運(yùn)用概念變化策略，建構(gòu)學(xué)生科學(xué)物理概念

以皮亞杰認(rèn)知理論為基礎(chǔ)發(fā)展起的建構(gòu)主義認(rèn)為［1］：學(xué)生學(xué)習(xí)新的概念之前，頭腦中已經(jīng)有大量的、在日常生活基礎(chǔ)上形成的相關(guān)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，這些知識(shí)經(jīng)驗(yàn)稱之為前概念；學(xué)生的學(xué)習(xí)過程就是通過新舊經(jīng)驗(yàn)的相互作用來建構(gòu)自己的知識(shí)的過程。在促使學(xué)生建立科學(xué)的物理概念的教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)關(guān)注學(xué)生的前概念，并采取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略有效的促使學(xué)生建立科學(xué)的物理概念?！案拍钭兓闭腔诖说囊环N教學(xué)策略，它通過對(duì)學(xué)生前概念進(jìn)行發(fā)展、修正、改變等手段去建構(gòu)完整的科學(xué)物理概念。其教學(xué)設(shè)計(jì)的一般流程如下［2］：

下面以高中物理［3］《波的形成與傳播》為例簡(jiǎn)析如何運(yùn)用概念變化策略運(yùn)用于教學(xué)當(dāng)中。

1本節(jié)教學(xué)主要內(nèi)容

參照教材及近幾年的高考考試說明，本節(jié)教學(xué)內(nèi)容中，學(xué)生要建構(gòu)的物理概念主要有：

（1）在介質(zhì)中，前面的質(zhì)點(diǎn)帶動(dòng)后面質(zhì)點(diǎn)，后面的質(zhì)點(diǎn)重復(fù)前面質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而形成機(jī)械波。

（2）機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，傳播的是機(jī)械振動(dòng)這種形式，質(zhì)點(diǎn)不會(huì)隨波遷移。

（3）機(jī)械波是大量質(zhì)點(diǎn)的集體表現(xiàn)，是宏觀現(xiàn)象。

2學(xué)生的機(jī)械波前概念調(diào)查分析

實(shí)施教學(xué)內(nèi)容之前，通過問卷的方式對(duì)學(xué)生的前概念進(jìn)行調(diào)查，情況如下：

確定教學(xué)任務(wù)→了解學(xué)生前概念→分析前概念，確立概念變化的方式、途徑→建立物理概念

2.1教材中為引入課題所列舉機(jī)械波的現(xiàn)象中，大部分不會(huì)得到學(xué)生的認(rèn)可

教材中回避了以給機(jī)械波定義的方式去開始講解機(jī)械波，而是通過一些具體的現(xiàn)象讓學(xué)生了解什么是機(jī)械波，之后再分析機(jī)械波是如何形成與傳播的。但是，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)書上的列舉的現(xiàn)象大部分得不到學(xué)生的認(rèn)可。

如大部分學(xué)生不認(rèn)為“五星紅旗迎風(fēng)飄揚(yáng)，是波在旗子上傳播”、“舞蹈演員舞動(dòng)的長(zhǎng)綢顯示了波的傳播情況”。不認(rèn)可的學(xué)生前者約占85%，后者約占81%。同樣，也只有極少數(shù)人（6%左右）知道“地震對(duì)建筑物的破壞是通過地震波實(shí)現(xiàn)的”。但對(duì)于“水波是機(jī)械波”的說法大部分學(xué)生（74%）覺得可以理解，這可能與學(xué)生生活中經(jīng)常接觸到“水波”有關(guān)系。

