基于前概念的高中物理錯(cuò)題研究

丁紅明

(平湖中學(xué) 浙江 嘉興 314200)

1 引言

現(xiàn)代建構(gòu)主義學(xué)者古寧漢(D.J.Cunningham，1991)認(rèn)為，“學(xué)習(xí)是建構(gòu)內(nèi)在的心理表征的過程，學(xué)習(xí)者并不是把知識(shí)從外界搬到記憶中，而是以已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過與外界的相互作用來建構(gòu)新的理解”.學(xué)習(xí)要建構(gòu)關(guān)于事物及其過程的表征，并不是對(duì)外界的直接翻版，而是通過已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)(包括原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知策略)對(duì)新信息進(jìn)行加工而建構(gòu)成的.當(dāng)今的建構(gòu)主義者更多地強(qiáng)調(diào)在具體情景中形成的非正式的經(jīng)驗(yàn)背景的作用，即非結(jié)構(gòu)性的經(jīng)驗(yàn)背景.這里提到的“已有的經(jīng)驗(yàn)”或“已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)”就是前概念的雛形.

本文主要從前概念的角度去研究高中物理教學(xué)中的錯(cuò)題，希望通過這些研究能對(duì)課堂教學(xué)起到相應(yīng)的促進(jìn)作用.

2 前概念誘錯(cuò)的產(chǎn)生根源與特征

前概念是前科學(xué)概念的簡(jiǎn)稱，“前科學(xué)概念”是個(gè)體擁有的與科學(xué)概念不盡一致的概念；“前科學(xué)概念”既指向教學(xué)前也指向教學(xué)后，包括個(gè)體概念在發(fā)展成為科學(xué)概念前的一切概念形態(tài)，強(qiáng)調(diào)其是科學(xué)概念的雛形、前體和基礎(chǔ)這一特點(diǎn)，可以分為原發(fā)性前科學(xué)概念和繼發(fā)性前科學(xué)概念.前面提到的“已有的經(jīng)驗(yàn)”就是原發(fā)性前科學(xué)概念，“已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)”就是繼發(fā)性前科學(xué)概念.物理又與生活緊密相連，學(xué)生從出生開始就接觸到一些物理現(xiàn)象，尤其以力學(xué)、熱學(xué)居多，但直到初中才開始接受正規(guī)的物理教育，所以在正式學(xué)習(xí)物理之前，學(xué)生腦海中已經(jīng)有一些原發(fā)性前科學(xué)概念.例如：學(xué)生認(rèn)為，拔河時(shí)贏的一方拉力比輸?shù)囊环酱?；滑?dòng)摩擦力大小與接觸面積有關(guān)；摩擦力總是阻礙物體的運(yùn)動(dòng)；踢出的足球，在空中飛行過程中有飛行方向上的力來驅(qū)動(dòng)；電流的速度等于導(dǎo)線中電子的運(yùn)動(dòng)速度等等.在具體學(xué)習(xí)過程中，由于已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)模糊，造成一些不必要的失誤.

2.1 前概念誘錯(cuò)的產(chǎn)生根源

2.1.1 前概念首因效應(yīng)

當(dāng)學(xué)生第一次做某個(gè)題目留下深刻印象，在今后解題中，通過“第一印象”最先輸入的信息會(huì)對(duì)新題認(rèn)知產(chǎn)生影響.學(xué)生在解題過程中，往往具體表現(xiàn)為讀題愛跳題，憑老經(jīng)驗(yàn)去解決問題.

【例1】如圖1所示，斜面位于水平面上，一小物塊自斜面頂端沿斜面下滑. 已知各接觸面均光滑，從地面上看，斜面對(duì)小物體的作用力

圖1

A.垂直于接觸面，做正功

B.垂直于接觸面，做負(fù)功

C.垂直于接觸面，做功為零

D.垂直于接觸面，無法判斷做正功還是負(fù)功

此題相當(dāng)一部分同學(xué)錯(cuò)選C選項(xiàng)，究其原因是學(xué)生受到了此前做過的一個(gè)斜面固定的題目影響，由于支持力垂直于接觸面，看到“垂直”一詞就認(rèn)為不做功，從而不加分析地照抄照搬.對(duì)于這類錯(cuò)誤，要引導(dǎo)學(xué)生平時(shí)注意讀題與審題，學(xué)會(huì)比較不同模型的異同.

