
（2）难以发挥MMM游戏中的摩擦外空问题;及（3）在无摩擦在外空问题牛顿第二定律的非有效性。
表5采访学生的极限压力
1
Ⅰ
谁将会赢这场比赛？
为什么？
2
EP
这两个飞船同一时间到达！
3
Ⅰ
为什么？
4
EP
因为不存在摩擦两个物体在同一时间到达。
此外，在外太空，当我们抛出两个对象，例如大象和羽毛，它们都会飞
5
Ⅰ
你说质量不重要。
6
EP
所以，质量在外层空间没关系。
这些都是那些马上浮现在脑海中。
最终，没有摩擦。
7
Ⅰ
好吧。
而另一个问题。
想象一下......（图中两个气垫船竞相在摩擦表面在地球上。
双方气垫船具有相同的引擎，并提供一个100N.外力在A气垫船有500公斤乙气垫船设有750公斤的重物。
）谁将赢得这场比赛，为什么？
8
EP
（学生不能立刻回答，需要计算）
9
EP
嗯，他们可以在同一时间到达？
......不，我不知道....现在，先生，是他们的摩擦力相等？
......不，摩擦力是不同的，15和20N。
他们的外力推动是相同的。
在这里，我们将计算其加速度。
10
EP
（学生做计算。
）
11
EP
在这里，气垫船1比其他快。
因为它的加速度大于其他。
因此，a1>a2
12
Ⅰ
我现在想回到第一个问题。
在这个问题上，你没有做计算。
这个问题的你可以应用第二定律吗
13
EP
当没有摩擦力时，能否应用第二定律？
14
Ⅰ
好了，但让我们试试吧！
15
EP
等一下，但在太空间没有摩擦。
16
Ⅰ
你不想用它，但让我们一起应用...
17
Ⅰ
学生不情愿地计算出飞船的加速度，他们发现a1>a2
18
Ⅰ
看看结果！
我们发现a1>a2
19
EP
是的
20
Ⅰ
你一开始说什么？
21
EP
我说，他们在同一时间到达...因为外太空没有摩擦...
22
Ⅰ
TN，我们有两个结果。
你喜欢哪一个
23
EP
现在，......好像......根据这个问题，我不喜欢这一点，因为没有摩擦。
如果有摩擦，我用这些结果。
24
Ⅰ
你说，有一些条件，套用这个规律呢？
25
EP
目前在外层空间没有摩擦。
但有摩擦地球。
我们用这股力量在动力学问题。
例如，Fs=μN。
此外，地球也有引力。
因此，表面发生反应。
在外太空，因为没有引力，没有重量。
因为没有重量，也没有表面反应。
在这种情况下，第二定律是不适用。
正如我所说的，第一个问题发生在无摩擦的外太空，这就是为什么我没有做计算。
4.2.1自发转移的会议。
自发的转移意味着转账，且“学习者出现自发创建关联未经面试官任何额外的外部输入'（Rebello等，2004）。
该EP的自发传输中的外太空比赛问题1-2行和摩擦比赛问题行7-11进行。
EF议会，没有摩擦的外空问题比有摩擦表面的比赛问题更迅速。
他预计在1s内面试官的的太空竞赛问题的结果问题，反之84号的摩擦面的问题后。
他预计在1s内面试官的太空竞赛问题的结果问题，反之84s之后的摩擦面的问题。
根据EP，在外层空间的太空船，在同一时间到达，但在摩擦表面的一个具有较小的质量将会赢得比赛（第2行中的表5）。
然而，在摩擦表面种族问题的EP依赖于加速度的比较，并给出了回应“在这里，气垫船1比其它要快，因为它的加速度大于其他。
因此，a1>a2（在表5中第11行）。
两个问题之间的回答时间区别更大对于大多数学生。
平均回答时间是6s的太空竞赛和98s的摩擦表面。
少数学生甚至不等待面试官的提问结束时，他们才就作出回应。
表6，各种例子已经给出证明回应学生自发性的摩擦外太空比赛问题。
学生FA简要，明确的答案与“没有赢家！
”尽快结束采访
问的问题（实施例1在表6）。
一些学生认为在摩擦表面比赛“这里...有摩擦。
然后......我必须先......进行计算'并避免给人一种自发的答案。
在面试官提问之后，学生75s给他的回应。
对于这个学生在外空问题上的响应时间只有1s。
在另一个例子中，面试官问的空间问题，并在5秒内，学生EC回答：
“因为，空间与质量无关系，飞船同一时间到达（实施例5中表6）。
但是，当面试官问的摩擦面的问题，EC给了以下回答“其中有更大的加速度赢得比赛：
这个问题后回答115秒。
首先，我要确定加速度“。
这些例子表明，学生们自发的提出与空间的问题，但谨慎的思考有关地球的问题。
