运动学表征能力的评估外文翻译资料

运动学表征能力的评估

P. Klein，1，* A.Muuml;ller，2和J. Kuhn 1

1凯泽斯劳滕大学物理教育研究组物理系，Erwin-Schrouml;dinger-Straszlig;e46，67663德国凯泽斯劳滕2理科/物理科和教师教育研究所，日内瓦大学Pavillon dUni Mail，Boulevard du Pont dArve 40，CH-1211，瑞士日内瓦

（2016年9月22日收到; 2017年4月26日收到修订稿; 2017年6月26日公布）

摘要：介绍了运动学领域（KiRC）具有代表性能力的双层仪器，专为标准（第一年）基于微积分的入门力学课程而设计。它包含11个倍数选择（MC）和7个多重真实错误（MTF）问题涉及多种代表性格式，例如图表，图片和正式（数学）表达式（第一层）。此外，学生表达自己的想法回答对选定项目的信心，提供更多信息（第二层）。测量字符 - KiRC的等效性在验证样本中进行评估（预测和后测，N = 83和N = 46，分别），包括衡量学习收益的有用性。有效性通过访谈和基准检查来检查KiRC针对相关措施。项目难度、歧视性和一致性的价值在理想中范围;特别是获得了良好的可靠性（KR20 = 0.86）。计算置信区间并且复制研究在后者中产生了价值。为实际和研究目的，KiRC作为一个诊断工具超越了现有的相关仪器，既有代表性的格式（例如，数学表达式）以及所涵盖内容的范围（例如坐标系统的选择）。加上令人满意的心理测量特性，它似乎是一种多用途和可靠的评估工具学生在运动学方面的代表能力（及其潜在的变化）。信心判断为测试的诊断潜力添加更多信息，特别是对于代表性的误解。此外我们提出了猜测纠正产生的问题的分析结果或教育方面的考虑 - 总效应量（Cohens d）如何随两次测试的组合而变化具有已知个体效应大小的组件，然后在KiRC（MC和MC）的情况下讨论结果MTF组合）。引入的测试组合分析方法可以应用于任何测试包含两个组件，用于查找效果大小范围。

1. 导言

开发KiRC库存的目的是提供一种衡量代表变化的工具，在亲属关系的概念框架中，ematics。 代表性能力（RC）可以被定义作为解释和构建多个代表人的能力，发送以及翻译和切换代表另一个[1]。 术语“多个代表”（MR）是指其中的许多不同形式一定的物理概念被表达，表现出来，描绘和传达，如文字、图表、代数表达式、图片、自由体图、数据表格等（参见图1和参考文献[2]）。在介绍开始的时候，KiRC的库存是由本科生组成的力学课程。

A.一般MRs和运动学

物理教育研究指出，胜任处理表示是成功物理学的关键学习[3]。 特别是RC和解决问题的技巧紧密相连，即一贯坚持的学生胜任使用不同的陈述表现更好在解决问题的任务[4,5]。

类似的关系适用于MR和MR领域的专业知识。一般而言，即其使用的流畅性和一致性是至关重要的部分专家知识和能力在一定程度上域[6]。

尽管讲师和老师可能会这样认为学生的RC（例如图表和公式解释技巧），在大学入学时充分发展是许多学生遇到困难的很多证据MRs [7]。另一方面由于这些相当大的困难以及MR的重要作用，物理教育家和研究人员主张在物理教学中明确地加以解决[4]。对于运动学，特别是三十年的紧张研究表明该主题为适当的知识构成了众所周知的障碍了解[8,9]。然而运动学是一个重要的基础了解整个力学领域和领域后期物理课程，因为它提供了概念和所有物理领域的数学基础（例如，力量的概念，动量和能量，对称性和保护原则等）。例如误解关于旋转运动直接与不当有关对线性运动学的理解[10]。

看常见的物理教科书就足够看到运动学是一个特别丰富的领域MR，并在学习与他们有关的困难。 为了这以及上述原因，有关学生在中国的RC信息这个领域是非常有价值的从诊断和教育观点来说。 为了量化是否教学成功地促进了MR的使用需要有足够的工具来评估学生的RC。

一些基于研究的概念清单已经被提出开发来测试学生对不同的理解入门物理学领域。 关于运动学，一些最广泛使用的测试是Test of理解运动学中的图形（TUG-K）[11]，力量概念库存（FCI）（特别是，FCI [12]的ics项目）以及部队和议案概念评估（FMCE）[13]。 正如Nieminen等人 点这些测试“不允许全面评估学生使用多种表示方法的能力“[14]。事实上，RC可以被看作是一种隐藏的变量常见的基于PER的仪器，如FCI [4]。

