基于POE 教學策略的高中物理力學迷思概念的轉化路徑

白 鈺 程 琳

（渤海大學，遼寧 錦州 121013）

一、相關概念界定

（一）POE 教學策略

所謂“POE”教學策略其實是三個英文單詞的首字母總稱，“Predict”——預測；“Observe”——觀察；“Explain”——解釋，20 世紀80 年代時由美國匹茲堡大學研究而來。其本源是建構主義，并在概念轉變、觀察滲透理論等學術理論的基礎上不斷豐富，結合Champagne 與Anderson 的“DOE 策略”最終形成的一種演示策略［1］。其目的是使學生能深入地學習學習并運用科學的研究方法。POE 策略主要有三個階段：一是預測。教師以問題創設情境，鼓勵學生根據自身經驗預測實驗可能出現的變化及結果。二是觀察。實驗過程中組織學生觀察現象，并進行記錄。三是解釋。如果預測結果與實驗結果不完全一致，引導學生討論、解釋，通過認知沖突重建科學概念，錯誤的概念因此被改正了。

（二）迷思概念

“迷思概念”是一個由單詞音譯與意譯結合而形成的詞匯，將英文單詞“misconception”分為兩部分，取“mis”的音譯、“conception”的內涵?！跋喈悩嬒搿笔敲运几拍钭畛醯亩x［2］，即學生獲得錯誤認知的原因是他們在學習系統的知識之前，由于親自觀察與體驗而形成與科學概念相悖的概念。而有些學者認為迷思概念就是前概念。事實上，不能模糊地將前概念指為迷思概念，“前概念”是指未經過專門學習，在與他人進行日常交際積累個人經驗過程中掌握的概念［2］。

二、高中力學迷思概念分析

（一）高中力學典型迷思概念

時至今日，高中物理的力學部分迷思概念受到了國內外學者廣泛的關注。通過閱讀文獻發現，高中學生在物理學習過程中存在的迷思概念主要體現在：直線運動、靜力學、動力學、曲線運動等模塊，筆者整理了高中物理力學中迷思概念，如表1 所示。

表1 高中力學典型迷思概念

（續表）

（二）高中力學典型迷思概念的成因

1.學生的感性經驗與物理知識不一致

學生在實際生活當中會發現，當一個拉力作用在物體上，這個拉力指向哪個方向，物體運動的方向就會與之相同，這是常見的現象，像這種頑固的“直接經驗”時常存在于學生的頭腦中，就會導致學生在解決運動相關的題目時產生錯誤。對于物體的運動方向與受力方向的相關問題，學生總是主觀地認為物體的速度方向與合外力的方向相同。例如，學生在做下面這道題時就會受到在日常生活中所得經驗的影響。在一個光滑的水平面上靜止一個物體，物體受到F 的作用開始運動，在時間t 內F 的大小保持不變，調整力的方向為反向，經過t 的時間，再將力反向……讓學生嘗試分析并解答物體的運動情形，學生能夠輕而易舉地回答出物體是往復運動的狀態。學生錯誤的回答就是他們在日常生活中所得的經驗而導致的，他們認為物體的運動方向總與外力的方向一致。而在解決這道題時，要運用圖像法，即做出v－t圖像（如圖1所示），從圖1 中可以看出，題目中所描述的過程中，物體的速度方向和位移方向始終沒有改變，說明物體是向一個方向運動的，而不是做往復運動。

圖1

2.教師的教學方式使用不當

如果由于教師的錯誤想法和不恰當的教學方式，過度強調某一現象和例子，就會導致學生產生迷思概念。很多有經驗的教師會發現，學生在判斷繩的拉力的方向和桿的彈力的方向時會產生迷思——繩的拉力不一定沿繩，桿的彈力方向一定沿桿。因此，有一些教師會列出如下兩道習題，習題一關于繩的拉力，習題二關于桿的彈力。

［習題一］如圖2 所示，一個小球懸掛在一個小車頂端。通過實驗可以知道，小車做勻變速運動的過程中，懸線與豎直方向成某一固定角θ，而不是在豎直方向上，若小球質量為m，加速度為a，求懸線對小球的拉力為多少？