2.1.2 前概念知識(shí)負(fù)遷移

知識(shí)負(fù)遷移一般是指一種學(xué)習(xí)對(duì)另一種學(xué)習(xí)起干擾或抑制作用.負(fù)遷移通常表現(xiàn)為一種學(xué)習(xí)使另一種學(xué)習(xí)所需的學(xué)習(xí)時(shí)間或所需的練習(xí)次數(shù)增加或阻礙另一種學(xué)習(xí)的順利進(jìn)行以及知識(shí)的正確掌握.

數(shù)學(xué)知識(shí)是學(xué)習(xí)和研究物理學(xué)的重要工具，能否恰當(dāng)運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決物理問題也是衡量學(xué)生能力高低的重要因素.物理學(xué)又不同于數(shù)學(xué)，由于從小就接受數(shù)學(xué)教育，學(xué)生在思考物理問題時(shí)常常有“數(shù)學(xué)慣性”，以數(shù)學(xué)關(guān)系來理解物理概念.例如，數(shù)學(xué)中“-5<3”，“1+1=2”等，學(xué)生初次接觸到力及其運(yùn)算法則時(shí)，還會(huì)犯類似的錯(cuò)誤.

【例2】某同學(xué)在“測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作了如圖2的U-I圖像,則根據(jù)圖像該電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻分別為多少 ?

圖2

在新課教學(xué)時(shí)，很多教師都會(huì)強(qiáng)調(diào)本實(shí)驗(yàn)U-I圖像斜率大小表示電源內(nèi)阻.學(xué)生就會(huì)將數(shù)學(xué)中圖像的斜率k=tanθ遷移到本題中，得出錯(cuò)誤的結(jié)論.教師在上新課的時(shí)候，除了要講到斜率表示電源內(nèi)阻之外，更應(yīng)該要提到數(shù)學(xué)中斜率和物理中斜率的區(qū)別.

2.1.3 前概念的界定模糊

任何一個(gè)物理概念都是其內(nèi)涵和外延的統(tǒng)一.因此，讓學(xué)生掌握物理概念，一方面指的是要理解物理概念的內(nèi)涵，同時(shí)也要明確其外延.所謂外延，即該概念適用的范圍和條件.例如，庫(kù)侖定律

由數(shù)學(xué)關(guān)系知r趨向于零的時(shí)候，F(xiàn)無窮大，其實(shí)庫(kù)侖定律公式本身成立是有條件的，當(dāng)r趨向于零的時(shí)候，電荷已經(jīng)不能看作是點(diǎn)電荷了，這個(gè)公式是不能用的.

【例3】如圖3所示，在鐵芯上、下分別繞有匝數(shù)n1=800和n2=200的兩個(gè)線圈，上線圈兩端與u=51sin314t(V)的交流電源相連，將下列線圈兩端接交流電壓表，則交流電壓表的讀數(shù)可能是

A.2.0 V B.9.0 V

C.12.7 V D.144.0 V

圖3

這題是2011年的浙江省高考題，當(dāng)年此題得分率極低，個(gè)別班級(jí)甚至全軍覆沒.原因是在平時(shí)的練習(xí)中都是理想變壓器，所以在學(xué)生頭腦中形成了強(qiáng)烈而穩(wěn)定的認(rèn)知——“線圈匝數(shù)之比等于電壓之比”.其次，本題考查的并不是命題者故意刁難學(xué)生，而是在考查三維目標(biāo)中的過程與方法.教師如果在理想變壓器教學(xué)中突出實(shí)際模型到理想模型的轉(zhuǎn)化與構(gòu)建，而非直接告訴學(xué)生結(jié)論，那么學(xué)生的錯(cuò)誤率不至于那么高.

2.1.4 前概念的不當(dāng)類比

類比是科學(xué)研究中常用的方法之一，從特殊推向特殊的推理.類比推理是根據(jù)兩個(gè)或兩類對(duì)象有部分屬性相同，從而推出它們的其他屬性也相同的推理.例如，聲和光有不少屬性相同——直線傳播，有反射、折射和干擾等現(xiàn)象；由此推出：既然聲有波動(dòng)性質(zhì)，光也有波動(dòng)性質(zhì).如果前提中確認(rèn)的共同屬性很少，而且共同屬性和推出來的屬性沒有什么關(guān)系，這樣的類比推理就極不可靠，稱為機(jī)械類比.學(xué)生犯的錯(cuò)誤基本屬于機(jī)械類比.例如，學(xué)生已經(jīng)知道了聲音在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)中的傳播規(guī)律，在學(xué)習(xí)光的傳播速度時(shí)，喜歡用聲波和光波進(jìn)行類比，得出光在介質(zhì)中速度要比真空要快.