结果，Nieminen和他的同事们发展了，打开FCI（R-FCI）的代表性变体评估学生使用不同表示的能力一致地跨同构，即情境和内容 - 相同的项目。特别是他们派生矢量和来自九个原始FCI项目的图形变体侧重于武力的概念。这种发展对于理解MR的作用来说是非常重要的一步通过分析代表性的consis-在一个固定的领域tency。但是运动学是彻底的在R-FCI内代表性不足，因为它减少到了关于恒定速度和均匀加速度的问题。正如其名称所述，FCI的重点在于基础了解部队与加速器之间的关系 - 武力概念的其他方面，因此它不会探测运动学概念。此外，R-FCI使用图形表示矢量仅用于区分不同的大小力量，而方向不是问题。最后，使用五个项目条形图不是当前和适当的代表 - 用于描述大学运动量的描述力学课程。

TUG-K的开发是为了发现困难解释运动学图形。 虽然研究使用TUG-K已经揭示了重要的误解（比如斜坡或高度混乱，图形如图，面积或坡度错误），TUG-K的表现形式受到限制
（主要是图表，口头描述和数字来源来自简单的计算）。 例如，连接图形到嵌入图片描述的真实世界事件数据（如频闪图片或轨迹）是另一个重要的概念，应该在范围内进行测试

RC [7]。

物理教育研究（PER）创造了几个诊断工具或涵盖RC的一些部分的项目，但是没有处理运动学RC的库存有系统地[14]，特别是在介绍 - 实验室大学物理水平。 而且一些重要的概念，比如坐标系的选择和如何这会影响运动图形，但没有明确的解决上述库存。 所以现在论文提出了一个重点研究RC的仪器，ics，综合和扩展以前的研究，并且包括新的方法学方面。

该论文的结构如下： 我们汇报由其领导的发展进程库存开发的方法学标准Lindell等人 [15]并受到与概念清单相关的其他工作的启发，特别是FCI [12]，TUG-K [11]和RCI [16]。 我们讨论不同的项目格式和由KiRC库存覆盖的主题基于physicseducationresearchconcerninglearningwithMRs.InSec.IIIwegivegeneralinformationaboutthedatacollected进行测试验证。 在Secs。 IV-VI，我们介绍这些方法和测试验证的结果，包括学生访谈，项目和测试统计信息，置信度度量和前置信息比较。 我们结束了一个简短的讨论。

二、 乐器内容和谐发展

B.发展

该发展始于对文献的综述现有的测试仪器与表示和处理有关运动学[4,7,10-12]。 物理教育的发现有关MR的研究对该研究有很大的影响测试结构。 已经显示出学生的表现在不同的表示之间显着不同几乎是同构的陈述，例如图形和图像表示[17]。 这意味着基本的物理应该评估概念，包括多个代表 - 他们之间的格式和关系以便从这个意义上明确地测试RC。

此外，即使是小的情境变化也可能会影响 - 同学们解决问题的表现也一样表示格式[18]。 因此，每个的上下文questionwasaconsideration，aseveryquestionhastoreferto一些对象（指称对象）。 我们决定避免制作一个给出具体的实际设置的项目，因为这个可能会影响学生解决问题的表现。相反，我们在一个抽象的上下文中测试RC可以被解释为特定类型的上下文）。

在此基础上，50多个项目的初始库是开发，然后由学科专家（教师成员，讲师和研究生）的内容有效性。该测试是为80个入门物理管理的2012年秋季学生进行了项目分析出。 使用其结果，几个项目被删除或修改然后再重复三次在接下来的学年中，约有300名学生参加。

KiRC库存的最终版本包含18包含以下表示格式的项目：图形（g），形式（代数表达式和方程）（f）和图像（p），因为这些被证明是最重要的运动学中常见和最重要的表现形式。最终的测试项目作为补充材料提供[19]。表一介绍了每个项目和简短的描述项目特征。每个项目词干都有一些表示格式A和替代方式在中给出表示格式B.如果Ane;B，则转换之间为了回答这个问题，表示是必要的。表I显示了哪些项目需要解释a单一表示（g，f或p）或其中两个之间的翻译。文本表示（书面语言）是包括在每个单个项目的问题陈述中没有纯文字的项目。这个之间的协议分类由四名独立评估人员评估。在每个评估者分配六个类别之一（p，g，f，pharr;f，pharr;g和gharr;f）到每个项目，Fleisskappa;F是计算作为一个interrter协议的措施[20]。我们发现kappa;F = 0.86这可以解释为几乎完美的协议[21]

问题2,4,12和16的设计目的是探讨运动学背景下学生对图表的理解，在这个领域中，以前的研究已经揭示了学生的困难[11]。给定一个位置时间图，两个速度时间图和一个加速度时间图，要求学生定性地确定（改变）速度和加速度，选择另一个对应图并判断关于运动的口头描述处理。数学背景如绘图点和计算斜率未经测试。项目2和4是两个TUG-K问题的改编版本[11]。

