學(xué)生對外層空間的牛頓第二定律的誤解

1、學(xué)生對外層空間的牛頓第二定律的誤解摘要學(xué)生的迷思概念，在摩擦表面和太空關(guān)于牛頓第二定律進(jìn)行了調(diào)查。根據(jù)認(rèn)知游戲，形成研究理論框架。術(shù)語“認(rèn)知”是指學(xué)生在參與解決問題的活動(dòng)中建構(gòu)新知識(shí)的一種手段。該術(shù)語'游戲'是指一個(gè)連貫的活動(dòng)，包括移動(dòng)和規(guī)則。一組學(xué)生被要求解決兩個(gè)類似牛頓第二定律問題，被調(diào)查者是116名本科生，其中之一就是在地球上，另一個(gè)在外太空，研究結(jié)果表明，是學(xué)生認(rèn)知的游戲喜好和比賽型（外層空間或摩擦表面）的問題之間的顯著差異。所以，當(dāng)它來到的空間，學(xué)生誰用牛頓第二定律在地上不適用本定律，使用原始的推理。在這些學(xué)生中自愿參與訪談的有18個(gè)學(xué)生。訪談?dòng)涗浀姆治霰砻鳎海?）術(shù)

2、語“空間”造成阻礙學(xué)生自發(fā)性使用牛頓第二定律; （2）學(xué)生質(zhì)疑在太空中應(yīng)用牛頓第二定律，由于缺乏摩擦的條件; （3）學(xué)生因?yàn)楦鞣N原因，認(rèn)為牛頓第二定律在空間是無效的，但大多基于這樣一個(gè)事實(shí)，即物體在空間不與一個(gè)表面相接觸。關(guān)鍵詞：物理教育，牛頓第二定律，認(rèn)知游戲，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移1引言運(yùn)動(dòng)及其成因之間的關(guān)系已經(jīng)由牛頓正確地解釋了已被稱為牛頓第二定律定律。此法的一個(gè)具體情況下，可以通過一個(gè)簡單的等式來表示，F(xiàn) =ma, 質(zhì)量是常數(shù)。這是運(yùn)動(dòng)學(xué)（FPD）的基本原則。在具體情況下這個(gè)公式看起來是很簡單。表1 根據(jù)教科書中該問題被設(shè)置分配牛頓第二定律的問題當(dāng)施加這兩個(gè)力在同一個(gè)物體上，并且物體的質(zhì)量是已知的。

3、但是，研究物理教育已經(jīng)表明，使用這種簡單的等式?jīng)]有想象的那么簡單（Coelho 2010） 。在這個(gè)定律概念上，學(xué)生的困難包括（1）力的概念(Clement 1982, Gunstone 1987, Hallouna and Hestenes 1985, Viennot1985),（2）質(zhì)量(Bovet and Halbwachs 1980, Brown and Clement 1992, Galili 1993, 1995, 2001, Givry 2003, Gönen 2008, Halbwachs 1979, Halbwachs et al 1983, Heurtaux 19

4、78, Mullet and Gervais 1990)（3）加速度(Coelho 2010, Tas¸ar 2010, Trowbridge andMcDermott 1981),在這三方面進(jìn)行了調(diào)查。這些研究關(guān)注地球上的運(yùn)動(dòng)。不過，也有文獻(xiàn)涉及摩擦的空間和外星環(huán)境中(Chandler 1991, Brown and Clement 1992, Gürel and Gürdal 2002, Givry 2003, Sharma et al 2004, Gönen 2008)的一些研究。這些研究旨在考察學(xué)生的概念理解，不解決這些問題定量。盡我們所知，至今

5、沒有關(guān)于在摩擦外層空間使用FPD的研究。關(guān)于牛頓第二定律在物理教科書中的應(yīng)用問題一般涉及地球的運(yùn)動(dòng)。表1示出了根據(jù)那里的情況給出，如地球，空間，其他行星或衛(wèi)星介質(zhì)的問題的分布。此表編制，通過分析在三個(gè)物理教科書，國際熟知的實(shí)例（工作問題），問題（概念上的問題）和問題（通常是定量的）。這些教科書的土耳其翻譯是提供給普通物理的主要資源， 學(xué)習(xí)我課程的學(xué)生參加了這項(xiàng)研究。共有361問題（包括樣品和問題），其中對外層空間的只有五個(gè)問題是。這五個(gè)問題中，只有兩個(gè)使用了牛頓第二定律的問題。剔除這兩個(gè)問題，沒有發(fā)現(xiàn)其他問題的計(jì)算使用了牛頓第二定律進(jìn)行。因此，由于給定的牛頓動(dòng)力學(xué)問題僅適用于地球上，

6、可能學(xué)生認(rèn)為牛頓定律，尤其是他的第二定律，只適用于地球上的情況呢？應(yīng)用牛頓第二定律解決圖1中的問題似乎并不難，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)系統(tǒng)，只有一種力使物體移動(dòng)。這是個(gè)虛構(gòu)的問題，而不是要求直接計(jì)算出飛船的加速度值，要求學(xué)生預(yù)測兩個(gè)太空船之間的拉力賽的冠軍。如果他們的加速度進(jìn)行比較，根據(jù)F =ma，在一個(gè)質(zhì)量大情況下有較少的加速度，其中它們的質(zhì)量被認(rèn)為在比賽過程中保持恒定。這意味著，如果兩個(gè)飛船比賽中，一個(gè)具有較小的質(zhì)量將有更多的加速度，因此將獲勝。但是，它不應(yīng)該忘記的是，這兩款車都在外太空，沒有引力質(zhì)量和學(xué)生對慣性質(zhì)量在空間的作用有概念上的困難。在這種情況下，這可能是一種策略，以幫助學(xué)生在嘗試解決這個(gè)問

