從物理學(xué)習(xí)的認知過程看物理實驗研究

易其順

(廣西民族師范學(xué)院物理與信息技術(shù)系,廣西崇左532200)

1 引 言

物理實驗是物理教學(xué)的基礎(chǔ),因此物理實驗研究一直以來都是物理教育研究的熱點,然而,目前關(guān)于物理實驗研究過多地注重技術(shù)和方法,而忽視學(xué)生知識學(xué)習(xí)的認知過程分析,因而所開發(fā)出來的實驗往往看起來比較好,其實與教學(xué)實際相去甚遠,沒有發(fā)揮物理實驗應(yīng)有的價值和功能.因此,有必要從學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的認知過程這一角度來審視物理實驗研究,讓廣大教師明確各種物理實驗研究所努力的方向.為此,本文從物理學(xué)習(xí)的認知過程來看物理實驗研究.

2 物理學(xué)習(xí)的認知過程

不同物理知識的學(xué)習(xí)有不同的認知過程,有的知識通過感知物理現(xiàn)象之后,經(jīng)過簡單的科學(xué)抽象就可以理解,而有的知識通過感知物理現(xiàn)象之后,必須通過認知結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化或調(diào)整才能理解.為了讓大家知道到底哪些知識的學(xué)習(xí)需要認知的調(diào)整和轉(zhuǎn)變,哪些不需要,筆者對物理學(xué)習(xí)的認知過程進行如圖1所示的分類.從圖1中可看出物理知識按學(xué)生認知特點可分為4種不同的過程.對于沒有相關(guān)經(jīng)驗的知識的學(xué)習(xí),必須通過實驗來創(chuàng)設(shè)物理學(xué)習(xí)的情境,增強學(xué)生的感性認識,才能理解,這類實驗稱為增強感性認識實驗.而對于學(xué)生已有相關(guān)經(jīng)驗且這些經(jīng)驗與科學(xué)知識完全相同時,只要喚起學(xué)生頭腦中的感性認識,就可以順利地理解.對于已有經(jīng)驗與科學(xué)知識部分相同的知識學(xué)習(xí),必須通過實驗來促進學(xué)生認知的調(diào)整才能理解,這類實驗稱為認知調(diào)整實驗.對于已有經(jīng)驗與科學(xué)觀念相違背的知識學(xué)習(xí),必須通過實驗來促進學(xué)生認知的轉(zhuǎn)變才能完成,這類實驗稱為認知轉(zhuǎn)變實驗.

圖1 物理學(xué)習(xí)的認知過程

3 物理實驗研究

從上面的分析可知,不同知識的學(xué)習(xí)有不同的理解過程,需要不同類型的實驗,因此物理實驗研究應(yīng)該根據(jù)不同類型實驗的作用來確定努力的方向.接下來從3種不同類型的實驗的研究進行介紹.

3.1 增強感性認識的實驗研究

感性認識是物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),在學(xué)生對所學(xué)的知識沒有相關(guān)的經(jīng)驗時,必須通過實驗創(chuàng)設(shè)物理情境,增強學(xué)生的感性認識.因此這些實驗應(yīng)力爭作到直觀明顯,突出物理的本質(zhì).對于增強感性認識的實驗研究一般有以下幾種.

3.1.1 疑難實驗研究

所謂疑難實驗研究是指在物理教學(xué)過程中難以操作,很難成功的實驗.這種實驗研究的目的是使疑難實驗不再疑難,將直觀明顯的實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)給學(xué)生,增強感性認識的效果,以促進學(xué)生形成概念和掌握規(guī)律.因此研究的方法都是分析疑難的原因,尋找突破疑難的辦法.最典型的例子就晶體的熔化實驗的研究.晶體的熔化和凝固一直以來都被認為是中學(xué)物理實驗中最難的實驗之一,之所以難,是因為該實驗中采用的晶體是熱的不良導(dǎo)體,加熱時試管壁的晶體溫度已經(jīng)達到熔點了,而溫度計附近晶體的溫度還低于熔點,它們的溫差在2℃左右,而一旦試管中晶體開始熔化,變成了液體后,導(dǎo)熱性大大加強,使得剩下的晶體很快就熔化,結(jié)果得不到理想的溫度保持不變的過程,也就很難得出晶體熔化時溫度保持不變的規(guī)律.針對這一點很多物理教師都在不斷地改進,已經(jīng)取得很大的進步,但是目前效果還是不夠理想,仍需繼續(xù)努力.