2.2對(duì)于機(jī)械波的形成與傳播過程，幾乎沒有學(xué)生能給正確的、全面的理解

學(xué)生中較為典型的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)是：

（1）介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)會(huì)隨著機(jī)械波的傳播而遷移；

如認(rèn)為聲音在傳播時(shí)把空氣傳播出去了、在池塘中激起的水波向岸邊傳播時(shí)也把水推向岸邊。

（2）一個(gè)質(zhì)點(diǎn)也能形成機(jī)械波；

（3）機(jī)械波可以在真空中傳播；

當(dāng)然學(xué)生認(rèn)識(shí)中也有合理的成份：

（4）機(jī)械波是和機(jī)械振動(dòng)相聯(lián)系的；

（5）機(jī)械波具有周其性；

另外，通過分析學(xué)生的前概念，發(fā)現(xiàn)還有以下特點(diǎn)：

2.3前概念中有合理的成份，也有不合理的成份

學(xué)生的某些前概念是與科學(xué)概念相一致的（前科學(xué)概念）。如：機(jī)械波是某種振動(dòng)相聯(lián)系、波在傳播時(shí)具有周期性和水波是一種波等。

大多數(shù)前概念是不科學(xué)的（相異構(gòu)想）。如機(jī)械波傳播時(shí)介質(zhì)會(huì)隨波遷移、一個(gè)質(zhì)點(diǎn)也可以形成機(jī)械波等等。

2.4不同學(xué)生的前概念不盡相同

如雖然大多數(shù)同學(xué)不認(rèn)為五星紅旗迎風(fēng)飄揚(yáng)是波在旗子上傳播，但也有少部分學(xué)生卻認(rèn)可。

2.5就學(xué)生個(gè)體而言，其前概念體系往往自相矛盾

如有的學(xué)生認(rèn)為，水波傳播時(shí)會(huì)將水送到岸邊，但同時(shí)又認(rèn)為聲音傳播時(shí)不會(huì)把空氣傳播出去。

上述特點(diǎn)和有關(guān)文獻(xiàn)中提出的前概念特點(diǎn)是一致的。

3教學(xué)策略設(shè)計(jì)及實(shí)施過程

3.1教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題

根據(jù)學(xué)生具有的前概念及其特點(diǎn)，在實(shí)施概念變化策略時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

(1)要重視學(xué)生的前概念中的合理成分，以便在此基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展以建構(gòu)科學(xué)概念；

(2)針對(duì)學(xué)生前概念的自相矛盾之處，要巧妙設(shè)置物理情景，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，將學(xué)生的錯(cuò)誤前概念轉(zhuǎn)變科學(xué)的概念；

(3)由于不同學(xué)生間的前概念結(jié)構(gòu)并不相同，在教學(xué)中注意加強(qiáng)學(xué)生間的交流的合作，促使學(xué)生團(tuán)體共同建構(gòu)一個(gè)科學(xué)的概念。

3.2教學(xué)過程

3.2.1從分析實(shí)例開始，發(fā)展學(xué)生“機(jī)械波”的概念

基于大部分學(xué)生都承認(rèn)水波是機(jī)械波這一事實(shí)，教學(xué)之初從分析討論水波這一常見的現(xiàn)象對(duì)學(xué)生“機(jī)械波”概念進(jìn)行發(fā)展。

演示：用光學(xué)投影儀、水槽、振動(dòng)源演示水波現(xiàn)象（圖1）。

先提出一個(gè)總體性的問題：水波是如何形成的？然后層層設(shè)疑，將問題引向教學(xué)核心：水波是否與水做機(jī)械振動(dòng)有關(guān)系？一個(gè)水分子是否可以形成機(jī)械波？

針對(duì)教師的問題，師生共同討論后得出這樣的認(rèn)識(shí)：

①水波是大量水共同形成的，是大量質(zhì)點(diǎn)的集體行為，是一種宏觀現(xiàn)象；

②水波和水上下振動(dòng)有關(guān)。

3.2.2建立機(jī)械波傳播的物理模型，轉(zhuǎn)變學(xué)生機(jī)械波中錯(cuò)誤前概念

（1）實(shí)驗(yàn)演示現(xiàn)象，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突

由調(diào)查知道，不少學(xué)生認(rèn)為機(jī)械波是由于介質(zhì)不停的向前傳播而形成的。因此，首先通過實(shí)驗(yàn)或生活中的例子讓學(xué)生看到實(shí)際情況并非如此，從而引發(fā)認(rèn)知沖突。