7、題？可能學(xué)生對牛頓第二定律或慣性質(zhì)量的直觀知識(shí)被認(rèn)為是這樣一種方式，在外太空與質(zhì)量無關(guān)？從這個(gè)角度來看，本研究的目的是分析學(xué)生使用相關(guān)的FPD的在外層空間特定情況下解決問題的策略。假如兩艘飛船在無摩擦的外太空進(jìn)行比賽，兩艘飛船給予同樣大的外力100N，飛船A和B具有相同的發(fā)動(dòng)機(jī)A飛船500kg ,B船750kg ,哪個(gè)飛船會(huì)贏得這場比賽？為什么？(在比賽過程中飛船的質(zhì)量可假設(shè)為不變。)圖1 飛船競賽問題的一個(gè)例子這項(xiàng)研究是指認(rèn)知游戲的理論框架(Tuminaro and Redish 2007)。這個(gè)理論框架提出了一個(gè)認(rèn)知模型識(shí)別和分析解決問題的策略。所以，'什么認(rèn)知游戲激活在什么條件下

8、？'可以通過使用認(rèn)知游戲預(yù)定義在這個(gè)理論框架的分析。1.1解決問題作為一個(gè)游戲：認(rèn)知游戲在本研究中，解決一個(gè)問題被認(rèn)為是一個(gè)認(rèn)知的游戲，一個(gè)連貫的活動(dòng)需要使用特定的知識(shí)和啟動(dòng)一些程序 (Tuminaro and Redish 2007)。在這里，術(shù)語“認(rèn)知”是指學(xué)生在問題解決活動(dòng)中的參與作為構(gòu)建新知識(shí)的一種手段。和術(shù)語'游戲'“是一個(gè)具有本體部件協(xié)調(diào)一致的活動(dòng)，找出游戲中玩家的'東西'，件，一個(gè)打板 和結(jié)構(gòu)的開頭和結(jié)束，動(dòng)作，規(guī)則，這使得它從其他活動(dòng)區(qū)分開“ (Tuminaro and Redish 2007, p 4) 。一個(gè)認(rèn)知游

9、戲中有兩個(gè)主要的本體論和結(jié)構(gòu)部件。本體論的元素包含一個(gè)知識(shí)基礎(chǔ)（即數(shù)學(xué)和物理資源），并有一個(gè)認(rèn)知的形式（即物理方程，口頭解釋，圖像，計(jì)劃等）。結(jié)構(gòu)元素包含入門結(jié)束條件和動(dòng)作。入門結(jié)束條件說明當(dāng)一個(gè)特定的認(rèn)知游戲的開始和結(jié)束。他們還定義了一個(gè)特定問題解決問題的期望。當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們可以被視為任務(wù)。Tuminaro and Redish (2007) 確定了六個(gè)認(rèn)知游戲，通過觀察物理課程。些認(rèn)知游戲中的兩場比賽都很重要，本研究：數(shù)學(xué)映射得意義（MMM）和物理機(jī)制（PM）的游戲。一個(gè)MMM游戲第一解決問題定量，用于通過使用一個(gè)物理方程，然后解釋所計(jì)算的值來預(yù)測所研究的系統(tǒng)的行為或系統(tǒng)參數(shù)的發(fā)展。一個(gè)下

10、午的游戲涉及到的情況，使用直觀的知識(shí)，沒有參考方程式建設(shè)一個(gè)描述性的故事（解釋）。一個(gè)下午的游戲涉及到的情況，使用直觀的知識(shí)，沒有參考方程式建設(shè)一個(gè)描述性的故事（解釋）。一個(gè)MMM游戲有知識(shí)基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)資源和認(rèn)知形式是一個(gè)物理方程。一個(gè)下午的游戲有知識(shí)基礎(chǔ)的推理原語和認(rèn)知形式是口頭解釋。表2 兩種認(rèn)知?jiǎng)幼饔螒蚴歉鶕?jù)Tuminaro和Redish（2007）和我們的外太空比賽問題例子。映射數(shù)學(xué)意義的游戲運(yùn)動(dòng)號(hào)碼運(yùn)動(dòng)在飛船競賽問題1確定目標(biāo)概念加速度的概念2找到與目標(biāo)概念等概念的方程式FPD：F = MA（的情況下，他們的質(zhì)量是目標(biāo)概念，其他概念沿比賽應(yīng)該不變）從這個(gè)方程中每個(gè)飛船的加速度的計(jì)算方法

11、如下。飛船A：F A= 100 N (net force) m A= 500 kg , a A = 100/500 = 0.2 m s-2飛船B：F B= 100 N (net force)m B = 750 kg , a B = 100/750 = 0.13 m s-23講一個(gè)故事用這個(gè)比賽的結(jié)果可以通過比較概念之間的關(guān)系來預(yù)測這場比賽的結(jié)果可以通過比較概念之間的關(guān)系來預(yù)測飛船的加速。因?yàn)樗鼈兊某跏妓俣仁橇悖粋€(gè)有最大加速的飛船會(huì)贏得比賽。4評價(jià)的故事因?yàn)閍 A > a B ，所以飛船A會(huì)贏得比賽物理機(jī)制的游戲1制定一個(gè)關(guān)于物理情況的故事在相同條件下，重物沒有輕物體靈活。因此，更輕的物