【例4】如圖4所示，曲面PC和斜面PD固定在水平面MN上,C和D處平滑連接，O點(diǎn)位于斜面頂點(diǎn)P的正下方.某人從頂端P由靜止開始分別沿曲面和斜面滑下，經(jīng)過C和D兩點(diǎn)后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，最后停在水平面的A和B兩處.各處材質(zhì)相同，忽略空氣阻力，則

A.此人在曲面PC和斜面PD上克服摩擦力做功一定相等

B.此人沿PCA和沿PDB運(yùn)動(dòng)克服摩擦力做功一定不相等

C.距離OA一定等于OB

D.距離OA一定小于OB

圖4

此題大部分學(xué)生錯(cuò)選了C選項(xiàng).學(xué)生是受到如圖5所示的題目的影響，教師在講解原題時(shí)，往往會(huì)強(qiáng)調(diào)摩擦力在斜面上做的功等效為物體在水平面上滑動(dòng)時(shí)做的功，甚至還把結(jié)論作為“定律”來使用.任何物理“定律”都是有前提的，習(xí)題講解的時(shí)候，除了知識(shí)的傳授外，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)“定律”“規(guī)律”建立的過程與方法，而非簡(jiǎn)單的知識(shí)結(jié)論.原題中結(jié)論推導(dǎo)過程中摩擦力是作為恒力處理的，而當(dāng)變力的時(shí)候，則不能盲目遷移.

2.1.5 關(guān)鍵詞語的誤解

物理概念是用一定的詞語和語句來表述的，借助關(guān)鍵詞語可以對(duì)感性材料進(jìn)行抽象與概括，揭露事物的本質(zhì)屬性和共同特征.通過語詞說明和定義，使直觀材料的特征更鮮明、更突出，還可以彌補(bǔ)直觀材料的不足，揭示事物之間的內(nèi)部聯(lián)系.不過學(xué)生往往喜歡用生活中的詞語去解釋物理概念，并由此產(chǎn)生誤解.比如，學(xué)生喜歡把加速度理解為速度的增加；把失重、超重理解為重力的減少或者增加；把勻速圓周運(yùn)動(dòng)當(dāng)作勻速運(yùn)動(dòng).

【例5】關(guān)于離心現(xiàn)象，下列說法中正確的是

A.當(dāng)物體所受的離心力大于向心力時(shí)產(chǎn)生離心現(xiàn)象

B.做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)它所受的一切力都消失時(shí)，它將做背離圓心的圓周運(yùn)動(dòng)

C.做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)它所受的一切力都突然消失時(shí)，它將沿切線做直線運(yùn)動(dòng)

D.做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)它所受的一切力都突然消失時(shí)，它將做曲線運(yùn)動(dòng)

本題中，學(xué)生很喜歡A選項(xiàng)，看到“離心”一詞，認(rèn)為離心運(yùn)動(dòng)中一定有個(gè)離心力使物體做離心運(yùn)動(dòng)，而忽視講某個(gè)力的時(shí)候必須找得到施力物體和受力物體.

2.1.6 盲目的主觀想象

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)，有時(shí)不從物理本質(zhì)出發(fā)，而是根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)做一些沒有根據(jù)的主觀想象和推測(cè).

【例6】如圖6所示，一物體以一定的初速度v滑上傳送帶的左端A點(diǎn).當(dāng)傳送帶靜止不動(dòng)時(shí)，物體滑出傳送帶，滑到水平面上的B點(diǎn)停止；則當(dāng)傳送帶逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)物體將停在哪里？

圖6

很多同學(xué)主觀認(rèn)為傳送帶逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，摩擦力變大，物體滑動(dòng)距離變小了.

2.3 前概念誘錯(cuò)的特征

從前面的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)由前概念導(dǎo)致的錯(cuò)題具有重復(fù)性、負(fù)遷移性、潛伏性等特征.

重復(fù)性——就是學(xué)生學(xué)習(xí)一些物理知識(shí)后，過了一段時(shí)間再遇到類似的問題時(shí)，受到先前錯(cuò)誤的影響又會(huì)對(duì)該概念產(chǎn)生糊涂的認(rèn)識(shí)，可能在某一階段有過假性糾正，但過了一段時(shí)間以后又會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，表現(xiàn)出一定的重復(fù)性.例如，在“探究合力的方法”實(shí)驗(yàn)中，體現(xiàn)的是什么思想方法？很多同學(xué)都答控制變量法，認(rèn)為保持O點(diǎn)位置不變就是控制變量.這個(gè)問題到了期末考試的時(shí)候還是反復(fù)出現(xiàn).很多同學(xué)搞不明白控制變量法的基本特征，而卻一直情有獨(dú)鐘控制變量法.