當(dāng)然,對于疑難實驗的研究來說,大家應(yīng)學(xué)會用辨證的眼光來看待.找到突破疑難的辦法當(dāng)然最好不過,可是有些實驗適當(dāng)?shù)亓艚o學(xué)生一些疑難也是有好處的.比如說,目前在中學(xué)物理教學(xué)中,教師只做有把握的實驗,而對于沒有把握的實驗卻只字未提,結(jié)果給學(xué)生的印象是物理實驗都是很成功的,沒有什么坎坷.這無形中給學(xué)生傳遞這樣的信息:科學(xué)研究總是一帆風(fēng)順的,沒有什么困難.這樣不利于學(xué)生對科學(xué)的本質(zhì)的理解.相反,如果教師在晶體熔化等類似的教學(xué)中適當(dāng)?shù)亓艚o學(xué)生一些疑難對學(xué)生是有幫助的.所以說,有的實驗讓學(xué)生經(jīng)歷種種困難后得出接近理想的結(jié)果比因采用精密儀器和高新技術(shù)后輕而易舉地獲得理想的數(shù)據(jù)更有價值.

3.1.2 針對抽象的知識設(shè)計實驗

物理概念和規(guī)律都是在豐富的感性認識的基礎(chǔ)上進行科學(xué)思維的產(chǎn)物.然而中學(xué)生的思維水平如何呢?有研究[1]表明:我國初中學(xué)生的物理思維基本上還處于具體運算階段和前運算階段,高中學(xué)生的思維處于過渡期,即從具體運算向形式運算階段.這就說明中學(xué)生的物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)還必須借助具體事物、現(xiàn)象的支持.因此作為物理教師要清楚,知識抽象之處就是學(xué)生理解困難之處.此時,針對這些難點設(shè)計實驗來架設(shè)思維的臺階是非常必要的.

比如在浮力的教學(xué)中,學(xué)生難以理解的一個問題是“沉底的物體也受到液體對它的浮力”.由于目前的教材沒有相關(guān)的實驗,所以很多教師在教學(xué)中,只能直接告訴學(xué)生“沉到水底的物體也受到水對它的浮力”,有的甚至在課堂上避而不談.給人的感覺就是教材和教師因找不到合適的實驗而特意回避,但是學(xué)生的思維并不因為這樣的回避而終止,相反可能因為回避而更加活躍,可惜這種活躍是一種困惑,甚至是一種混沌狀態(tài).這樣的狀態(tài)如果不能及時指點迷津就會影響到后面的學(xué)習(xí).因此設(shè)計實驗似乎是明智的選擇.為此可用如圖2的實驗[2],先將金屬塊和托盤一起掛在掛鉤上,并使它們完全沒入水中如圖2(a),記下此時彈簧秤的讀數(shù) F1,先讓學(xué)生思考:如果將掛金屬塊的繩子解開,將金屬塊放在托盤上,彈簧秤的讀數(shù)將如何變化?為什么?然后再將掛金屬塊的繩子解開,將金屬塊放在托盤上,記下彈簧秤的讀數(shù) F2,比較 F1和 F2的大小,最后讓學(xué)生思考為什么 F1=F2?這樣學(xué)生經(jīng)過思考后就會悟出“沉底的鐵塊也受到浮力”.

圖2 演示浮力的實驗裝置示意圖

3.1.3 拓展感覺通道實驗研究

心理學(xué)的研究[3]表明:只從視覺獲得信息能夠記住大約25%,只從聽覺獲得信息能夠記住大約15%,若把視覺與聽覺結(jié)合起來使用,那么將會記住65%.這充分說明了綜合使用多種感官的重要性.況且有的信息對某種感官來說反應(yīng)不夠靈敏,而對另外一種感官來說卻非常靈敏.因此可以利用這一原理來拓展感覺通道,加大信息刺激,增強感性認識,促進概念的形成.江西南昌市中學(xué)的黃恕伯老師1996年在桂林舉行的物理實驗教學(xué)高級研修班上介紹的利用耳朵來感覺加速度就是一個很好的嘗試.