12、體比重物運(yùn)動(dòng)更快2評價(jià)的故事由于飛船A和B具有相同的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中一個(gè)500千克飛船比另一個(gè)飛船快MMM游戲和PM游戲上方的外太空問題的例子是表1為圖1中呈現(xiàn)的比賽問題給出。在這個(gè)問題中，學(xué)生的任務(wù)是預(yù)測哪些飛船將贏得比賽。兩種策略使得能夠回答這個(gè)問題。首先，是應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論來計(jì)算飛船的加速度。由于這兩個(gè)飛船是在一個(gè)拉力賽沒有初始速度，那里面大多數(shù)的加速會(huì)更快根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：V=at。在這種策略，、數(shù)學(xué)被使用。其他的策略，沒有明確提及物理學(xué)原理，是基于這樣的事實(shí)，該輕的宇宙飛船將贏得比賽。在這第二個(gè)策略，我們不使用數(shù)學(xué)只有依靠原始的推理。以上兩種策略中的表2中運(yùn)動(dòng)術(shù)語的解釋。這里，問題是，一個(gè)是

13、不確定的兩個(gè)事實(shí)：（1）它不是眾所周知，如果學(xué)生將在空間應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律由于空間空的方面; （2）它不知道，如果學(xué)生推理正確， 是由于質(zhì)量往往被忽視。2 這項(xiàng)研究的目的本研究旨在分析學(xué)生對在無摩擦的太空牛頓第二定律的迷思概，要求他們解決兩個(gè)類似的問題，其中之一就是在地球上，另一個(gè)在外層空間。在一個(gè)認(rèn)知游戲的理論框架，制定以下研究問題。l 學(xué)生的認(rèn)知游戲偏好和比賽問題類型（在外空和摩擦表面比賽）之間是否有顯著差異？l 為什么學(xué)生發(fā)揮兩種不同的認(rèn)知游戲在外層空間和摩擦表面進(jìn)行比賽的問題？3 方法本研究采用一種多混合研究方法的方法（2009年克雷斯韋爾）。該方法包括定量和定性研究，其中每一個(gè)響應(yīng)一個(gè)

14、不同的問題的序列組成。 進(jìn)行定量研究，以調(diào)查兩比賽之間的問題和學(xué)生的認(rèn)知游戲偏好。 案例分析研究采用為定性研究。本數(shù)據(jù)來源于紙質(zhì)鉛筆會(huì)話和面試階段。3.1紙，鉛筆會(huì)議紙鉛筆會(huì)議組織根據(jù)本研究的目的，創(chuàng)建一個(gè)相關(guān)的案例。第一個(gè)問題是關(guān)于空間（上文），第二個(gè)是關(guān)于摩擦表面。兩者都涉及飛船之間的競爭與質(zhì)量不同（這些問題在附錄中給出）。在每一個(gè)問題，學(xué)生們被要求預(yù)測（說明理由）哪個(gè)車會(huì)贏得比賽。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生并沒有在他們的提問引導(dǎo)，他們應(yīng)該使用什么樣的策略。他們可以使用牛頓第二定律加速計(jì)算或根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)直覺（即使物理課程沒有完成）問題集在2013-14學(xué)年給予116根據(jù)典型

15、案例抽樣的方法選取的本科生（鑒于2008年， Marshall 1996）。這些學(xué)生來自不同的高中在土耳其24個(gè)城市。所有的學(xué)生都被安置在科學(xué)教學(xué)部，就其在中央民族大學(xué)入學(xué)考試的排名。他們都學(xué)習(xí)了介紹牛頓力學(xué)課程。3.2 采訪會(huì)議根據(jù)該紙，鉛筆會(huì)議的結(jié)果，誰參加MMM游戲中的摩擦表面問題，和下午在外空中的比賽問題的學(xué)生被邀請去采訪會(huì)議。面試根據(jù)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移的理論框架（Rebello等人，2004年），其目的是了解學(xué)生的推理過程組織，特別是“學(xué)生如何根據(jù)他們以前的學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)動(dòng)態(tài)地建立和傳遞知識(shí)”（ Rebello等，2004，第221頁）。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)， 31名學(xué)生被邀請去采訪會(huì)議。其中，18名學(xué)生

16、自愿同意參與。在與這18個(gè)學(xué)生面試環(huán)節(jié)進(jìn)行面談收集資料。在紙鉛筆會(huì)話相同的兩個(gè)問題被要求的學(xué)生。學(xué)生們大聲地回答問題。學(xué)生在面試時(shí)解決問題，并提供解釋時(shí)，有必要供應(yīng)了紙。采用半結(jié)構(gòu)化面試。他們歷時(shí)5-10分鐘，并分為三個(gè)子序列：自發(fā)轉(zhuǎn)移階段，腳手架傳輸階段和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移框架線索移交階段。在自發(fā)轉(zhuǎn)移，面試官不提供外部鏈接。在腳手架轉(zhuǎn)移，學(xué)生們自覺地直接從面試官的問題導(dǎo)致了答案。在線索傳遞，引導(dǎo)學(xué)生看兩個(gè)問題之間的相似性。訪談開始提問“誰贏得比賽？”。這個(gè)問題開始自發(fā)轉(zhuǎn)移。其他一些探索性的問題提出如下。l 你為什么認(rèn)為在外空質(zhì)量并不重要？l 如果他們是在摩擦外太空，你會(huì)怎么回答？l 為什么你對這兩個(gè)問