負(fù)遷移——學(xué)生在對(duì)各個(gè)物理知識(shí)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)中，先前的知識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)新的知識(shí)結(jié)構(gòu)的建立起著積極的推動(dòng)作用，但有時(shí)也產(chǎn)生一些負(fù)面的影響，對(duì)于具體習(xí)題而言可能會(huì)違背重要的物理原則.

潛伏性——前概念是學(xué)生長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)的積累結(jié)果，在學(xué)生頭腦中印象深刻，有時(shí)學(xué)生拿到答案也不知道錯(cuò)在哪里，可謂根深蒂固.

3 錯(cuò)誤前概念的糾錯(cuò)對(duì)策

物理是與生活緊密相連的，學(xué)生往往會(huì)根據(jù)一些已經(jīng)學(xué)過的東西或者基本認(rèn)識(shí)，做一些遷移和外推，殊不知錯(cuò)誤前概念產(chǎn)生容易，消除難，針對(duì)不同原因造成的錯(cuò)誤前概念要采取不同的對(duì)策.

3.1 通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，有時(shí)千言萬語說不清，一看實(shí)驗(yàn)就靈清.學(xué)生在做電學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，筆者要求學(xué)生用多用電表測(cè)量“220 V，100 W”的白熾燈的電阻.在測(cè)量前讓學(xué)生估算下，大家都認(rèn)為是484 Ω左右，然后再讓學(xué)生親自測(cè)量，結(jié)果顯示只有80 Ω左右.是儀器壞了？還是？學(xué)生帶著疑惑筆者讓學(xué)生從電阻定律角度去解釋，學(xué)生豁然開朗.

【例7】某同學(xué)從標(biāo)稱為“220 V，25 W”“220 V，300 W”“220 V，500 W”的3只燈泡中任選一只，正確使用多用電表測(cè)量燈光阻值如圖乙所示(圖略).該燈泡的阻值是______Ω，標(biāo)稱的額定功率為______W.

本題是2009年高考浙江省實(shí)驗(yàn)題的一個(gè)小題，從試題所給圖片中，可以根據(jù)歐姆表指讀出燈泡的阻值是160 Ω.關(guān)鍵是第二問，學(xué)生根據(jù)功率和電壓關(guān)系很容易得到“220 V，300 W”的燈泡電阻約為160 Ω，選300 W的學(xué)生不在少數(shù).如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候碰到過類似情景，這題得分率還會(huì)高很多.

3.2 注重變式教學(xué) 習(xí)題舉一反三

在平時(shí)教學(xué)時(shí)，教師如果能注重變式教學(xué)，對(duì)似是而非的模型進(jìn)行比較，與學(xué)生一起探討不同模型之間的共同點(diǎn)與差異性，也能有效克服錯(cuò)誤前概念.

【例8】如圖7所示，豎直放置在水平面上的輕質(zhì)彈簧上疊放著兩物塊A和B，A和B的質(zhì)量均為2 kg，它們處于靜止?fàn)顟B(tài)，若突然將一個(gè)大小為10 N，方向豎直向下的力施加在物塊A上，則此瞬間，A對(duì)B的壓力大小為(g=10 m/s2)

A.10 N B.20 N

C.25 N D.30 N

圖7 圖8

此題在高一下學(xué)期使用的時(shí)候，錯(cuò)誤率還是很高，相當(dāng)一部分同學(xué)選擇D選項(xiàng).從學(xué)生那里了解到他們?cè)谶@個(gè)地方有兩個(gè)錯(cuò)誤前概念.其一，很多學(xué)生把此如圖8情景前移到原題中，認(rèn)為壓力等于重力，結(jié)合實(shí)際故而選D；其二，初中科學(xué)已有“壓強(qiáng)能等大地朝各個(gè)方向傳遞”，他們把壓強(qiáng)規(guī)律遷移到了力的規(guī)律.

圖9

如果在牛頓運(yùn)動(dòng)定律整體隔離法教學(xué)時(shí)，采用圖9題型進(jìn)行題組教學(xué)，(甲)、(乙)兩圖分別從光滑和粗糙(粗糙程度一樣)兩個(gè)角度求解A對(duì)B的作用力，通過不斷地強(qiáng)化兩個(gè)物體的處理方法，加深對(duì)整體隔離的理解.

