高中學生物理前概念中相異構想的成因及矯治策略

周洪池 管光華

(1. 江蘇省建湖高級中學，江蘇 建湖 224700； 2. 江蘇省上岡高級中學，江蘇 建湖 224731)

高中學生物理前概念中相異構想的成因及矯治策略

周洪池1管光華2

(1. 江蘇省建湖高級中學，江蘇 建湖 224700； 2. 江蘇省上岡高級中學，江蘇 建湖 224731)

因錯誤前概念而形成的相異構想使不少高中學生感到物理難學,分析錯誤前概念形成的原因,了解相異構想的性狀,利用邏輯推理、分析比較、實驗體會、規范表達等策略,讓學生經歷認知順應同化過程,可有效矯治因前概念形成的相異構想．

前概念；相異構想；成因；策略

1 引言

概念是人類在認識自然的過程中,從感性上升到理性，把所感知的事物的共同本質特點抽象出來,加以概括,形成思維體系中的基本構筑單位．認知過程中由于某種原因的積淀形成了一些是非不定的前概念．初中學生錯誤前概念形成的主要原因是生活經驗,而高中學生除來源于生活經驗外,還有來源于初中學習時留下的隱性錯誤前概念,經歷了次生過程．因此高中生錯誤前概念具有多樣、復雜和頑固的特點,引發形成不同形式的相異構想．

建構主義認識論認為,學習過程不是簡單地輸入和儲存信息的過程,而是主動地將原有經驗和新信息進行對比、分析、批判、選擇和重建的過程．建構的過程是同化和順應,當新知識與原有知識結構和思維方式相符時就被同化,否則就會被排斥,當然也可能經修正、重組后再吸收．由皮亞杰的認知發展理論可知,同化是引起認知結構量的變化,而順應是引起認知結構質的變化,順應的難度遠大于同化．高中學生雖然具備了一定的批判精神和科學的邏輯推理能力,但由于自我控制意識能力存在差異,固有思維方式根深蒂固,在建構過程中難以超越原有構想．

多數教師將高中學生的錯誤前概念理解成學生個體能力存在差異,沒有及時采取矯治措施,日積月累使得一大批高中學生物理成績不能提高．因此研究和矯治因錯誤前概念而產生的相異構想是高中物理教師面臨的一個極有價值的問題．

2 高中生錯誤前概念造成相異構想的原因分析

2.1 直覺印象根深蒂固

我們每天都看到太陽從東方升起西方落下,不可能從直觀認識到地球繞著太陽轉．不經過“月亮繞著地球轉,地球繞著太陽轉”的強力灌輸,很難自覺認為地球是繞著太陽轉的?因此,地心說在人們的頭腦中是根深蒂固的．在一次高中物理教師基本功競賽中,筆者讓選手回答同步衛星的周期是否為24h,選手非?？隙ǖ鼗卮稹笆恰?其實他的回答也是停留在地心說基礎之上的,沒有注意到太陽日與地球日的區別．由此可見高中物理教師潛意識的“地心說”錯誤前概念也較為根深蒂固．

2.2 初中形成隱性錯誤前概念的延伸

初中學習電學時,部分學生會形成“電流流過電阻時會被消耗”的相異構想,進入高中要求計算串聯電路通過各電阻的電荷量時,這些學生就產生了“電荷量按電阻分配”的相異構想．又如,初中有部分學生形成了“滑動變阻器中電流方向與滑片移動方向有關”的相異構想,到高中后不會分析電流的方向了．

2.3 初、高中認知銜接不當引發相異構想

初中生根據二力平衡的知識,形成了豎直向上的拉力等于吊起重物的重力的初步構想．到高中探究物體加速度與力、質量關系時,教材中設計了用重物拉動小車的實驗,事先平衡了摩擦力,并控制小車的質量遠大于重物的質量,即可認為小車受到的合外力近似等于重物的重力．學生在初中形成的構想更深刻了,即使后面再學習超重和失重,這種構想也很難糾正．

2.4 因字生意形成錯誤前概念

運動學中加速度的概念比較難理解,它是速度隨時間的變化率．從“加速度”的字面理解這個概念更加困難,多數剛上高中的學生總錯誤地將加速度理解成增加的速度,原因就是這個概念名稱中的一個“加”字刺激著他們,形成了深刻的錯誤前概念．