17、題有不同的反應(yīng)？l 為什么這兩個(gè)問題要使用不同（或相同）的策略來預(yù)測冠軍？l 你會(huì)怎么說，如果這兩個(gè)氣墊船是在地球上的摩擦表面和外空賽車？你會(huì)給出同樣的答案？并要求學(xué)生回答的最后一個(gè)問題是：“是動(dòng)態(tài)的基本原則（F = MA）在外空適用和有效嗎？”。前兩個(gè)問題是腳手架轉(zhuǎn)移和最后四個(gè)問題的例子是線索移交的。3.3 數(shù)據(jù)分析學(xué)生的紙鉛筆測試按照所發(fā)揮的認(rèn)知游戲，如MMM游戲和PM游戲編碼分為兩類。如果學(xué)生的解決方案是比較加速度包括物理方程，這些解決方案被編碼為一個(gè)MMM游戲。相反，如果解決方案包括一個(gè)描述性的口頭故事而不是方程如“質(zhì)量越大速度越小”或慣性質(zhì)量不重要性諸如“質(zhì)量與空間沒關(guān)系”的誤解，它

18、被編碼為一個(gè)下午的游戲。在此基礎(chǔ)上編碼，卡方檢驗(yàn)用來調(diào)查認(rèn)知游戲的偏好和兩個(gè)比賽問題類型之間是否有顯著差異。根據(jù)這個(gè)測試的結(jié)果，學(xué)生誰參加了MMM游戲中的摩擦面的問題，和下午在太空問題上的比賽，則被邀請采訪會(huì)議。在訪談筆錄和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移相鑒別。然后計(jì)算觸發(fā)自發(fā)轉(zhuǎn)移的初始問題回答次數(shù)，和他們的兩個(gè)問題進(jìn)行比較。在外太空比賽問題運(yùn)用第二定律的困難被確定在腳手架傳輸階段。在這部分的采訪中，困難被認(rèn)為是認(rèn)知游戲的進(jìn)入和結(jié)束的條件進(jìn)行了鑒定。最后，學(xué)生的反應(yīng)進(jìn)行分類的線索傳遞給部分，使我們能夠確定為什么學(xué)生認(rèn)為，牛頓第二定律不能在空間應(yīng)用。4 發(fā)現(xiàn)4.1 學(xué)生的認(rèn)知游戲的喜好已經(jīng)回答了空間和摩擦競賽題的11

19、6名學(xué)生的這些問題的答案和認(rèn)知游戲扮演列于表3。根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，下面的發(fā)現(xiàn)可以從學(xué)生的預(yù)測和認(rèn)知游戲激活突出顯示。l 學(xué)生的反應(yīng)已經(jīng)積累了周圍的預(yù)言“A勝'和'一樣'。在外太空比賽問題“一樣”的預(yù)測提請注意。表3 學(xué)生的答案與認(rèn)知游戲表4外層空間比賽和摩擦表面問題的交叉制表統(tǒng)計(jì)。l 使用運(yùn)動(dòng)學(xué)定律進(jìn)行MMM的游戲解決兩個(gè)飛船比賽問題，往往會(huì)導(dǎo)致正確的回答。然而，出乎MMM的游戲，下午玩游戲的沒保證正確的預(yù)測，特別是在無摩擦的外太空的問題。l MMM的比賽是認(rèn)知游戲被學(xué)生首選在兩種比賽介質(zhì);但是，在外太空比賽問題時(shí)，使用PM的增加。為了探討一些學(xué)生他們從外太空比賽問題遷

20、移到摩擦表面的比賽問題的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，在表4中給出的交叉制表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做了。根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，79學(xué)生誰回答這兩個(gè)問題并持續(xù)同樣參加了認(rèn)知游戲關(guān)于比賽問題。31名學(xué)生（請參閱表3粗體數(shù)據(jù)）改變認(rèn)知的游戲，當(dāng)比賽問題被修改。根據(jù)表4的數(shù)據(jù)卡方檢驗(yàn)的結(jié)果表明，有一個(gè)激活認(rèn)知游戲和比賽問題的類型之間顯著差異（X2（2）= 30， 158; P <0.05）。31名學(xué)生參與MMM游戲的摩擦表面，并在下午參加外太空比賽。這就是他們摩擦表面使用運(yùn)動(dòng)學(xué)定律，而在外空不使用運(yùn)動(dòng)學(xué)定律。這一發(fā)現(xiàn)表明，一些學(xué)生的認(rèn)知游戲喜好在兩個(gè)類似的問題（在外層空間和地球上的摩擦表面）之間切換。因此，第一個(gè)研究問題已經(jīng)回答。4