3.3 培養(yǎng)學(xué)生求真精神 敢于質(zhì)疑答案合理性

物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)以生活實(shí)際原型為背景，以客觀事實(shí)為依據(jù)，不能隨意地更改或者造數(shù)字，平時(shí)在教學(xué)中要滲透實(shí)事求是原則，力求真實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生敢于從實(shí)際去質(zhì)疑習(xí)題答案的合理性.

【例9】某水電站，用總電阻為2.5 Ω的輸電線輸電給500 km外的用戶，其輸出電功率是3×106kW.現(xiàn)用500 kV電壓輸電，則下列說法正確的是

A.輸電線上輸送的電流大小為2×105A

B.輸電線上由電阻造成的損失電壓為15 kV

C.若改用5kV電壓輸電，則輸電線上損失的功率為9×108kW

此題學(xué)生失分主要在C選項(xiàng).根據(jù)變壓器原理求出輸電電流，再根據(jù)功率定義求出損失功率，相當(dāng)順暢.此題中的前概念是變壓器變壓原理，但卻忽視了更重要的一個(gè)原理——能量守恒.很明顯C選項(xiàng)違反了能量守恒，這是無法實(shí)現(xiàn)的.

4 善待錯(cuò)題 提高自己

桑代克著名的理論“試誤說”，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)是在嘗試錯(cuò)誤的過程中不斷建立連接的過程.通過整理錯(cuò)題，學(xué)生可以經(jīng)常對(duì)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)步情況和學(xué)習(xí)策略進(jìn)行反思，并及時(shí)做出調(diào)整，從而掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，取得最佳的學(xué)習(xí)效果.同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的自我管理能力.

加涅的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)理論指出：學(xué)習(xí)者聽到的內(nèi)容能記住10%，讀到的內(nèi)容能記住20%，看到的能記住30%，做過的事能記住70%.為了盡力消除學(xué)生“一聽就懂，一做又錯(cuò)”的現(xiàn)象，除了要求學(xué)生訂正全部錯(cuò)題外，必要時(shí)可以把典型錯(cuò)題分類整理，及時(shí)記錄每次測(cè)試題中的錯(cuò)題，編成錯(cuò)題本.

對(duì)于錯(cuò)題本，筆者要求學(xué)生多問4個(gè)為什么.

(1)為什么錯(cuò)了？分析錯(cuò)誤原因，找到問題的前概念；

(2)應(yīng)該怎樣做？標(biāo)明解題的正確方法及依據(jù)原理；

(3)有無其他方法？哪種方法更好？對(duì)比歸納，思維求異；

(4)能否進(jìn)行變通？一題多變，思維發(fā)散.

實(shí)際上就是我們一直在強(qiáng)調(diào)的錯(cuò)題本必須要有：最初的想法(錯(cuò)誤的想法)，解題的思路(讀題和破題)，解答的過程(用自己的語言).

當(dāng)然并不是要求學(xué)生把所有做錯(cuò)的題目都搬到錯(cuò)題本上去，在平時(shí)教學(xué)中要指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)甄別錯(cuò)題，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)不會(huì)做的題.主要表現(xiàn)在智力因素培養(yǎng)方面，對(duì)于知識(shí)結(jié)構(gòu)性錯(cuò)誤，重做一遍二遍錯(cuò)題是十分必要的，這要視自己對(duì)錯(cuò)題的把握程度而定.這類錯(cuò)誤是我們通過學(xué)習(xí)，建立自身知識(shí)體系時(shí)存在的錯(cuò)誤前概念.通過重做錯(cuò)題，并認(rèn)真分析，把錯(cuò)誤前概念有效扭轉(zhuǎn)，就可以健全我們的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系.

(2)模棱兩可似是而非的題.主要包括概念模糊以及記憶模糊兩類.任何原理、法則、公式的成立都是有前提條件的.對(duì)于模棱兩可似是而非的錯(cuò)題，通過分析，可能發(fā)現(xiàn)是把公式給弄混淆了，也可能是公式給用錯(cuò)了，是理解錯(cuò)了或者是記憶錯(cuò)了.

(3)會(huì)做的卻做錯(cuò)了的題.主要表現(xiàn)在非智力因素培養(yǎng)方面.這類問題最容易被人忽視，常常會(huì)自以為是地認(rèn)為下次注意就行了，自己是不會(huì)再犯這個(gè)錯(cuò)誤的.然而錯(cuò)誤一定是有原因的，在沒有找到原因之前，錯(cuò)誤還會(huì)繼續(xù)，所以一定要找出前概念所在，而非把這個(gè)前概念隱藏起來.

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