2.5 解題不嚴密形成相異構想

教師為了節省時間,在板演時總會跳過原始公式直接寫出推論．這種一步到位的寫法使學生養成不按“理”列式的壞習慣．解題過程中大量使用“二級結論”使學生產生依賴思想,認為只要記住結論就能解題了．事實上解題過程應該是根據題目的意思,依據概念、定理、定律逐步求出結果的過程．

2.6 主觀臆斷形成相異構想

物體A疊放在B上,B放在水平面上,當用外力拉A時,學生總認為只要拉力大于A、B間的最大靜摩擦力，兩個物體就會發生相對滑動,而不考慮下面B物體的運動情況．判斷運動員勻速爬桿時,學生認為勻速上爬時運動員受摩擦力向下,勻速下滑時運動員受摩擦力向上,主觀臆斷的憑據是摩擦力的方向與運動員的運動方向相反．

2.7 認知層次達不到要求形成相異構想

中學階段學生對力的概念理解呈螺旋上升的趨勢．初學時認為力就是“推、拉、提、壓”;后來又知道力可使物體發生形變;是改變物體運動狀態，產生加速度的原因;還存在場力、分子力和核力，最終歸納出4種相互作用.而理論物理定義為力是物體動量的變化率．力的概念比較抽象,經過具體到抽象再概括的過程,在這個過程中學生會產生各自的相異構想,形成階段性的錯誤前概念．

在建構概念的過程中,無意間在大腦中丟下一粒錯誤的種子,在條件適當的情況下就會生根發芽,形成形式各異、是非不定的前概念．物理學史中的大量事實證明,人類認知自然經歷的過程也是這樣,錯誤認知在不斷地接受新事實的批判,然后再重新建立新的概念和構想．

3 矯治錯誤前概念中相異構想的策略

3.1 發現錯誤前概念是矯治的前提

矯治錯誤前概念的前提是要讓學生明白自己的認知是錯誤的．“滑動變阻器中電流方向與滑片移動方向有關”的相異構想是極少數的現象,我們只要追問一下“為什么”或許就可以解決．由于學生錯誤前概念暴露的機會比較少,因此發現得越及時越好．開展小組合作學習,組內同伴相互交流時可以使隱蔽的錯誤前概念顯露出來,學生發現自己的認知與別人不同時就會產生認知沖突,引發思考后經過順應過程形成正確的認知．因此,小組合作學習方式矯治學生相異構想的效果比較好．

3.2 調整教學順序抑制相異構想

學習牛頓第二定律時,首先要求探究物體加速度與力、質量的關系．為了簡便,教材用重物對繩子的拉力來代替小車受到的合外力,如圖1所示．于是學生產生了豎直方向懸掛重物時繩子拉力等于重物重力的相異構想,根本不去理會小車的質量遠大于重物質量的實驗條件．實際教學過程中我們先對實驗裝置進行了調整,在小車左端加接一只力傳感器顯示力的大小,當平衡摩擦力后,學生很容易接受力傳感器上顯示的就是小車受到的合外力．學習超失重和連接體問題后,再回頭梳理教材提供的實驗方案,并推導只要小車的質量遠大于重物的質量時,重物的重力就可以近似替代小車的合外力．通過調整教學順序,淡化錯誤構想,使學生認知清晰．

圖1

3.3 利用邏輯的力量沖擊錯誤前概念形成新認知

圖2

從錯誤的概念或構想出發,推導出相互矛盾的結果,可矯治因錯誤前概念而產生的相異構想．伽利略利用邏輯的力量,有效地矯治了重物越重下落越快的錯誤認識．在學習靜電感應時,不少學生認為哪里有電荷,接地時此處電荷就會流入大地．如圖2所示,枕形絕緣導體AB靠近帶正電的小球C,A端感應正電荷,B端感應負電荷．用手觸摸枕形導體B端時,有學生認為B端的負電荷通過人體流入大地,使枕形導體帶正電．枕形導體處在C的電場中,表面是等勢面,感應電荷的電勢能為0,當用手觸摸B端時,有電流流過人體,消耗了電勢能,觸摸后枕形導體帶上了正電荷,與C構成的系統電勢能大于0．能量增加了,莫非是永動機?通過邏輯推理讓他們感到認知錯誤,然后進行正面的講解,錯誤前概念得到良好的矯治．

3.4 同化和順應過程矯治相異構想方法比較

圖3

如圖3所示,物體A放在B上,B放在光滑的水平面上,要用多大的拉力兩物體就會發生相對滑動?