将这种运动图表连接到现实世界的事件也会给学生带来困难[7]。在问题6,8和11中，在一个物体滑落不同形状的路径方面，现实和示意表示之间的这种转移被解决。这些项目所涉及的概念是路径图的形状与速度图的形状的区别，速度变化率的确定以及方向反转的图形解释。不正确的替代方案解决了在TUG-K开发过程中发现的众所周知的误解，例如图形的高度和斜率混淆，速度和加速度混乱等。

问题3,7和15处理免费的特殊情况图形表示是作为频闪图片给出的，例如从某些FCI项目中可以得知。

问题5和问题17处理坐标系统的概念，并明确讨论选择一个参考框架 - 一个概念，学生表现出严重的知识缺陷[23,24]。问题5给出了一个参考框架，学生必须确定正确的x（t）和y（t）图。问题17显示了一个垂直投向斜面的球。必须在沿倾斜平面定向的参考框架内正式描述这种情况。据了解，这项任务对于大学生来说非常困难[25]。

Mashood和Singh发现旋转运动学存在困难，并得出结论认为，一些误解与线性运动学中报道的那些误解相同，例如速度加速度混淆[10]。他们开发了一个涵盖角速度（出）和加速度（a）的各种概念方面的概念清单。在问题9和18中，我们修改了其中一些项目，并强调了图像和形式表示之间的转换。必须比较时钟的分钟和秒针上的特定点的角速度在问题18中，学生显示出一个圆周运动的粒子，角速度增加，该项要求出和a的大小和方向，问题10通过询问汽车在弯道中加速时加速度矢量的大小和方向来补充这个话题。

C.格式

我们决定在清单中包含两种不同的项目格式：由三个替换项目（表示为MC3）和多个真假项目（MTF）组成的多项选择项目;比照图2. MTF项目有一个干（导入状态）和五个独立的选项，可以回答为真或假[26]。 MTF格式在项目开发和考生阅读时间方面非常高效。已经表明，与复杂多项选择（CMC）项目（例如原始TUG-K中使用的项目）相比，MTF项目产生更高的可靠性估计，并且学生更喜欢这种格式与CMC相比[26,27]。然而，使用MC项目可以更好地理解学生的错误接受，其中假的替代方案可能成为似是而非的干扰因素。虽然大多数概念库存使用四选项或五选项MC格式，但已经表明，管理三选项MC项目对测试分数的心理测量质量没有不利影响[28]。总之，将MC3和MTF这两种格式与其复合优势结合起来似乎很有用。

但是，当比较MC3和MTF项目的分数时，有必要考虑正确猜测的不同机会（分别为33％和50％）。 在本文中，两个项目组分别进行分析

KiRC清单还评估了学生能够如何评估他们答案的正确性[29]。 对于我对MC3问题的每个回答，学生被要求以四点Likert类型量表对他们选择Ci的信心评分（学生被告知如果他们完全偶然猜测，选择C = 0，如果C = 1，则C = 1） 他们是确定的，C = 0.33或C = 0.66是不确定的和可疑的值）。 这种选择反映了考生对替代标记正确性的信念，可以解释为元认知的一个方面， 学生评估自己的理解能力[16]。 能够区分正确和错误的答案可能是反映和规范学习的一个条件。

三，方法：研究框架，样本和测试管理

在本节中，我们给出了研究方法的一般信息（框架，样本和测试管理）。对于有效性，可靠性和其他仪器特性，方法的细节与基于它们的结果一起呈现（第IV-VI章）。

A.骨架

所提供的KiRC清单数据来自德国大学的介绍性力学课程（实验物理I）。本课程主要由物理专业学生开设，包括两次每周一次的讲座（每次90分钟）和一次每周一次的讲解（90分钟，从第三周开始）。课程结构类似于德国大学的大多数介绍性机械课程。在复习期间，学生们讨论他们在过去一周已经解决的物理问题，作为家庭作业。通常情况下，这些家庭作业问题与传统文本书的末尾问题类似，与美国标准的基于微积分的课程非常相似。KiRC库存的开发是旨在修改的一个研究项目的一部分这些传统的教科书问题以视频为基础的问题，尤其是MR [30]丰富。用作前后测试，KiRC库存产生关于新材料与对照组相比有效性的信息。本文的目的不是描述具体的指令，而是介绍中使用的基于视频的问题的例子可以在参考文献中找到。 [31]。

B.测试管理

KiRC清单是在第四次讲座之后进行的（使用德语，这是绝大多数考生的母语）。 在任何家庭作业由学生

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