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第1章 引言
1.1问题陈述和动机
能量和能量保护的概念是抽象的，但更重要的是，它们是科学和其他学科（如技术，人文等）的基础和核心（Hewitt，2002：104; Boyes＆Stanisstreet，1990：51） 。本研究侧重于学习者对机械能守恒原理概念的理解（在封闭系统中）。机械能是由于相互作用物体的相对位置（势能）或由于它们的运动（动能）或两者而形成的能量形式（Hewitt，2002：106-107）。机械能的概念在描述运动时很有用（Cutnell＆Johnson，2004：159），即运动学的研究。
能够说明什么是能量的要点在于了解它的行为方式，即它是如何转化的（Hewitt，2002：111）。当根据能量变化进行分析时，可以理解自然界中的过程。对各种形式的能量及其转换的研究导致了物理学中最大的定律之一，即能量守恒定律。这个定律可以用以下表述表示：能量不会凭空产生也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，但能量的总量绝不会改变。
研究表明，即使学习者接受正式的指导，如他们仍然坚持并坚定不移地支持他们的拥有的像能量这样的另一种概念（Zain＆Sulaiman，1998; Rankhumise＆Lemmer，2008）。这可能是由于传统的以教师为中心的教学和学习策略，学习者是信息和知识的被动接受者（Bybee，2002）。教师很难改变学习者对正式教学中任何特定概念的选择概念。为了更好地理解科学正确的概念，使用各种建构主义教学和学习方法是很重要的。（Trumper，1991：6; Trowbridge等，2000：224; Scott等，1991：7）
建构主义教学理论是目前世界上最常用的与人类学习相关的理论（Trumper，1991：6）。根据建构主义原则，个别学习者通过建立与现有知识的联系来建立他们的知识（Redish，2003）。建构主义适用于教学和学习环境的原则被包含在构成南非课程改革基础的成果导向教育（基于结果的教育）原则中（教育部，2003）。作为一种教学理论，建构主义可以通过解决问题和探究策略等策略来实现（Gunter et al，1991）。
建构主义的教与学方法也强调在学习者发现熟悉并且与他们的体验最相关的背景下组织学习内容（Bybee，2002：9; Osborne＆Dillon，2007：1441-1442; Bennet等，2006 ：348，Stears等，2003：109）。对背景化学习内容的考虑主张了学校所学内容与现实生活世界的相关性和适用性。它还有助于学习者认识和欣赏在现实生活世界和科学背景下概念的使用和概念的意义。
本研究所关注的问题是如何看待和处理学习者关于机械能守恒定律的另一种概念。该研究调查了探究式教学顺序的有效性，旨在纠正学习者关于机械能及其保护的替代概念。重点是十年级学习者，因为十年级学习者被介绍到概念形式化的继续教育和培训（FET）级别。对这些概念的概念理解在形式化之前至关重要（Lemmer＆Lemmer，2005）。
在本研究中编制和实施的教学学习顺序遵循成果导向教育课程实施中的进步和整合设计原则（Nieuwoudt＆Beckley，2008：324-328）。进步原则使学习者逐渐发展出更复杂，更深入，更广泛的知识，技能和理解。整合原则要求学习者在其他环境中应用他们的知识和技能。在这项研究中，学习者需要将他们的课堂知识与日常经验结合起来。
1.2目标
这项研究的目的是调查探究式教学学习顺序的有效性，该顺序旨在提高十年级学习者对机械能守恒定律（在一个封闭系统中）的理解，并坚持成果导向教育的进展和整合原则。
1.3假设
通过基于探究的教学学习顺序，可以有效地纠正在十年级学习者中发现的有关机械能守恒原理的概念，这种顺序符合成果导向教育的进展和整合原则。
1.4目标人群
一项研究（第4.2.1段）是在一个37名学生十年级的班级（十八个女孩和十九个男孩）进行的。学生来自Bakolobeng高中（Ganaraagte - Greater Delareyville APO的Ganapan集群）。 Ganalaagte位于Tswaing市，是中部地区西北省的贫困村庄之一。 茨瓦纳语是学习者的首选语言。英语被用作第二语言以及学习和教学语言（LOLT）。
1.5研究方法