在18名学生给出了与外太空比赛问题预言的自发性线索，为什么31名学生不运用运动学规律，因此不玩了MMM的游戏。
这种自发性也是一个预断，防止这些学生从定量推理有关情况的指示。
这样做的原因预测不运用运动定律在外太空，将在下面解释。
表6在一个无摩擦的空间介质预测比赛：
学生自发性玩下午的比赛。
例子
对话
反应时间
1
I你认为哪个会是赢家？
（00:
24）
FA没有赢家（00:
25）
1
2
I你认为哪个会是赢家？
（00:
34）
EY没有赢家，连个飞船会同时到达。
（00:
36）
2
3
I你认为哪个会是赢家？
（00:
27）
OAA和B都不会赢，他们相等。
（00:
29）
2
4
I你认为哪个会是赢家？
（00:
38）
ANT：
据我所知，没有赢家（00:
43）
5
5
I你认为哪个会是赢家？
（00:
45）
EC在太空中质量不是问题，他们会同时到达（00:
50）
5
4.2.2在外层空间应用FPD有困难。
在外层空间应用FPD有困难。
EP在摩擦表面运用FPD没有困难。
不过，他并没有把它应用在无摩擦的外太空。
面试官迫使EP在太空竞赛问题（lines12-19表5）应用牛顿第二定律。
但EP抵抗。
对EP说两次，没有摩擦（线13和表5中15）。
事实上，在比赛中没有任何摩擦能阻止他运用FPD。
在面试官第三请求后，EP勉强计算出飞船的加速度。
该EP不希望应用FPD在外层空间的事实表明：
缺乏条件称为在一个认知游戏方面的条目和结束的条件。
在这个例子中我们看到的EP不适用第二定律，因为他认为有摩擦是一个入门条件。
计算和比较了飞船的加速度后，他不能断定，根据加速度的结果，因为一个结束条件，缺乏与预期的重叠。
这些结果清楚地表明：
瑞迪施（2006年，第10页）解释说，应该更多的解决问题而不是学习事实和规则。
除了事实和规则，进入和结束条件对解决一个问题是重要的。
因此，这样的分析也显示一个认知游戏了解一些学生的困难的理论框架的有效性。
一个MMM认知游戏的这个结构成分也正因为判决前，空间不适用FPD的原因。
虽然有些学生经常建议一个无摩擦的外太空不适用FPD，我们将在下面看到，这个词没有对应的摩擦力的概念，用于指定接触面。
根据这些学生的运用，我们将在下面看到为什么牛顿第二定律不能在外太空应用。
4.2.3为什么牛顿第二定律不适合在外层空间适用吗？
在线索移交部分（两个问题之间的反应进行比较，在表5，20-25行）EP继续争论的摩擦，并解释了他的知觉空间（即没有重力，没有重量，没有表面反应），导致他断言，在空间中飞行（第4行中的表5）。
事实上，摩擦这一术语并不完全是摩擦物理学中的概念一致。
对于EP，该摩擦是指接触。
如果一个物体在与任何表面接触，FPD可以被应用。
但是，如果一个物体漂浮在太空中，EP找不到FPD被应用原型情况。
根据EP，因为有在外层空间没有重力，没有力向下。
在这种情况下，没有与任何表面接触，在没有水平力向相反的方向移动。
对于EP只有一个力：
推力。
在这个问题语句中给出。
由于对两个飞船这股力量是相同的，EP代表该不同质量的2个飞船在同一时间到达。
有观点认为，没有重力和没有摩擦，没有与任何表面相当普遍接触。
FPD不是有效的。
表7显示了学生的问题的答案“是牛顿第二定律在外太空是否有效？
“因此，学生感知摩擦力是与任何表面的接触。
这些学生明确或隐含地解释说，他们不能应用FPD。
例如，在实施例1和2中，学生提到，”宇航员的飞“'的解释是，不存在摩擦的空间。
与任何表面非接触是隐含在这个例子。
同样，在实施例3和4的学生表示物体在空间飞，然后该物体不能加速，因为那里是没有摩擦的空间。
非加速度的基本事实是不接触。
在例子5-12中，非接触的想法是更清楚地解释。
该学生表示，对象不能保持固定的，由于摩擦点和非重力空间，然后他们飞，最显着的解释是例子13和14，这里，学生表示在空间FPD不是有效性通过绘制数字。
他先画了一个物块上表面施加的力量，并解释如何将运动学定律应用到该物块。
后来，他画了个斜面上，并解释如何应用FPD的这个区块。
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