大家都知道,加速度是表示物體運動速度的變化率.人們在判斷速度變化快慢時往往用眼睛觀察,可是當(dāng)速度變化比較慢時人眼卻很難觀察得出來.然而,耳朵對聲音的頻率變化的感覺很靈敏(人耳聽覺的范圍16～20 000 Hz).為此,可以將速度變化轉(zhuǎn)變?yōu)槁曇纛l率地變化,然后用耳朵來感覺.比如在斜面上讓小車拉著磁帶往下滾動,磁帶又穿過錄音機磁頭,磁帶與磁頭摩擦,使磁頭產(chǎn)生聲音,由于速度在不斷變化,所以錄音機的聲音也在不斷的變化,這樣耳朵就可以聽出速度變化大小來.通過視覺和聽覺結(jié)合強化了感知的效果,促進學(xué)生對加速度概念的理解.

當(dāng)然,對于促進感性認識的實驗研究來說,不應(yīng)只停留在物理現(xiàn)象的呈現(xiàn),而應(yīng)該在此基礎(chǔ)上,想方設(shè)法通過現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生積極、主動地進解新知識.對于這一點我們認為:對于某個新知識的學(xué)習(xí)不要在學(xué)生毫無思想準備時貿(mào)然地強加給學(xué)生,而應(yīng)想辦法將意想不到的現(xiàn)象擺在他們面前,使他們的認知結(jié)構(gòu)發(fā)生激烈沖突,在他們感覺到有尋找其他知識來解釋他們所面臨的現(xiàn)象的必要時,再開始新知識的學(xué)習(xí).比如有關(guān)渦流的原理也是中學(xué)生要了解的內(nèi)容,設(shè)計一個實驗幫助學(xué)生了解其原理非常必要.但若直接把渦流的現(xiàn)象原汁原味地演示,學(xué)生并無多大興趣,如果能把一種意想不到的現(xiàn)象擺在他們面前,讓他們思想發(fā)生矛盾,當(dāng)他們設(shè)法尋找知識來解釋時再開始有關(guān)渦流的學(xué)習(xí),這樣會更好.比如可以用如圖3所示的實驗[4]來實現(xiàn).圖中為2個長度大小一樣、但傾斜度不同的鋁槽(裝飾用),讓同樣大小的圓形鐵片和圓形磁鐵分別從1和2兩個鋁槽滾下,實驗前不說明磁鐵和鐵的不同,讓學(xué)生預(yù)測哪個先到底端,學(xué)生會根據(jù)他們所熟悉的斜面越陡下滑越快的觀念來預(yù)測.可是到演示時卻發(fā)現(xiàn)越陡的反倒越慢,這樣學(xué)生認知結(jié)構(gòu)就發(fā)生沖突,各種猜想會隨之而來.這時教師若指導(dǎo)得當(dāng),學(xué)生會自己找到是因為渦流的原故,渦流原理的學(xué)習(xí)也就水到渠成了.

圖3 渦流演示裝置

3.2 認知調(diào)整的實驗研究

當(dāng)學(xué)習(xí)的知識在學(xué)生頭腦中已有相關(guān)的經(jīng)驗,而且這些經(jīng)驗與所要學(xué)習(xí)的知識部分相符,這類知識的學(xué)習(xí)必須通過實驗幫助學(xué)生進行必要的認知調(diào)整才能實現(xiàn).那么如何才能促進認知的調(diào)整呢?根據(jù)奧蘇貝爾的概念同化可以得到啟發(fā).他認為[5]:學(xué)生能否學(xué)得新信息,主要取決于他們認知結(jié)構(gòu)中已有的有關(guān)概念;意義學(xué)習(xí)是通過新信息與學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中已有的有關(guān)概念的相互作用才得以發(fā)生的;由于這種相互作用的結(jié)果,導(dǎo)致了新舊知識的意義的同化.皮亞杰也認為這種同化只有在兒童積極參與建構(gòu)時才可能發(fā)生,學(xué)習(xí)所關(guān)注的應(yīng)該是兒童的心理建構(gòu)活動.由此可見,認識的調(diào)整是認知的同化,而實現(xiàn)同化離不開學(xué)生積極的思維過程.因此作為促進認知調(diào)整的實驗應(yīng)該在促進學(xué)生積極思維上下功夫.