1.5.1文献研究
通过文献研究（第2章），回顾了有关机械能守恒定律的替代概念。还注意符合NCS（教育部，2003）中规定的要求，并可用于增强学习者概念变化的当代教学和学习策略（第3章）。研究材料是从图书馆通过筛选科学和教育期刊和书籍中的近期出版物获得的。使用以下关键词：机械能，动能，势能，能量守恒，替代概念，建构主义，探究和语境教学。
1.5.2实证研究
我们进行了一项实证研究，以确定和纠正10年级学习者关于机械能守恒定律的概念。实证研究包括预测试，干预和后测。
gt;预先测试：制定问卷并进行调查以研究学习者所持有的替代性概念。
gt;干预：为了增进对机械能守恒定律相关概念的理解和概念转变，设计并向学习者展示了探究性教学活动和课程。情境化的方法涉及实验和日常的经验。
gt;测试后：与测试前相同的问卷用于后期测试。计算平均标准化增益以表征干预的有效性。第四章详细介绍了实证研究。
1.6数据处理
对测试前和测试后的结果进行统计分析。计算标准化的学习收益以确定基于询问的教学学习顺序的成就。结果在第5章中给出和讨论。第6章对结果进行评估和分析后得出的结论和建议进行了研究综述。
1.7各章重点
第1章方向介绍
第1章介绍了这项研究。研究问题得到确认和激励。讨论了目标，假设，目标人群和研究方法。
第2章 - 关于学习者关于机械能守恒定律的替代概念的文献回顾。
第2章对学习者关于机械能守恒定律的替代概念的性质，起源和教育含义进行了文献综述。文献综述通过汇编实证研究中使用的问卷。
第3章当代教学的文献回顾 - 收益策略
第3章提供了关于建构主义教学策略的文献综述，可以用来构建改正学习者的选择性概念。干预适用第3章中描述的策略。
第4章实证研究
第4章讨论了实证研究的研究设计和方法。这包括研究人群，研究工具以及问卷的分类和讨论以及如何用它来评估干预的有效性。
第5章结果和分析结果
第5章讨论在实证研究中收集和分析的数据。确定了学习者关于机械能守恒定律的一般问题。并对前后测试结果和归一化增益并进行了讨论。
第6章结论和建议
第6章提供研究结论和进一步研究的建议。
1.8研究的意义
即使在正式教学过程中提出了科学概念，学习者也会恪守他们的另一种概念。首先，在这个领域的研究提高了我们如何解决这个问题的知识，为南非学校的实践教师提供了解他们学生所持有的这些概念的性质的方法。其次，教师应该研究自己的做法。教育部规定的教师的七个角色之一是他/她应该是学者，研究员和终身学习者（Vakalisa，2008：24）。通过这项研究，教师应该能够适应和应用当代教学策略和方法，以促进和加强学习者的建设性和有效的学习。第三，这项研究的结果可以为国际研究做出贡献，因为它解决了全球学习者难以发现的概念问题。
第2章
文学评论：学习者的另一种理念
关于机械能的保护
2.1简介
“能量”这个词经常用在科学课堂中，并且相当宽松。令人满意的定义是一个非常困难的科学概念（Hewitt，2002：104）。能量是一个理论载入的概念，可以在其相关概念，法律和支持理论的框架内得到最好的理解（Sexl，1981：293-294）。在日常生活中，从燃料或食物中获取能量的想法是普遍的，并且将燃料（包括食物）视为可用能量储存库（Friedl，1991：283）是一个普遍的想法。从燃料（例如汽车的汽油）中获取的能量使得可以执行有用的任务（例如运输）。这些日常生活的想法应该扩展或完善以理解科学概念（Lemmer＆Lemmer，2008; Trumper，1990）。
学习者通常把能量视为拟人和人类中心（Watt，1983：214）。儿童往往认为分为无生命的物体和生物，能量只能作为生物和移动物体的特有财产。第2.3和2.4段讨论了学习者在研究能量概念和能量守恒定律时遇到的这些和其他问题。本章从能量科学观点及其相关概念开始（参见第2.2节）。
2.2能量和相关的科学概念
2.1.1能量的科学定义
在大多数科学教科书中，能量的概念被定义为“做功的能力”（Dilley等，2005：46; Heyns等，2002：64; Kotz＆Treichel，1996：258; Smith等，2007：26 ; Kelder等，2007：45）。
在科学中，重点放在概念的含义上，以及它对物质和物质的影响，无论是在宏观还是在亚微观层面。在自然界发生的每一次变化，无论是化学变化还是物理变化都涉及能量。在确定能量概念时，认识到三个重要的能量方面（雷诺兹，1974：5; Mclldowie，1995：229; Brookes等人，2006：37），即：