演示：在水波中入一小的紙屑或泡沫，可以看到，紙屑或泡沫只是在上下振動(dòng)，并沒有隨水波傳到盛水盒的邊緣（圖2）。

同樣的例子生活中也會(huì)遇到，當(dāng)皮球、氣球、紙船、落葉等漂浮在水面中央上時(shí)，想把它弄到岸邊檢起來，若通過朝水中扔石子激起水波將東西送至岸邊的方法總是不奏效（這個(gè)現(xiàn)象也可以播放真實(shí)情況的錄像讓學(xué)生了解）。

以上的實(shí)驗(yàn)和例子說明，機(jī)械波的形成與傳播，并非因?yàn)榻橘|(zhì)向前運(yùn)動(dòng)．介質(zhì)僅在原來的位置附近振動(dòng)。

此時(shí)學(xué)生頭腦中就產(chǎn)生了強(qiáng)烈的疑問：機(jī)械波到底是如何形成的？

（2）通過實(shí)驗(yàn)，建立正確的機(jī)械波形成與傳播的概念

為了便于分析機(jī)械波是如何形成與傳播的，必須建立波傳播的簡(jiǎn)化模型：一維波傳播模型。該模型不能從水波直接建立，通過下面過程逐步進(jìn)行：

①演示“繩波”（直接用軟繩演示效果不好，可用裝滿鋼珠的乳膠管代替軟繩演示［4］）如圖3：上下振動(dòng)，可以看到一孤立的向上凸起的波向前傳播，水平振動(dòng)，可以看到連續(xù)完整的波向前傳播（圖4）。

②比較繩波與水波，找出二者共同點(diǎn)：介質(zhì)各部分均振動(dòng)、均形成凹凸相間的形狀向前傳播。最后得出結(jié)論：繩中傳播的是機(jī)械波，它的形成與傳播原理，就是所有機(jī)械波的形成與傳播的原理。

③建立物理模型．將軟繩簡(jiǎn)化為若干質(zhì)點(diǎn)連接而成（圖5）

④利用箱式橫波演示儀演示機(jī)械波是如何形成與傳播的（圖6）。

通過以上教學(xué)過程，學(xué)生建立起如下概念：

①在介質(zhì)中，前面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，帶動(dòng)后面質(zhì)點(diǎn)也跟著振動(dòng)，但時(shí)間上有延遲，大量質(zhì)點(diǎn)相互“配合”形成機(jī)械波；

②質(zhì)點(diǎn)只是在各自的平衡位置附近振動(dòng)，不會(huì)隨波遷移；機(jī)械波傳播的是“機(jī)械振動(dòng)”這種運(yùn)動(dòng)形式。

（3）學(xué)生親自參與模擬機(jī)械波的形成與傳播，促使科學(xué)概念的形成

根據(jù)多元智力理論，學(xué)生參與模擬機(jī)械波的形成與傳播有利用于他們對(duì)科學(xué)概念的建構(gòu)。

如圖，讓十幾個(gè)學(xué)生站成一排，讓學(xué)生依次蹲下、站起，頭頂形成機(jī)械波。

比較摸擬的現(xiàn)象和真實(shí)機(jī)械波形成與傳播過程，如下：

①后面的同學(xué)看到前面同學(xué)蹲下、蹲起后重復(fù)前面同學(xué)的動(dòng)作前面的質(zhì)點(diǎn)帶動(dòng)后面的質(zhì)點(diǎn)，后面質(zhì)點(diǎn)重復(fù)前面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況；