比如阿基米德定律實驗研究就是典型例子.眾所周知,阿基米德原理是物體受到的浮力等于它所排開的液體的重力.學(xué)生在前面的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道“浸入液體中的物體受到的液體對它的浮力與排開的水的量有關(guān)”.因此如何使學(xué)生的“物體受到的液體對它的浮力與排開的水的量有關(guān)”的觀念調(diào)整為“物體受到的浮力等于它所排開的液體的重力”這才是阿基米德定律教學(xué)的重心所在,同時也是阿基米德原理實驗研究的重點.然而,現(xiàn)有的阿基米德實驗都是將精力集中在減少誤差,以便將“排開的水的重力等于浮力”這一事實直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生.這種直觀得讓人一看就懂的教學(xué)實際上是用實驗來告訴學(xué)生“物體受到的浮力等于排開水的重力”,而阿基米德在探索阿基米德原理時所經(jīng)歷的激動人心的認知的調(diào)整以及為尋找突破口苦思冥想的思維過程則不見蹤影,而這些恰恰又是最能體現(xiàn)科學(xué)探究本質(zhì)的過程,同時也是認知調(diào)整所需要的.因此作為促進認知調(diào)整的阿基米德原理的實驗就不能缺少這樣的環(huán)節(jié).比如可以采用如下的實驗活動來進行.

演示如圖4實驗.

師:學(xué)生彈簧秤讀數(shù)包括哪幾部分的重力?

生:包括鋁塊、小水桶和小水桶里的水.

師:如果讓鋁塊浸沒入桌面上小水桶里的水中,水面如何變化?彈簧秤讀數(shù)又怎么變化?

生:小水桶水面上升,彈簧秤讀數(shù)變小.

師:為什么?

生:因為鋁塊受到水對它的向上的浮力.

圖4 演示阿基米德實驗的示意圖

(教師將鋁塊浸沒入水中,并讓學(xué)生觀察彈簧秤示數(shù)的變化.)

師:觀察到什么現(xiàn)象?

生:彈簧秤示數(shù)減少,桌面上的小水桶水面上升.

師:彈簧秤示數(shù)為什么減少了.

生:鋁塊受到浮力.

師:怎樣才能使彈簧秤的示數(shù)回到原來的讀數(shù)?

(引導(dǎo)學(xué)生向水桶加水)

師:往小水桶加多少水才能使示數(shù)回到原來的讀數(shù)?

生:加的水的重力等于鋁塊受到的浮力.

(教師向小水桶加水,指導(dǎo)學(xué)生比較兩水桶中液面上升多少.)

師:水桶1中加的水與水桶2中上升的水有何關(guān)系?

生:水桶1中加的水與水桶2中上升的水一樣多.

師:鋁塊受到的浮力與它所排開的水有什么關(guān)系?

生:鋁塊受到的浮力等于它所排開的水的重力.

師:這也只是猜想,現(xiàn)在大家設(shè)計實驗來驗證猜想.

(引導(dǎo)學(xué)生進一步拓展到“一切物體浸入液體里時,所受的浮力等于它所排開的液體的重力”.)

這樣的過程比起原來的實驗多花了不少時間,走了很多的彎路,可是這些彎路讓學(xué)生真正經(jīng)歷了探究的過程,當(dāng)學(xué)生因為體會到發(fā)現(xiàn)知識的樂趣而露出滿意的微笑時,有誰還去懷疑這些彎路的價值?