對上面的問題,設計兩種方案,對“只要水平拉力大于A、B間最大靜摩擦力,A、B就會發生相對運動”的相異構想進行矯治．

3.4.1 重復運算,以同化過程矯治相異構想

設mA=6kg,mB=2kg,A、B間動摩擦因數μ=0.2,g=10m/s2．水平向右拉A物體的力為多大時A、B兩物體發生相對滑動?

假設兩物體間的最大靜摩擦力足夠大,作用在A物體上的水平拉力取不同值時,求出兩物體間的靜摩擦力Ff,如表1.

表1

A、B間能產生的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力Ffm=μFN=μmAg=12N．從表格中可以看出只有當作用在A物體上的水平拉力達到48N時,A、B間的摩擦力才達到最大靜摩擦力．當作用于A上的水平拉力為12N時,A、B間的摩擦力才為3N,這個靜摩擦力比A、B間的最大靜摩擦力小,所以A、B不會發生相對滑動．

經過重復多次的類似計算,認知逐漸在同化過程中構建,相異構想得到矯治．

3.4.2 實驗體會,以順應過程矯治相異構想

實驗器材是兩本厚薄相差較大的書,將兩本書疊放在比較光滑的桌面上,用水平力拉其中的一本書,要求將兩本書拉分離，實驗結果如表2.

表2

實驗結果表明,薄書在上厚書在下時拉薄書非常容易使兩書分離;厚書在上薄書在下時拉厚書,下面的薄書隨上面的厚書運動非常明顯,要使兩本書發生相對運動則非常難．通過實驗體會和對實驗現象的分析,多數學生能發現自己的構想存在問題．實驗是對錯誤認知順應過程的基礎,是矯治相異構想的有力武器．

3.5 養成“摳理”和規范表達矯治相異構想

對字意理解時要對字意作出合理的解釋,加速度中的“加”、楞次定律中的“阻礙”、過程量的“增量”與“變化量”、功和能中“能”等字詞的意義,可通過討論、查字典的形式辨別．在物理學科中相同的字眼表達的意義也不相同,濕度和相對濕度的區別,就不能類比于高度和相對高度來理解了．結合能、比結合能相差在“比”上,意為“平均”而不是比值．對一些定理,教師甚至要把主謂賓、定狀補成分“摳”出來細分析．在學生看來物理教師的“摳”是沒有必要的,但教師不“摳”,學生就會形成零碎而復雜的錯誤認知．“摳”可以將道理講得更明確,減少相異構想．

計算物體在水平面上運動受到滑動摩擦力時,總是一步到位地將表達式寫成Ff=μmg,學生會將物體在斜面上運動時滑動摩擦力表達式也寫成Ff=μmg,隨意簡化導致了相異構想的產生．所以在摩擦定律教學時,要求學生先寫Ff=μFN,再將FN的表達式寫出來,最后求解滑動摩擦力．學生對教師的這種要求往往不屑一顧,但教師仍要堅持規范表達以達到防微杜漸目的．

生活和學習中無意間會在頭腦中留下錯誤的種子而產生相異構想．如果在留下錯誤種子之前先將它轉變成正確的種子,錯誤就不會發芽;發現錯誤種子發芽時及時清除,雜草就不會長大;雜草根深蒂固時斬草除根,正確的禾苗照樣茁壯成長．矯治學生因錯誤的前概念而形成的相異構想,要讓學生錯誤前概念顯現出來,再利用邏輯推理、分析比較、實驗體會、規范表達等策略進行綜合矯治．高中物理教學中矯治前概念中相異構想是一個長期的、反復的、螺旋上升的過程．

1 夏海寧.前概念對物理概念學習的影響及其轉化策略的研究[D].大連：遼寧師范大學,2011.

2 馮一冰，熊寶庫.前概念對物理概念教學的影響及教學策略[J].物理通報,2004(2)：3-6.

3 李高峰，劉恩山.前科學概念的研究進展[J].內蒙古師范大學學報，2007(4)：62-67.

2017-04-25)