21、.2 訪談分析參加MMM游戲的摩擦面的問題和PM游戲的外空問題的學(xué)生被邀請去采訪會(huì)議。作為一個(gè)例子，與極限壓力的整個(gè)面試，列在表5 。這個(gè)采訪的分析將與在其他訪談的發(fā)現(xiàn)得到支持。這次采訪持續(xù)了10分鐘，可分為三個(gè)部分按照每個(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移：（1）與面試官的主要問題開始自發(fā)轉(zhuǎn)移（1-4行和17-24行）; （2）與面試官的提問腳手架上開始傳輸 這證明學(xué)生的自發(fā)轉(zhuǎn)移（行5-16）的原因; （3）轉(zhuǎn)讓線索的由給定的兩個(gè)類似問題的回應(yīng)的比較與觀察問題（行23-31）?；谶@些傳輸部分，我們將重點(diǎn)介紹和分析回答兩個(gè)問題時(shí)，有關(guān)學(xué)生的方式三點(diǎn)：（1）自發(fā)地或謹(jǐn)慎的回應(yīng)在外空間和摩擦表面的兩個(gè)比賽的問題和不同的反

22、應(yīng)和推理; （2）難以發(fā)揮MMM游戲中的摩擦外空問題;及（3）在無摩擦在外空問題牛頓第二定律的非有效性。表5 采訪學(xué)生的極限壓力1誰將會(huì)贏這場比賽？為什么？2EP這兩個(gè)飛船同一時(shí)間到達(dá)！3為什么？4EP因?yàn)椴淮嬖谀Σ羶蓚€(gè)物體在同一時(shí)間到達(dá)。此外，在外太空，當(dāng)我們拋出兩個(gè)對象，例如大象和羽毛，它們都會(huì)飛5你說質(zhì)量不重要。6EP所以，質(zhì)量在外層空間沒關(guān)系。這些都是那些馬上浮現(xiàn)在腦海中。最終，沒有摩擦。7好吧。而另一個(gè)問題。想象一下.（圖中兩個(gè)氣墊船競相在摩擦表面在地球上。雙方氣墊船具有相同的引擎，并提供一個(gè)100 N.外力在A氣墊船有500公斤乙氣墊船設(shè)有750公斤的重物。）誰將贏得這場比賽，為什

23、么？8EP（學(xué)生不能立刻回答，需要計(jì)算）9EP嗯，他們可以在同一時(shí)間到達(dá)？ .不，我不知道.現(xiàn)在，先生，是他們的摩擦力相等？ .不，摩擦力是不同的，15和20 N。他們的外力推動(dòng)是相同的。在這里，我們將計(jì)算其加速度。10EP（學(xué)生做計(jì)算。）11EP在這里，氣墊船1比其他快。因?yàn)樗募铀俣却笥谄渌?。因此，a1 > a212我現(xiàn)在想回到第一個(gè)問題。在這個(gè)問題上，你沒有做計(jì)算。這個(gè)問題的你可以應(yīng)用第二定律嗎13EP當(dāng)沒有摩擦力時(shí)，能否應(yīng)用第二定律？14好了，但讓我們試試吧！15EP等一下，但在太空間沒有摩擦。16你不想用它，但讓我們一起應(yīng)用.17學(xué)生不情愿地計(jì)算出飛船的加速度，他們發(fā)現(xiàn)a1 &

24、gt; a218看看結(jié)果！我們發(fā)現(xiàn)a1 > a219EP是的20你一開始說什么？21EP我說，他們在同一時(shí)間到達(dá).因?yàn)橥馓諞]有摩擦.22TN，我們有兩個(gè)結(jié)果。你喜歡哪一個(gè)23EP現(xiàn)在，.好像.根據(jù)這個(gè)問題，我不喜歡這一點(diǎn)，因?yàn)闆]有摩擦。如果有摩擦，我用這些結(jié)果。24你說，有一些條件，套用這個(gè)規(guī)律呢？25EP目前在外層空間沒有摩擦。但有摩擦地球。我們用這股力量在動(dòng)力學(xué)問題。例如，F(xiàn)s=N。此外，地球也有引力。因此，表面發(fā)生反應(yīng)。在外太空，因?yàn)闆]有引力，沒有重量。因?yàn)闆]有重量，也沒有表面反應(yīng)。在這種情況下，第二定律是不適用。正如我所說的，第一個(gè)問題發(fā)生在無摩擦的外太空，這就是為什么我沒有做

25、計(jì)算。4.2.1自發(fā)轉(zhuǎn)移的會(huì)議。自發(fā)的轉(zhuǎn)移意味著轉(zhuǎn)賬，且“學(xué)習(xí)者出現(xiàn)自發(fā)創(chuàng)建關(guān)聯(lián)未經(jīng)面試官任何額外的外部輸入' （Rebello等，2004 ） 。該EP的自發(fā)傳輸中的外太空比賽問題1-2行和摩擦比賽問題行7-11進(jìn)行。 EF議會(huì)，沒有摩擦的外空問題比有摩擦表面的比賽問題更迅速。他預(yù)計(jì)在1 s內(nèi)面試官的的太空競賽問題的結(jié)果問題，反之84號(hào)的摩擦面的問題后。他預(yù)計(jì)在1 s內(nèi)面試官的太空競賽問題的結(jié)果問題，反之84s之后的摩擦面的問題。根據(jù)EP，在外層空間的太空船，在同一時(shí)間到達(dá)，但在摩擦表面的一個(gè)具有較小的質(zhì)量將會(huì)贏得比賽（第2行中的表5）。然而，在摩擦表面種族問題的EP依賴于加速度的比