圖2

［習題二］如圖3 所示，一根桿上面有一重物A，此時重物受幾個力的作用？桿對重物的彈力方向是怎樣的？

圖3

學生通過做以上兩道例題會產生迷思概念：繩的拉力一定沿繩，桿的彈力一定沿桿。那么在做習題一時，教師可以引導學生對小球進行受力分析，小球受到重力和繩對球得作用力，在水平方向上可得：

在豎直方向上可得：

由（1）（2）可得：

則繩對球得拉力與豎直方向的夾角：

由以上分析可知，不管小車的加速度多大，繩對球的拉力方向始終沿著繩收縮的方向。

而習題二中重物受到兩個力的作用，豎直向下的重力和桿對重物的彈力，彈力豎直向上，這道題就會讓學生誤解：桿的彈力方向一定沿桿，學生頭腦中就會產生迷思概念。而在其他情形下，桿的彈力的方向有可能不沿桿，如習題三：

［習題三］如圖4 所示，一彎折硬桿ABC 放置在小車上，一質量為m 的小球被固定在桿C 端，已知θ 恒定，當小車水平向右做勻加速直線運動時，問：小球所收到的BC 桿對它的作用力方向。

圖4

對于習題三，可進行以下分析：

對小球進行受力分析，受到重力G 和桿對球的作用力F，在豎直方向上：

在水平方向上：

由（6）式可知，當加速度a=0 時，水平方向上的力Fx=0，作用力F 為豎直方向，當加速度a 趨近于無窮大時，Fx也趨近于無窮大，作用力F 則近似沿著水平方向，能夠知道當加速度改變時，作用力F 的大小、方向也會隨之改變，所以由此題可知桿對物體的彈力方向不一定是沿桿的。

由這一案例可知，教師在列舉例題時要做到全面，預想學生容易產生錯誤的前概念。這一案例恰好說明了教師不恰當的教學方式。

3.教材內容的呈現不盡全面

有意義學習理論中強調過，學生在進行有意義學習的條件和基礎是有效的學習材料，因此教材在學生學習的過程中不容小覷，這其中就包含內容的編制和邏輯的條理性，教材呈現了學生對于物理知識的掌握的重要參考標準。如果教材沒有將全部的內容展示出來，那么學生就容易產生迷思概念。在高中必修二勻速圓周運動這一課，教材中對勻速圓周運動的定義為：“如果物體沿著圓周運動，并且線速度的大小處處相等，這種運動就叫作勻速圓周運動?！保?］學生學習這一概念時，會錯誤地認為勻速圓周運動是速度不變的運動，而實際上勻速圓周運動是速度方向發生變化的運動。這會使學生產生迷思概念，為了避免學生產生迷思概念，教材在課后習題中應該列舉對于勻速圓周運動概念的理解的相關習題。

三、基于核心素養的POE 教學策略在迷思概念轉變教學中的優勢

POE 策略在迷思概念轉變的教學過程中尊重學生的主觀能動性，讓學生在物理學習的過程中形成適應個人終身發展和社會發展所需要的正確價值觀念必備品格和關鍵能力［4］，提升了學生的語言表達能力、交流合作能力、觀察分析能力，培養了科學思維以及創新能力，提升了學生的物理核心素養。采用POE教學策略轉化迷思概念原因如下：

（一）形成科學物理觀念

學生在學習科學物理概念時，是建立在現有的認知水平上的，并且會受到現有思維水平的制約，所以他們對某些概念的理解與科學概念多少會有些偏差。使用POE 教學策略進行教學時，能夠讓學生形成科學的物理觀念，對于學生的物理學科核心素養起著促進的作用。讓學生將在生活中由于感性認識產生的迷思概念轉化為正確的科學概念，構建正確的物質觀念、運動與相互作用觀念以及能量觀念，形成科學的物理觀念。［4］

（二）注重學生探究能力

運用POE 教學策略來轉化迷思概念時的首要環節就是要創設情境，有趣情境的創設、探究式問題的提出能夠激發出學生的物理探究思維、培養學生的科學推理能力，在此過程中可以判斷學生擁有什么樣的迷思概念，學生驗證性地進行觀察和討論，如果學生觀察到的現象與自身的迷思概念沖突，在討論環節，便是對迷思概念進行認知結構上的調整，進一步提高了學生的科學探究才能，使得學生們的物理學科核心素養也得到了良好的發展。

