一种测试学生对太阳和恒星视运动理解方案的设计与验证
作者：汉斯·贝卡尔特、汉斯·范·温克尔、威姆·范杜伦、斯蒂根、德科克
国籍：比利时
出处：物理评论物理教育研究16,020135（2020）
摘 要：当我们在天空中观察太阳和星星时，幼儿、学生和成年人可能对它们的运动有不同的想法。然而，很好地理解这种视运动是研究更先进的天文概念的起点，特别是当这些概念包括天文观测时。本文描述了太阳和恒星视运动(AMoSS)测试的发展和验证，该测试可以测量学生洞察太阳和恒星视运动的程度。我们提出了一个框架，可以比较学生对视运动与一天时间、一年时间和观察者的纬度有关这些具体方面的理解。对每一方面，我们为太阳和恒星对称视运动设计了测试项目。通过对中学生和大学生的回答进行分析，并将问题提交给专家小组，建立了测试的信度和效度。我们汇报了设计和验证过程，并给出了测试的最终版本。
一、介绍和问题陈述
在我们的研究天文馆环境中的学习机会的项目(SLOPE)的背景下，我们的目标是为5年级中学生（16-17岁)开发一个基于研究的天文馆演示。在本文中，我们汇报了这个开发过程的第一步，即设计和验证测量学生对太阳和恒星视运动特定元素理解的测试。从地球上观察者的角度理解太阳、月亮和恒星的天体运动，可以作为发展非常基础天文现象洞察力的起点，如昼夜周期、月相和太阳的上升和下落。缺乏对这些基本现象概念的理解，阻碍了学生理解更先进的天文课题[1]。
然而，研究表明，这些基本概念不仅对幼儿来说很难掌握，而且对中学生、大学生和成年人来说也很难掌握[2–7]。这可以归因于在儿童年龄还很小时（4岁以下）[8]已经发展了关于他们生活的物质世界的初步理论。例如，他们认为夜晚降临是因为太阳下沉在群山后面，然后月亮和星星升起[9]。对学生科学学习的研究表明，将这些基于日常观察和经验天真而初步的想法转化为真正的科学解释是一个缓慢且通常会失败的过程[10]。在这一过程中，几乎不可避免地会形成误解：这是一种混合的、中间的理解状态，在这种状态中，天真而初步想法的要素与正确的科学模型要素结合在一起，而不会因为它们是不正确的就完全放弃那些最初的想法[10]。
现在已经很好地确定，只有通过非常具体的指导，这些非主流的想法才能转化为正确的科学知识[11,12]。
在我们的项目的背景下，我们关注太阳和恒星的视运动以及天文馆在学习这些现象时可以发挥的作用。我们选择关注这些明显的运动至少有两个原因。
首先，虽然每个人都对太阳的视运动保有经验，但一些研究表明，许多人无法真正解释这一现象[13–16]。此外，虽然恒星的视运动在原则上更容易理解，但文献表明的情况可能相反[14,15,17,18]。根据我们的知识，学生对这些视运动的理解还没有得到系统的研究和比较。通过将自己限制在太阳和恒星的视运动上，我们努力获得学生对这些天体运动之间差异和相似之处深刻而系统的洞察力。同时，我们的目标是确定学生用来解释他们的答案的可替代模型。
其次，我们的选择与我们的研究背景——研究天文馆可视化的学习机会有关。Slater和Tatge在对天文馆天文学教学研究的回顾中得出结论，在过去十年中，数字投影天文馆复杂的可视化可能性正在提高学习收益[19]。然而，据我们所知，尚未对天5文馆在研究太阳和恒星视运动中的可能作用进行系统的研究。除了Plummer[13,17]对中小学生的研究外，天文馆对于深入理解这些非常基本的思想所起的支撑作用没有得到很好的理解。
为了衡量在学校里的一系列课程或参观天文馆在多大程度上有助于深入了解明显的天体运动，需要一种有效和可靠的测试方案。由于尚无此类测试手段，我们自行开发了一款。
本文介绍了太阳和恒星视运动测试方案的发展及其可靠性和有效性。尽管我们有兴趣测试学生在解释答案时使用的心理模型，我们会将其保留应用于将来的工作。
在第二章节，我们更详细地概述了学生的困难和相关的非主流观点的扩散。我们用两个案例研究（季节与太阳、恒星视运动)来说明这一点。我们详细阐述了深入理解太阳和恒星的视运动与空间思维能力的需求之间的联系。我们回顾了与我们目的相关的现有测试。第三章节中，描述了AMoSS测试开发过程的不同步骤，并讨论测试的验证结果。最后一章对进一步的研究进行了讨论和设想。
二、背景
（一）学生学习基本天文概念的困难
关于天文学教育的若干评论[5,6]总结出天文学中的许多现象不仅对学生来说很难掌握，而且对于他们的老来说师也很难掌握。虽然早期的研究主要是通过实证来描述学生的其他想法，但最近的研究变得更加理论化。受Vosniadou关于概念变化理论的工作影响[15,20]我们试图以更系统的方式识别学生给出的答案和他们表达的非主流观点的心理模型。我们想强调与我们研究有关的，有两个领域的学生的非主流想法。