26、較，并給出了回應(yīng)“在這里，氣墊船1比其它要快，因?yàn)樗募铀俣却笥谄渌?。因此，a1 > a2（在表5中第11行）。兩個(gè)問題之間的回答時(shí)間區(qū)別更大對于大多數(shù)學(xué)生。平均回答時(shí)間是6s的太空競賽和98 s的摩擦表面。少數(shù)學(xué)生甚至不等待面試官的提問結(jié)束時(shí)，他們才就作出回應(yīng)。表6，各種例子已經(jīng)給出證明回應(yīng)學(xué)生自發(fā)性的摩擦外太空比賽問題。學(xué)生FA簡要，明確的答案與“沒有贏家！”盡快結(jié)束采訪 問的問題（實(shí)施例1在表6）。一些學(xué)生認(rèn)為在摩擦表面比賽 “這里.有摩擦。然后.我必須先.進(jìn)行計(jì)算'并避免給人一種自發(fā)的答案。在面試官提問之后，學(xué)生75s給他的回應(yīng)。對于這個(gè)學(xué)生在外空問題上的響應(yīng)時(shí)間只有1s

27、。在另一個(gè)例子中，面試官問的空間問題，并在5秒內(nèi)，學(xué)生EC回答： “因?yàn)椋臻g與質(zhì)量無關(guān)系，飛船同一時(shí)間到達(dá)（實(shí)施例5中表6）。但是，當(dāng)面試官問的摩擦面的問題，EC給了以下回答 “其中有更大的加速度贏得比賽：這個(gè)問題后回答115秒。首先，我要確定加速度“。這些例子表明，學(xué)生們自發(fā)的提出與空間的問題，但謹(jǐn)慎的思考有關(guān)地球的問題。在18名學(xué)生給出了與外太空比賽問題預(yù)言的自發(fā)性線索，為什么31名學(xué)生不運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，因此不玩了MMM的游戲。這種自發(fā)性也是一個(gè)預(yù)斷，防止這些學(xué)生從定量推理有關(guān)情況的指示。這樣做的原因預(yù)測不運(yùn)用運(yùn)動(dòng)定律在外太空，將在下面解釋。表6在一個(gè)無摩擦的空間介質(zhì)預(yù)測比賽：學(xué)生自發(fā)性

28、玩下午的比賽。例子對話反應(yīng)時(shí)間1I 你認(rèn)為哪個(gè)會(huì)是贏家？ （00:24） FA 沒有贏家(00:25)12I 你認(rèn)為哪個(gè)會(huì)是贏家？ （00:34） EY 沒有贏家，連個(gè)飛船會(huì)同時(shí)到達(dá)。(00:36)23I 你認(rèn)為哪個(gè)會(huì)是贏家？ （00:27） OA A和B都不會(huì)贏，他們相等。(00:29)24I 你認(rèn)為哪個(gè)會(huì)是贏家？(00:38) ANT： 據(jù)我所知，沒有贏家(00:43)55I 你認(rèn)為哪個(gè)會(huì)是贏家？ （00: 45） EC 在太空中質(zhì)量不是問題，他們會(huì)同時(shí)到達(dá)(00:50) 54.2.2在外層空間應(yīng)用FPD有困難。在外層空間應(yīng)用FPD有困難。EP在摩擦表面運(yùn)用FPD沒有困難。不過，他并沒有把

29、它應(yīng)用在無摩擦的外太空。面試官迫使EP在太空競賽問題（lines12-19表5）應(yīng)用牛頓第二定律。但EP抵抗。對EP說兩次，沒有摩擦（線13和表5中15）。事實(shí)上，在比賽中沒有任何摩擦能阻止他運(yùn)用FPD。在面試官第三請求后，EP勉強(qiáng)計(jì)算出飛船的加速度。該EP不希望應(yīng)用FPD在外層空間的事實(shí)表明：缺乏條件稱為在一個(gè)認(rèn)知游戲方面的條目和結(jié)束的條件。在這個(gè)例子中我們看到的EP不適用第二定律，因?yàn)樗J(rèn)為有摩擦是一個(gè)入門條件。計(jì)算和比較了飛船的加速度后，他不能斷定，根據(jù)加速度的結(jié)果，因?yàn)橐粋€(gè)結(jié)束條件，缺乏與預(yù)期的重疊。這些結(jié)果清楚地表明：瑞迪施（2006年，第10頁）解釋說，應(yīng)該更多的解決問題而不是學(xué)習(xí)

30、事實(shí)和規(guī)則。除了事實(shí)和規(guī)則，進(jìn)入和結(jié)束條件對解決一個(gè)問題是重要的。因此，這樣的分析也顯示一個(gè)認(rèn)知游戲了解一些學(xué)生的困難的理論框架的有效性。一個(gè)MMM認(rèn)知游戲的這個(gè)結(jié)構(gòu)成分也正因?yàn)榕袥Q前，空間不適用FPD的原因。雖然有些學(xué)生經(jīng)常建議一個(gè)無摩擦的外太空不適用FPD，我們將在下面看到，這個(gè)詞沒有對應(yīng)的摩擦力的概念，用于指定接觸面。根據(jù)這些學(xué)生的運(yùn)用，我們將在下面看到為什么牛頓第二定律不能在外太空應(yīng)用。4.2.3為什么牛頓第二定律不適合在外層空間適用嗎？在線索移交部分（兩個(gè)問題之間的反應(yīng)進(jìn)行比較，在表5， 20-25 行）EP繼續(xù)爭論的摩擦，并解釋了他的知覺空間（即沒有重力，沒有重量，沒有表面反應(yīng)）