（三）促進學生全面發展

學生在日常生活中會產生許多錯誤的前概念，并且非常隱蔽地存在于頭腦中，所以在使用POE 教學策略的過程中，學生不僅要學會自我反思，認識科學本質，還要在進行小組討論的解釋環節，讓思維得到碰撞，讓真理越辯越明，學生的語言表達能力以及思維水平也能夠得到提升，形成探索自然的內在動力［4］，在此過程中，學生形成帶有物理學科特性的品質，得到全面的發展。

四、POE 教學策略對力學迷思概念的轉化路徑

在學習物理時，在不知不覺間學生就形成了迷思概念，這不但會影響學生形成科學的物理概念，而且長此以往迷思概念會不斷增多。將迷思概念轉變為科學的物理概念的方法就成了研究的重點，筆者認為，可以根據POE 教學策略來幫助學生轉變。

（一）預測迷思概念

學生是帶著對于物理現象的想法在課堂上學習物理知識的。但是高中階段的學生思維能力不足，在觀察現象時往往具有片面性，因此其在學習相關概念時并不能充分理解。

1.預判斷了解常見迷思概念

在備課過程中，教師應對學生易出現的迷思概念進行預判。首先教師可以參考考綱中的考點；其次，也可回顧以往學生常在哪些知識點的學習上出現問題；最后，結合本班學生學習的實際情況進行重點備課。例如，在學習地球赤道上的物體運動特點時教師對學生可能會迷思的知識點進行了預判斷：赤道上的物體只受到萬有引力，不受到其他力的作用。實際上，赤道上的物體還受到地面的支持力。

2.利用導學案分析易錯知識點

教師為了準確地考查學生，可以將知識劃分為許多部分，形成一個能達到預測效果的導學案，教師可以通過審閱學生導學案的完成情況，評估每一小塊的正確率以及完成情況，來判斷學生是否做了充分地準備來學習本節課，找到已存在的迷思概念，從而有效轉化學生迷思概念的方法就能被教師通過課前了解而找到。

3.制作概念圖分析知識構建

學生可以在教師的引導下制作相關知識點的概念圖，在概念圖中能夠發現出學生的知識構建情況。比如：如果概念圖中沒有體現出來的知識點，則說明學生對該知識點的科學概念沒有掌握或忽略了。如果概念圖中的知識點發生混淆，則說明學生在此處迷思了。此時，需要教師對學生進行引導，指導學生將知識點之間的邏輯關系梳理清楚，核心概念的迷思從而得到解決。

（二）觀察實驗現象

大量概念轉變為教學存在于高中物理教學中，當教師和學生的所堅持的理念彼此不同時，就能使學生產生對原有概念進行進一步開發的想法，從而實現概念轉變。學生了解對已有概念替換或調整的充分性會促進他們更加有效地轉變迷思概念。

1.進行演示實驗產生認知沖突

學生可以直接觀察實驗過程中的變化，并記錄下變化，以此帶來視覺沖擊。當學生發現實驗結果與預測不相匹配時，他們就會產生更加強烈的認知沖突，從而激發出探索意識，確立正確的科學概念。例如，在自由落體運動的學習中，有部分學生會結合在生活中的感性經驗知道“重快輕慢”這個結論是錯誤的。即使已知其概念錯誤，學生依然會迷思，比如在人們的印象中，鐵和羽毛的質量差距很大，便認為鐵下落的速度一定大于羽毛的速度。此時，牛頓管這一演示實驗可以引導學生形成正確的概念。引導學生觀察當管內接近于真空時，二者的下落速度近似相同的。以上實驗可使學生產生認知沖突，結合實驗現象，使學生構建正確的自由落體概念。

2.創設問題情景產生認知沖突

學生的相異構想也大都來自生活的感性認識，比如學生通過拔河比賽就會認為若一方的拉力F1大于另一方的拉力F2，則F1一方就會獲勝，所以想要改變學生頭腦中的頑固的錯誤概念，就要讓學生處于生活環境的情景中，并通過分析拔河的兩邊整體所受到的兩個力，即兩邊的拉力和腳所受的摩擦力，而且要讓學生知道一根繩上的兩個拉力是相等的，那么在拔河比賽中，若一方A 所受到的摩擦力大于另一側B 的摩擦力，則A 獲勝，以此增加學生的切實感受與感性認識，加深學生的印象，讓學生頭腦中形成正確的科學概念。