3.3 認知轉(zhuǎn)變實驗的研究

當(dāng)學(xué)習(xí)的知識在學(xué)生頭腦中有相關(guān)的經(jīng)驗,而且這些經(jīng)驗與知識相違背,這就是平時所說的前概念.前概念有以下幾個特點:廣泛性、自發(fā)性、頑固性、隱蔽性.這些特點給出啟示是:前概念普遍存在,教師要隨時作好應(yīng)對的準備;那些認為只通過正面的教學(xué),或者草率地演示一通,再加上機械的強化就可以讓學(xué)生真正理解的想法是過于天真的.那么怎樣才能克服這一困難呢?大量的研究已經(jīng)表明要想讓學(xué)生真正理解這些知識必須想方設(shè)法讓學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變,即讓學(xué)生的前科學(xué)概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念.那怎樣才能促進認知的轉(zhuǎn)變呢?我們從概念轉(zhuǎn)變的學(xué)習(xí)理論可以得到啟發(fā).要促進概念轉(zhuǎn)變,必須使學(xué)生在一個具有挑戰(zhàn)性的情景中,解決他們已有的前科學(xué)概念與公認的科學(xué)概念之間的矛盾沖突,通過新舊經(jīng)驗的相互作用,積極主動地構(gòu)建新概念的意義[6].波斯納等人也認為[7]:概念轉(zhuǎn)變必須提供以下4個條件:1)學(xué)習(xí)者對當(dāng)前的概念產(chǎn)生不滿;2)新概念的可理解性;3)新概念的合理性;4)新概念的有效性.根據(jù)這樣的理論,要促進概念轉(zhuǎn)變,首先必須制造認知沖突的情景,能讓學(xué)生經(jīng)驗與現(xiàn)實產(chǎn)生激烈矛盾;然后讓學(xué)生意識到自己觀念的不足;最后設(shè)法讓學(xué)生相信新的概念適應(yīng)范圍更廣.根據(jù)這樣的思路來研究實驗可以達到很好的效果.

比如在機械波教學(xué)中,一個眾所周知的難點,就是不易使學(xué)生信服在波的傳播過程中媒質(zhì)質(zhì)點本身并沒有隨波遷移,傳播的只是振動的形式,究其原因,是因為在日常生活中的一些波動現(xiàn)象,如水波等,往往會給人一種有物質(zhì)隨波向前移動的感覺,之所以會有這種普遍的錯覺,與人類視覺的局限性有關(guān).若能設(shè)計一個實驗,讓學(xué)生意識到這種感覺的局限性,對他們克服機械波的學(xué)習(xí)困難應(yīng)該是有幫助的.為此可用如圖5所示的實驗[8].在演示器面板上開有2排小孔,其中上面一排孔正對著孔裝有一排光源,下面一排小孔后只有1個可沿小孔橫向移動的光源,若一排光源依次發(fā)光,則對于面板正面的觀察者來說,就會得到有1個亮點沿小孔橫向移動的視覺效果.同樣,1個光源移動也是這種視覺效果,如果調(diào)節(jié)好一排光源依次發(fā)光的頻率和單個光源移動的速率,使二者同步,則在上下2個亮點移動中,觀察者將無法區(qū)分哪一個是由單個光源移動產(chǎn)生的,哪一個是由一排光源依次發(fā)光而產(chǎn)生的,這樣就說明了視覺的局限性.同樣在連續(xù)媒質(zhì)中質(zhì)點依次振動產(chǎn)生的效果被看成是質(zhì)點向前運動的效果,也是由于視覺的這種局限造成的,單憑視覺無法直接區(qū)分振動狀態(tài)在連續(xù)媒質(zhì)中依次傳播和單個物體連續(xù)運動所產(chǎn)生的效果.從而讓學(xué)生意識到自己的原有觀念存在不足,這樣便為觀念的轉(zhuǎn)變打下了堅實的基礎(chǔ).