31、，導(dǎo)致他斷言，在空間中飛行（第4行中的表5） 。事實(shí)上，摩擦這一術(shù)語并不完全是摩擦物理學(xué)中的概念一致。對于EP，該摩擦是指接觸。如果一個(gè)物體在與任何表面接觸， FPD可以被應(yīng)用。但是，如果一個(gè)物體漂浮在太空中，EP找不到FPD被應(yīng)用原型情況。根據(jù)EP，因?yàn)橛性谕鈱涌臻g沒有重力，沒有力向下。在這種情況下，沒有與任何表面接觸，在沒有水平力向相反的方向移動(dòng)。對于EP只有一個(gè)力：推力。在這個(gè)問題語句中給出。由于對兩個(gè)飛船這股力量是相同的，EP代表該不同質(zhì)量的2個(gè)飛船在同一時(shí)間到達(dá)。有觀點(diǎn)認(rèn)為，沒有重力和沒有摩擦，沒有與任何表面相當(dāng)普遍接觸 。FPD不是有效的。表7顯示了學(xué)生的問題的答案“是牛頓第二定律

32、在外太空是否有效？“因此，學(xué)生感知摩擦力是與任何表面的接觸。這些學(xué)生明確或隱含地解釋說，他們不能應(yīng)用FPD 。例如，在實(shí)施例1和2中，學(xué)生提到，”宇航員的飛“'的解釋是，不存在摩擦的空間。與任何表面非接觸是隱含在這個(gè)例子。同樣，在實(shí)施例3和4的學(xué)生表示物體在空間飛，然后該物體不能加速，因?yàn)槟抢锸菦]有摩擦的空間。非加速度的基本事實(shí)是不接觸。在例子5-12中，非接觸的想法是更清楚地解釋。該學(xué)生表示，對象不能保持固定的，由于摩擦點(diǎn)和非重力空間，然后他們飛，最顯著的解釋是例子13和14，這里，學(xué)生表示在空間FPD不是有效性通過繪制數(shù)字。他先畫了一個(gè)物塊上表面施加的力量，并解釋如何將運(yùn)動(dòng)學(xué)定律應(yīng)

33、用到該物塊。后來，他畫了個(gè)斜面上，并解釋如何應(yīng)用FPD的這個(gè)區(qū)塊。還有其他的例子，原型的情況下應(yīng)用牛頓第二定律被證明。然而在外太空學(xué)生找不到原型的局面。表7 學(xué)生對在外層空間的FPD的有效性反應(yīng)?；卮饐栴}，在外空適用“動(dòng)力學(xué)的基本原則（F = ma）是否有效？“1它是無效的，因?yàn)闆]有摩擦的空間。例如宇航員不斷在太空中飛行。2在外太空牛頓第二定律是無效。由于這種介質(zhì)中沒有空氣阻力，物體無法加速。3它是無效的。沒有加速度，因?yàn)榱惚砻婺Σ亮ΑＳ捎跊]有摩擦物質(zhì)飛在太空中。因?yàn)闆]有加速度的力F是無效4在外空牛頓第二定律是無效。由于物質(zhì)靜止。所以，無論是身體移動(dòng)以恒定的速度或他們?nèi)匀粦腋≈?。由于加速度是?/p>

34、，這個(gè)定律是無效的。5該物質(zhì)在太空中飛行，因?yàn)樗麄儾粫?huì)受到引力。它們的質(zhì)量是不受到任何摩擦或重力。如果有摩擦或重力他們可以保持，而不是飛在外太空，這關(guān)系到他們的運(yùn)動(dòng)。6在無摩擦的外太空牛頓第二定律是無效的。因?yàn)樯眢w沒有重量和物質(zhì)繼續(xù)懸著。7該物質(zhì)在太空中飛行，因?yàn)闆]有引力。它們的質(zhì)量都不會(huì)提交到摩擦或重力。如果有摩擦或重力他們可以保持其與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，而不是飛行在太空。8不存在摩擦和沒有引力。那么這個(gè)定律是無效的。9在外空間F= ma是無效的。由于沒有重力的太空物質(zhì)繼續(xù)懸浮。由于沒有重力，沒有任何摩擦力和沒有速度，沒有加速，在外空這個(gè)定律是無效。10當(dāng)然，我們在外太空是有質(zhì)量的。但所有物質(zhì)繼續(xù)懸

35、浮，因?yàn)闆]有重力。因此，力將不會(huì)受到影響，這個(gè)定律是無效。11由于沒有空氣阻力和重力，質(zhì)量對于空間是不要緊的。在空間F= ma是無效的。12如果沒有引力的物體不能停留在一個(gè)點(diǎn)上。我們采取考慮質(zhì)量為m的適用本定律。沒有摩擦的空間，那么這個(gè)定律是不是在空間有效的。13比如在這里，我們從F中減去Fs在這里，我們從Mg sin 減去Fs 求出 F的值但是，由于太空中沒有摩擦，沒有引力，我們不能說F= ma。14目前在外層空間沒有摩擦。但地球上有摩擦。我們用這個(gè)力解決動(dòng)力學(xué)問題。例如，F(xiàn)s =N。此外，地球上也有引力。因此，表面發(fā)生反應(yīng)。在外太空，因?yàn)闆]有引力，沒有重量。因?yàn)闆]有重量，也沒有表面反應(yīng)。在