3.學生分組實驗產生認知沖突

學生之間通過團隊協作，齊心協力完成相互了解，達到交流的目的。合作學習方式其中之一就是學生小組，這一方式能夠使學生們相互促進從而建構科學概念，因此教師在了解學生迷思概念的基礎上，嘗試將具有不同物理迷思概念的學生分到同一組，讓他們進行小組實驗，觀察實驗現象，得出結論，在整個實驗過程中具有不同迷思概念的同學引發認知沖突，一起討論。這個方法能使學生主動找到對原有概念的誤解。

（三）解釋認知沖突

1.學生解釋找到問題突破口

在物理教學過程中，當學生遇到疑難問題時教師會向學生解釋說明，實際上學生自己作出解釋也是不可缺少的。當學習者遇到迷思概念時，教師可以引導學生自己采用解釋的方法來找到構建概念時出現的問題，學習者就能發現攻破問題難關的方向，從而幫助學生解決迷思的知識，建構起科學的概念。例如，在學習“加速度與力的關系”的探究實驗時，如圖5 所示，當人施加一個拉力F 作用在物體A 上，分析繩的拉力，學生往往會認為物體A 所受到的繩的拉力就是所給出的拉力F，當用一個物體B 代替拉力F 的時候，學生往往會認為物體A 所受到的繩的拉力就是物體B 的重力。遇到這種情況，教師可以做如圖6 所示的實驗，學生可以觀察到圖6 的彈簧測力計的示數不等于物體B 的重力，可做如下分析：

圖5

圖6

由（7）（8）可得：

由以上分析可知，當用一個物體B 代替拉力F 的時候，兩個物體同時做加速運動，物體A 所受到的拉力：

可見，不等于物體B 的重力。

因此當拉力F 被物體B 所代替時，兩個物體同時做加速運動，物體A 所受到的繩的拉力不是物體B 的重力，此時預測結果與真實情況產生了“沖突”，這種“沖突”讓他們產生質疑，經小組討論并推導，調和沖突，逐漸轉變頑固的錯誤前概念。最后教師再進行引導和解釋，對概念形成正確的認識。

2.學生合作反思迷思概念

通過學生之間的合作學習，能夠創設一個愉快的學習氛圍，學生可以暢所欲言，相異的觀點擦出火花。當某一同學所持的觀點得不到其他人認可時，發言者就會對自己的解釋或預測進行詳細檢查，依靠突破原本認知的觀念獲得新的知識、看法來獲得學生們的贊同。在打破與重鑄的過程中會讓學生的思維一步一步發散，對固有的想法和理解進行自我修訂，從而實現迷思概念的轉變。

3.學生推理歸納構建科學概念

該方法需要學生具有較強的邏輯思維，教師可以用生活中的物理現象使學生的思維觀點進行放大，思考為什么會產生迷思概念，從現象到本質，促進學生進行歸納、推理、反思，從而確立科學結論。例如，教學“力的合成與分解”時，學生會產生“合力一定大于分力”的迷思概念。教師可組織學生通過使用彈簧測力計進行實驗，兩個力大小相等，夾角為120 度，讓學生利用平行四邊形定則將兩個力合成，學生合成后發現兩個力的合力與兩個分力大小是相等的，得出結論。此時實驗結果就會與學生的生活經驗產生沖突時，促使學生在觀察、猜想、實驗、驗證的過程中掌握合力與分力之間的關系的科學概念。

五、結語

本研究在教學實踐中，雖然對于高中生力學迷思概念的轉化有一定的作用，對實踐教學有一定的借鑒意義，但研究還存在以下不足：以POE 教學策略為根本，對高中物理中力學部分易出現的迷思概念制定了轉化策略。但在實際的教學實踐中會出現一些意外情況，比如，實驗演示的過程操縱不當，抑或者可能學生不能客觀地診斷自己掌握的知識導致他們在制作概念圖的時候不能真實地反映他們的學習情況，這就導致教師在了解學生出現的迷思概念時具有片面性，因此就會導致教學效果不顯著?；谝陨蠁栴}，基于POE 教學策略對迷思概念的轉化路徑具有進一步研究與優化的空間。