gt;所有物质都有能量（能量是物质和物质的属性）。
gt;整体能量是各部分能量的总和。
gt;能量守恒，即整个系统的能量保持不变。
这三个观点与能量本身一样重要（Reynolds，1974：5）。物质和物质的运动或位置与作用于其上的力相关（Trumper，1990：208-209）。如果一个物体有能量，它可以施加一个力量来移动一段距离，即它可以做功。必须指出的是，这解释了什么是能量（效应），而不是它是什么（雷诺兹，1974：37）。
所有形式的能量都与运动有关;例如，任何给定的物体在运动时都具有能量（动能）。弹力装置如弹簧或弹性橡胶尽管处于静止状态，但由于其构型（Watt，1983：213-216; Ogunniyi＆Taale，2004：83），可能会产生运动（势能）。
2.2.2做功概念
像能量一样，做功在科学中也有特定的含义。做功（W）在操作上定义为施加在身体上的力（F）和施加力方向上身体的位移（W = F.s.costheta;）的乘积。当一个力对物体起作用时，我意味着一些能量从产生力的物体转移到移动的物体上。那么做功就是能量转移量（雷诺兹，1974：37;休伊特，2002：105）。这个提供了一种量化的能量量度，是做功的存在定义。这两个概念（做功和能量）是相关的，因为做功是将能量从源传递到物体或系统，并使用相同单位即焦耳进行测量（Legge＆Petrollito，2003：436-437）。
2.2.3 能量形式
有许多不同类型的能量，但都是动能（EK）或势能（Ep）（Long，2000：91; Grayson等人，2005：99）。一些比较熟悉的能量类型是：
gt;电能 - （移动带电粒子的能量）
gt;热能 - （能量从热到冷的物体）
gt;光能 - （光子携带的能量）
gt;声能 - （振动介质的能量）
^化学能 - （引起化学物质变化的能量）
gt;核能 - （与核聚变或分裂有关的能量）
gt;机械能 - （与物体的运动和位置相关的能量）
2.2.3.1动能（EK）
根据定义，动能是物体凭借其运动而形成的能量形式。动能是运动物体或粒子的特性，不仅取决于速度，还取决于其质量。这种运动可能沿着从一个地方到另一个地方的路径，围绕轴旋转，振动或任何运动组合（Kotz＆Treichel，1996：18）。一个物体的平动能等于它的质量的一半m和它的速度平方v的乘积，或者用符号EK = 1/2mv2（Cutnell＆Johnson，2004：157））如果做功（W）通过施加力在物体上完成，能量被转移。物体加速并由此获得动能（AEK），其可用做功动能理论计算：W = △EK（Cutnell＆Johnson，2004：159; Smith等人，2007：26）
2.2.3.2势能（Ep）
势能取决于系统各个部分的相对位置。例如，当弹簧压缩或伸展时，弹簧比松弛时具有更多的势能。钢球在高于地面时比在落地后具有更多的势能，因为在升起位置钢球能够做更多的做功。势能因此是系统的特性，而不是个体或粒子的特性（Kotz＆Treichel，1996：258-259; Smith et al，2007：27-28）。
势能出现在具有相互施加作用力的部分的系统中。有许多不同类型的势能;每种能量类型都与特定类型的力相关联。例如，在土球系统的情况下，两者之间的重力取决于分离它们的距离。进一步分离它们或者提高球的做功将额外的能量传递给系统。转移到系统的能量被存储为重力势能（Kotz＆Treichel，1996：258-259）。
地球表面附近的重力势能可以通过将物体的重量（mg）乘以其在参考点或位置上方的距离（h），即Ep = mgh（Kotz＆Treichel，1996：558-559; Reynolds ，1974：6-7; Smith等，2007：27）。
化学势和电势能是受库仑力（吸引力或推斥力）影响的势能。在化学反应过程中，库仑力引起原子，分子或化合物的电子，原子核或离子的重排和移动。在化学反应中，物质的势能可转化为其他类型的能量形式，如热能。电势能是物体凭借电荷和电力的存在而具有的能量。例如，为了在电场内移动电荷，电荷施加在电荷上并且因此通过移动电荷，电荷的势能被转换成动能（Heyns等人，2002：91和157-158）
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