36、這種情況下，第二定律是不適用。幾位同學(xué)的支持與牛頓的定律在FPD時(shí)是沒有效的，除非與任何表面在空間時(shí)接觸的。舉例來說，例如表81中，本學(xué)生表示，F(xiàn)PD沒用，是因?yàn)槟抢锸菦]有摩擦的空間。然后，她支持這一結(jié)論的事實(shí)，牛頓還沒有在沒有摩擦外空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn) “。另一名學(xué)生（例如2）解釋的牛頓的靈感來自蘋果從一棵樹上下降。這種想法導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為牛頓證明了地球引力。在最后一個(gè)例子中，學(xué)生通過解釋FPD的非有效性 ，牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律適用于地球與現(xiàn)代物理學(xué)定律適用于外層空間。表8 學(xué)生對牛頓定律的看法。回答問題“是運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本原則（F = ma）在外層空間運(yùn)用，是否有效？“1沒有，它是無效的。如果沒有摩擦動(dòng)力學(xué)

37、的基本原理是錯(cuò)誤的。牛頓曾經(jīng)提出運(yùn)動(dòng)定律， 但他還沒有嘗試在無摩擦的外太空。所以肯定是無效的。2FPD的是無效的，因?yàn)樵谔罩袥]有重力。即使是牛頓的靈感來自從蘋果從樹上下落。因此，他證明了地球引力。但身體不能向下的空間運(yùn)動(dòng)。宇航員仍然漂浮不動(dòng)，甚至飛。3牛頓定律可以在人類日常生活中使用，而現(xiàn)代物理學(xué)的定律是在太空中有效。最后，旨在尋找關(guān)于第二個(gè)研究問題采訪會(huì)話的回答： “為什么學(xué)生在外層空間和摩擦表面的比賽問題有兩種不同的認(rèn)知游戲？ “ 。據(jù)觀察，一些學(xué)生自發(fā)地回應(yīng)了外太空問題。當(dāng)一些學(xué)生聽說過這個(gè)詞“空間” ，它們放棄數(shù)學(xué)計(jì)算。這種自發(fā)性阻止這些學(xué)生利用牛頓第二定律。雖然參加了面試

38、環(huán)節(jié)的學(xué)生知道并正確地在地球上運(yùn)用牛頓第二定律，他們認(rèn)為摩擦力的概念，是認(rèn)知游戲的入門條件，才能適用本定律。因此，學(xué)生認(rèn)為牛頓第二定律在外太空不是有效。在采訪會(huì)議的學(xué)生關(guān)于這種誤解有：（1）物體飛或漂浮在空間;（2）事實(shí)上物體不與空間中的任何表面接觸;（3）學(xué)生對牛頓定律的看法。5、討論一個(gè)方面這項(xiàng)工作促使如何把牛頓第二定律列于教科書。此前的分析表明，通常是給定的問題是在地球上。幾乎沒有發(fā)現(xiàn)例子或關(guān)于外空問題。因此，觀察到有些學(xué)生在外層空間不能開發(fā)一個(gè)原型的情景。一些學(xué)生試圖解釋為什么FPD是無效的，通過在空間繪制地球介質(zhì)中的原型局面的事實(shí)，清楚地表明了這一結(jié)果。這個(gè)原型的情況可以被定義為一個(gè)

39、背景下，學(xué)生根據(jù)上下文為基礎(chǔ)即通過建構(gòu)主義有意義的學(xué)（Finkelstein 2005）使牛頓第二定律。這個(gè)原型的搜索可以被視為解決問題的一個(gè)分類。問題分類是其解決方案的必要重要的一步（(Dumas - Carré and Goffard 1997, Savrda 2007）。然而，Gray (2004)認(rèn)為學(xué)生對兩個(gè)內(nèi)容之間有類似的看法，是作為易轉(zhuǎn)移的相同的知識(shí)的條件。本研究的結(jié)果表明，一些學(xué)生沒有察覺到在外層空間和摩擦表面的比賽問題是在同一背景下。他們意識(shí)到了牛頓第二定律在摩擦面的問題的情況，卻沒有再課本中找到太空競賽的問題。因此，應(yīng)用FPD在地球上是一個(gè)常規(guī)的問題，并根據(jù)Bodners（1991）的分類問題，將其應(yīng)用于太空中是有問題的。這里有很多實(shí)驗(yàn)裝置，可以用來教FPD。可以通過使用鼓風(fēng)機(jī)或磁性設(shè)備，以減少摩擦的效果。然而它是不可能把外空的設(shè)備引進(jìn)課堂。空間對學(xué)生來說是一個(gè)未知的和不熟悉的環(huán)境。關(guān)于空間物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)生的觀察僅限于宇航員漂浮在航天飛機(jī)或在科幻電影中的影像。這種看法和奇怪的狀態(tài)，導(dǎo)致一些學(xué)生認(rèn)為，在空間是FPD的無效。一些學(xué)生甚至提出一個(gè)比喻（自由下落的羽毛和大象），以支持他們的想法。這結(jié)果說明關(guān)于引力空間(Gilbert et al 1982, Galili 2001, Sharma e