圖5 演示視覺局限實驗裝置示意圖

上述的例子是從如何促使學(xué)生意識到自己觀念的不足這一角度來考慮的,實際上對于促進認知轉(zhuǎn)變的實驗研究來說最應(yīng)該、也是最值得下功夫之處是如何激發(fā)學(xué)生的認知沖突,這才是觀念轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵,同時也是教學(xué)過程中最精彩、最激動人心之處.比如物體沉浮條件的實驗,學(xué)生從小就觀察到物體的沉浮現(xiàn)象,對沉浮已有了自己的理解.學(xué)生會認為:重的物體會沉,輕的物體會浮;金屬物體會下沉;空心的物體會浮,實心的物體會沉;……,等等.因此物體沉浮條件的教學(xué)就應(yīng)該想方設(shè)法讓學(xué)生的這些觀念轉(zhuǎn)變?yōu)槲矬w的沉浮與物體本身的重力和所受的浮力大小比較有關(guān),當(dāng)重力大于浮力則下沉,當(dāng)重力小于浮力則上浮.而要實現(xiàn)轉(zhuǎn)變首先必須創(chuàng)設(shè)能激發(fā)認知沖突的環(huán)境.比如可以用如圖6所示的實驗來進行.其中a和b都是啤酒瓶蓋,但b已經(jīng)扭成一團,c,d,e和f體積相同,c和d形狀和質(zhì)量都相同但放置方式不同,d和e質(zhì)量相同但形狀不同,e和f體積及形狀都相同.先將6個物品放在桌面上,讓學(xué)生感覺它們的大小和輕重.然后讓學(xué)生判斷將這些物品放到水面時是沉還是浮,并說明理由(這個過程中學(xué)生會利用自己的前概念“成功”地解決問題).最后讓學(xué)生一個個驗證自己的判斷是否正確(這個過程學(xué)生會發(fā)現(xiàn)自己的觀念與實驗事實存在矛盾).通過這樣的活動來創(chuàng)設(shè)認知沖突的情境,使學(xué)生的原有觀念和現(xiàn)實產(chǎn)生不可調(diào)和的矛盾.在這樣的矛盾狀態(tài)下“決定物體的沉浮的因素是什么?”這樣一個科學(xué)問題就自然而然地被提出來.緊接著種種猜想也會隨著出現(xiàn),如果教師指導(dǎo)得當(dāng),發(fā)現(xiàn)物體沉浮條件也就順理成章了.這個實驗還給我們的啟示是對于激發(fā)認知沖突的實驗并不需要多么昂貴、多么復(fù)雜的器材,相反那些取材于日常生活、以日常生活的方式呈現(xiàn)的實驗更容易激發(fā)學(xué)生的認知沖突.像這樣低成本高智慧的實驗應(yīng)該成為物理實驗研究一個夢寐以求的境界.

圖6 物體沉浮實驗的用物品

4 結(jié)束語

物理學(xué)習(xí)不是由教師向?qū)W生傳送知識,而是學(xué)生根據(jù)外在的信息,通過自己已有的經(jīng)驗來建構(gòu)自己對知識理解的過程.因此,根據(jù)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的認知過程來研究實驗可以使實驗真正成為能促進學(xué)生理解的活動,同時也為物理實驗研究提供了一個暫新的思路.

[1] 喬際平,邢紅軍.物理教育心理學(xué)[M].南寧:廣西教育出版社,2002:30.

[2] 易其順,蔣志年.物理學(xué)科中“浮力”實驗的教學(xué)研究[J].教學(xué)與管理,2006,(4):102-103.

[3] 梁樹森.物理學(xué)習(xí)論[M].南寧:廣西教育出版社,1996:113.

[4] 易其順.低成本物理實驗開發(fā)的研究[J].教學(xué)儀器與實驗,2004,(11):21-22.

[5] 施良方.學(xué)習(xí)論[M].北京:人民教育出版社,2003:233.

[6] Driver R,Guesne E,Tibergien A.Children’s ideas in science[M].UK:M ilton Keynes,1985.

[7] Posner G J,Strike K A,Hew son PW,et al.Accommodation of a scientific conception:toward a theory of con central change[J].Science Education,1982,66:211-227.

[8] 易其順,羅星凱.一個可用于機械波教學(xué)的人類視覺局限演示器的設(shè)計與制作[J].物理實驗,1998,18(6):35-36.