計(jì)算機(jī)建模工具支持的迷思概念轉(zhuǎn)變研究——以力和運(yùn)動(dòng)概念為例

謝海燕 徐曉東

（1.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東廣州 510800；2.華南師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510631）

一、研究問(wèn)題的提出

概念是日常生活中認(rèn)知世界的工具，也是學(xué)校教育的主要目標(biāo)之一，可以說(shuō)概念對(duì)于我們非常重要。然而，心理學(xué)以及科學(xué)教育領(lǐng)域中關(guān)于概念理解的研究指出，即使到了成年，許多人仍然持有一些錯(cuò)誤概念，這些概念通常被稱為迷思概念（Misconception），例如，“運(yùn)動(dòng)表示有力的作用”[1]。學(xué)生的迷思概念主要來(lái)源于日常生活經(jīng)驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)力和運(yùn)動(dòng)的概念轉(zhuǎn)變研究都集中在力和運(yùn)動(dòng)迷思概念的調(diào)查研究、使用教學(xué)策略進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變的實(shí)證研究上。有些研究表明，學(xué)生在經(jīng)過(guò)教學(xué)后力和運(yùn)動(dòng)的迷思概念反而加重了，一個(gè)主要原因是牛頓第一定律與學(xué)生的直覺(jué)思維相矛盾，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界中總存在摩擦力，因此，為了維持一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須不斷對(duì)物體施加外力。

經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，廣州市高一學(xué)生關(guān)于牛頓第一定律的迷思概念主要是圓周沖力和打擊提供沖力，這兩個(gè)迷思概念背后的現(xiàn)象本原是運(yùn)動(dòng)表示有力的作用，要實(shí)現(xiàn)圓周沖力和打擊提供沖力迷思轉(zhuǎn)念轉(zhuǎn)變，必須從其現(xiàn)象本原入手。運(yùn)動(dòng)表示有力的作用主要來(lái)源于日常生活經(jīng)驗(yàn)，如人對(duì)物體施力，物體運(yùn)動(dòng)，停止施力，物體不動(dòng)，而導(dǎo)致學(xué)生形成這一迷思概念的根源在于現(xiàn)實(shí)世界中總存在摩擦力。因此，要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)表示有力的作用概念轉(zhuǎn)變，必須讓學(xué)生建立起沒(méi)有摩擦力時(shí)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的心智模型。

建模是概念性參與最強(qiáng)的認(rèn)知過(guò)程之一，這使建模具有強(qiáng)大的預(yù)測(cè)概念轉(zhuǎn)變的功能，學(xué)生建立模型的結(jié)果是學(xué)生擁有了知識(shí)[2]。交互式物理作為一種計(jì)算機(jī)建模工具，可以模擬現(xiàn)實(shí)世界中有關(guān)力和運(yùn)動(dòng)的情境，包括摩擦力為零的理想環(huán)境。它通過(guò)人機(jī)交互的方式，完成建立數(shù)學(xué)模型、用模型仿真實(shí)際物理過(guò)程、數(shù)據(jù)處理及得到結(jié)果等一系列工作，由此體驗(yàn)研究物理問(wèn)題的思路、方法及過(guò)程[3]。國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者使用交互式物理進(jìn)行力和運(yùn)動(dòng)的教學(xué)，但卻幾乎沒(méi)有考慮到學(xué)生的迷思概念。

綜上所述，本研究試圖通過(guò)計(jì)算機(jī)建模工具支持的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生力和運(yùn)動(dòng)迷思概念的轉(zhuǎn)變。本研究中的概念轉(zhuǎn)變是指，由迷思概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念，其評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是能應(yīng)用科學(xué)概念解決一類問(wèn)題，尤其是日常生活中的問(wèn)題。研究中所采用的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)是，根據(jù)學(xué)生已有的先前知識(shí)和迷思概念，通過(guò)小組討論、反例等策略引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，在認(rèn)知沖突的基礎(chǔ)上，利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)建模工具進(jìn)行探究，從而幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變，建構(gòu)科學(xué)概念的學(xué)習(xí)。這種教學(xué)活動(dòng)的特征是，基于學(xué)生已有的先前知識(shí)，尤其是迷思概念，充分利用小組討論、反例等策略引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，強(qiáng)調(diào)使用日常生活素材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，強(qiáng)調(diào)充分利用計(jì)算機(jī)建模工具幫助學(xué)生建模，從而實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。

二、研究方案設(shè)計(jì)

1.研究目標(biāo)

通過(guò)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證計(jì)算機(jī)建模工具支持的牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)能夠有效地促進(jìn)學(xué)生對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的理解，從而轉(zhuǎn)變學(xué)生力和運(yùn)動(dòng)的迷思概念，建構(gòu)一個(gè)科學(xué)概念；與常規(guī)教學(xué)相比，概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)在力和運(yùn)動(dòng)迷思概念轉(zhuǎn)變中效果更好；合理使用計(jì)算機(jī)建模工具能夠有效促進(jìn)學(xué)生力和運(yùn)動(dòng)迷思概念轉(zhuǎn)變。