②每位同學(xué)只是在原位置蹲下、站立，同學(xué)們傳遞了蹲下、站立這種運(yùn)動(dòng)形式質(zhì)點(diǎn)只是在平衡位置附近振動(dòng)，不會(huì)隨波遷移，機(jī)械波傳播了機(jī)械振動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)形式；

②頭頂形成“波”的形狀是多個(gè)同學(xué)相互配合的結(jié)果機(jī)械波是大量質(zhì)點(diǎn)的集體行為。

（4）解釋現(xiàn)象，解決認(rèn)知沖突

學(xué)生對(duì)于機(jī)械波的形成與傳播有了科學(xué)的認(rèn)識(shí)后，接下來讓學(xué)生解釋前面遺留的問題：水面上的紙屑為什么不會(huì)隨水波向前傳播？

至此，學(xué)生對(duì)機(jī)械波的形成與傳播概念有了較為科學(xué)的理解。但這種理解，建立在對(duì)機(jī)械橫波的分析上。因此還需分析機(jī)械縱波的情況對(duì)該概念拓展深化。

3.2.3進(jìn)一步發(fā)展科學(xué)概念，讓科學(xué)概念理解更全面深刻

前面所分析的機(jī)械波均屬于橫波，對(duì)于一個(gè)完整科學(xué)的概念而言，還需分析縱波的情況：

①演示彈簧中傳播機(jī)械波的情況（圖8，上圖是裝置圖，下圖表示縱波在傳播）；

②分析此現(xiàn)象，讓學(xué)生明確該現(xiàn)象傳播的也是一種振動(dòng)形式，是機(jī)械波，并給出橫波與縱波的概念；

③借助箱式縱波演示儀說明縱波是如何形成與傳播的；

④總結(jié)對(duì)機(jī)械波的形成與傳播概念的理解，如下：

不論是橫波還是縱波，均有：

理解1，機(jī)械波的形成是因?yàn)榍懊娴馁|(zhì)點(diǎn)帶動(dòng)后面的質(zhì)點(diǎn)，后面的質(zhì)點(diǎn)重復(fù)前面的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；

理解2，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)并不隨波遷移，只是在各自的平衡位置附近振動(dòng)；

理解3，機(jī)械波是大量質(zhì)點(diǎn)的集體行為，機(jī)械波傳播的是振動(dòng)這種形式

4結(jié)束語

運(yùn)用概念變化策略促使學(xué)生建構(gòu)物理概念，最重要的環(huán)節(jié)就是準(zhǔn)確了解學(xué)生前概念和現(xiàn)有的知識(shí)水平。由于學(xué)生個(gè)體不同、生活環(huán)境不同均會(huì)導(dǎo)致學(xué)生前概念的不同，因此，運(yùn)用此策略時(shí)要充分考慮不同班級(jí)學(xué)生、不同學(xué)生個(gè)體的具體情況。

由于教學(xué)內(nèi)容的不同，采取的教學(xué)策略也會(huì)不相同，“概念變化”策略并不排斥其它策略，甚至是同一堂課的教學(xué)設(shè)計(jì)，也有可能會(huì)多種教學(xué)策略并用。但是，關(guān)注學(xué)生原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，采取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理概念的理解，是每一個(gè)教師應(yīng)當(dāng)具備的教學(xué)理念，這也正是新課程中所提倡的，“概念變化”教學(xué)策略恰好反映了這一要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］張建偉、陳琦. 從認(rèn)知主義到建構(gòu)主義. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（社科版)， 1996， 4: 75-82．

［2］P. H. Scott ， H. M. Asoko ， R. H. Driver 著 郭玉英、盧俊梅譯.“為概念轉(zhuǎn)變而教”策略綜述.物理教師，2003，Vol.24 No.5

［3］人民教育出版社物理室編著.全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書（必修加選修） 物理（第二冊(cè)） .北京：人民教育出版社出版，2003

［4］劉偉．繩波的演示．物理實(shí)驗(yàn)．.2004.vol24 No．11

（欄目編輯羅琬華）