首先是“季节产生的原因”。视频中的“私人宇宙”，Schnepps和Sadler[21]证明了即使是最聪明的学生也无法把握这一看似简单而根本的现象。许多研究表明相同的非主流观点广泛存在于不同年龄、不同层次的不同类型的学生中[21–26]。最常见的观点是夏天比冬天更温暖，因为地球的轨道高度椭圆，导致地球在夏天比冬天更接近太阳。当学生了解地轴倾斜的相关性时，他们将这个新的知识点与他们已经确认的东西结合起来，并假设地轴倾斜使一个半球比另一个半球更接近太阳。一些学生还认为地轴的倾斜在一年中发生了变化，这种变化导致了季节的变化。而且许多学生不知道太阳落山的地方一年四季都不一样。很大一部分不同年级段的学生认为每天中午可以看到头顶上的太阳。Sneider在关于了解季节的巩固研究中[21]认为，理解太阳的视运动，需要基于日常观察并与地球在其轴线上的旋转联系起来。在一个可能成功的学习进展中这是理解季节概念必要的第一步。
第二，许多学生对太阳和恒星的视运动有不同的观点。Vosniadou和Brewer[15]发现小学生经常认为星星在夜晚是固定的，在天空中是不动的，同时他们认为太阳在白天是“移动”的。根据这一结论，Slater等人在他们的研究中说明，大多数本科生（38%）更倾向于“固定”的恒星概念，而不是夜晚“移动”的恒星概念[13]。Plummer发现，她的八年级学生样本中有65%描述了一个固定的星空[14]在她的采访中，所有八年级的学生都认为太阳升起并落在天空的对面。学生经常对太阳视运动和恒星视运动进行不同的判断，这一事实揭示了他们并没有将这些视运动与地球绕地轴自转联系起来。
Heywood等人[27]在关于职前教师对太阳视运动的归因研究中发现，所有班级(n=26)无一例外的将昼夜周期归因于地球绕地轴旋转，但没有职前教师明确地将这与太阳在白天的视运动联系起来。
显然，理解这些视运动本身就有一些困难。几项研究[2,3,21,28]表明只有通过研究来自地球本身的观测（地心参照系）和从其他参照系观测到的实际运动，学生才能获得正确的科学见解。只有学会在这两种参照系之间思考和变通，学生才能理解太阳和恒星的视运动过程，并将它们与地球的实际运动联系起来，也许，用一些具体的教学策略来支持学生的这个学习过程是很有必要的。
此外，Cole等人主张即使当一个学生掌握了准确了解天文现象原因的知识，他也需要一定的空间思维能力来建立这些复杂现象精确的构思模型[29]。这些涉及高度复杂的认知活动[30]：要理解天文现象，就需要有能力从不同的角度想象物体，并跟踪物体在多维空间中的运动[31]。学生在天文学课程中必须要解决的一个困难是：天文概念是由多种不同的学科特定资源提出的，包括不同的表示、工具和活动[32]。许多这些学科的具体描述是一维或二维的（例如，地图、图表、图表等）并要求能够从它们中推断出三维形态。多项研究表明，空间思维技能有助于学生在科学、技术、工程和数学学科(生物学、地质学、物理学等)中的表现[33–35]，而且对许多学生来说，多维思想是具有挑战性的[32]。
在Testa等人关于季节变化、日食和月食以及月相的学习进展的发展和验证研究中，[3]确定了空间推理是建立天体运动解释框架的关键因素[1,27,36,37]。他们还认为，基于天文现象背后的物理机制的因果推理可能会显著影响学生的理解。他们主张通过使用学习进展研究方法来教授天体运动，这种方法将因果推理与这些运动相关现象的空间思维结合起来，可以帮助学生从定性发展到更多关于这些运动定量的解释模型。
在我们的项目中，我们有兴趣看看天文馆是如何对此作出贡献的。因为可视化（夜间）天空是天文馆的主要目标之一，天文馆可能作为一个强大的载体支持和加强学生学习这些天文现象。Yu[28,38,39]已经强调了（数字）全穹顶天文学教育的潜在好处：揭示三维空间关系，展示天文物体的精准运动。尽管传统的天文馆在本质上提供了一个地心参照系，数字天文馆也利用现有的技术将这个地心参照系与其他参照系进行对比[6]。
（二）现有测试
在文献资料中，有几个测试集中在一个天文主题上。这些所谓的“概念清单”是带有多项选择题的问卷，侧重于一个单一的主题，而这些选择是基于对学生思维错误的研究[40]。例如：月球阶段概念清单[41]、光和光谱学概念清单[42]、天文学和空间科学概念清单[43]、星体特性概念清单[44]。
除了这些单一的主题测试外，还有更多普通的测试，如天文学诊断测试(ADT)[45]、天文标准测试(TOAST)[46]、天文学误解调查(AMS)[22]以及介绍性天文学问卷(IAQ)[47],更广泛地衡量学生的天文知识。这些通常设定于前测和后测，以检测学生参加天文学入门课程的进展。
在所有这些测试中，没有一项是专门关于太阳和恒星视运动的，并且没有系统地设计项目来提供学生对这些现象理解的完整概述。然而，这些更普通的测试包含了许多与这个主题相关的问题，并为我们的测试提供了灵感。关于太阳或恒星在天空中的位置在一个小时或一个月后如何变化的问题，可以在TOAST测试[13]以及ADT测试[45]中找到。有关季节原因的问题可在AM
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