2.研究被試

參與本研究的被試來(lái)自于廣州市真光中學(xué)和第七中學(xué)的高一年級(jí)，年齡在15～16 歲之間的133 名中學(xué)生。這兩所中學(xué)均是廣東省國(guó)家級(jí)示范性中學(xué)，廣州市重點(diǎn)中學(xué)，教學(xué)質(zhì)量較好，學(xué)生素質(zhì)較高。根據(jù)作者開(kāi)展的廣州市高一學(xué)生力和運(yùn)動(dòng)迷思概念調(diào)查研究結(jié)果表明，廣州市高一學(xué)生中，54.71%的學(xué)生認(rèn)為“運(yùn)動(dòng)表示有力的作用”，38.29%的學(xué)生存在“圓周沖力”的迷思概念，18.42%的學(xué)生認(rèn)為“打擊提供沖力”。參與研究的133名中學(xué)生“力和運(yùn)動(dòng)”概念水平相當(dāng)，選取真光中學(xué)的兩個(gè)班級(jí)作為實(shí)驗(yàn)班，第七中學(xué)的兩個(gè)班級(jí)作為對(duì)照班。

3.研究方法

本研究采用不相等實(shí)驗(yàn)組控制組前后測(cè)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)組實(shí)施牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)，對(duì)照組實(shí)施常規(guī)教學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行前后測(cè)。本研究的干預(yù)是計(jì)算機(jī)建模工具支持的牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)，常規(guī)教學(xué)為沒(méi)有關(guān)注到學(xué)生力與運(yùn)動(dòng)迷思概念的教學(xué)。

按照不等組實(shí)驗(yàn)組控制組前后測(cè)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行前后測(cè)，本研究選定的測(cè)量評(píng)價(jià)工具是FCI（力的概念調(diào)查表）。FCI 是由Hestenes 等人在1992年推出，是目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)力和運(yùn)動(dòng)迷思概念調(diào)查工具中信度效度最高、應(yīng)用最廣泛的調(diào)查與教學(xué)評(píng)價(jià)工具。FCI 共調(diào)查牛頓力學(xué)概念的6 個(gè)方面及其對(duì)應(yīng)的迷思概念，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、牛頓第一定律、牛頓第二定律、牛頓第三定律、疊加原理、力的種類，一共有30題，每個(gè)題目5 個(gè)選項(xiàng)[4][5]。作者選取了FCI 中有關(guān)牛頓第一定律的測(cè)試題，形成了兩份等值的調(diào)查問(wèn)卷，一份用于調(diào)查學(xué)生的迷思概念，同時(shí)作為前測(cè)，一份用于教學(xué)干預(yù)后的教學(xué)評(píng)價(jià)，作為后測(cè)。此外，為了了解學(xué)生選擇某個(gè)選項(xiàng)背后的原因，在每題后面增加了“選擇該答案的理由 ”，這種二階式診斷測(cè)試可以了解選擇答案背后的因素，幫助了解概念的脈絡(luò)性[6]。

4.計(jì)算機(jī)建模工具

本研究中所采用的計(jì)算機(jī)建模工具是力與運(yùn)動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)（界面截圖如下圖1），由作者讀研究生時(shí)所在的認(rèn)知與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具是VS2008，采用MFC 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體架構(gòu)，并使用GDI+實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，操作系統(tǒng)要求是windows 系列操作系統(tǒng)。力與運(yùn)動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)是獨(dú)立的可執(zhí)行軟件，對(duì)用戶端無(wú)特殊要求，使用者只需具備基本的計(jì)算機(jī)操作能力就可以使用該系統(tǒng)。

力與運(yùn)動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)模擬了人推車的情境，主要包括三個(gè)功能塊，左上區(qū)是參數(shù)設(shè)置功能區(qū)，使用者可以根據(jù)需求設(shè)置各種參數(shù)，主要包括力、摩擦系數(shù)等，右上是建模區(qū)，可以直觀的呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中各參數(shù)間的關(guān)系圖、柱形圖等，使用者可以導(dǎo)入或?qū)С鰯?shù)據(jù)進(jìn)行建模，下方是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)區(qū)，可以直觀查看運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。力與運(yùn)動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦力為零的運(yùn)動(dòng)情境，和真實(shí)實(shí)驗(yàn)配合使用，能夠滿足教師和學(xué)生用來(lái)探究力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，幫助學(xué)生建模。

5.研究過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)學(xué)校教師的參與下，基于TEL（技術(shù)支持的學(xué)習(xí)）模型，作者設(shè)計(jì)并制定了計(jì)算機(jī)建模工具支持的牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)。TEL 模型是臺(tái)灣HSU教授設(shè)計(jì)的，TEL 模型包括五個(gè)認(rèn)知階段：(1)概念化，激活先前知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，呈現(xiàn)真實(shí)有意義的情境給學(xué)生；(2)意義建構(gòu)，產(chǎn)生解釋與沖突，學(xué)生想象和描述復(fù)雜情境的動(dòng)態(tài)過(guò)程并將它簡(jiǎn)單化；(3)解釋，形成與檢驗(yàn)假設(shè)，學(xué)生會(huì)計(jì)劃和實(shí)施他們的實(shí)驗(yàn)；(4)建模，對(duì)現(xiàn)象之間的關(guān)系進(jìn)行綜合，學(xué)生會(huì)形成假設(shè)或建立模型來(lái)揭示他們的發(fā)現(xiàn)：(5)應(yīng)用，在不同的情景中應(yīng)用觀點(diǎn)[7]。

圖1 力與運(yùn)動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)界面截圖

教學(xué)要求在物理實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，學(xué)生以小組的形式進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)，可以對(duì)學(xué)生預(yù)先進(jìn)行小組討論和協(xié)作的能力訓(xùn)練，牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)包括以下5個(gè)環(huán)節(jié)：

(1)教師用圓形管道中小球運(yùn)動(dòng)軌跡的問(wèn)題（如下）為引子，調(diào)查學(xué)生有關(guān)牛頓第一定律的先前知識(shí)及迷思概念。教師先提出問(wèn)題，讓學(xué)生思考，再以小組形式討論，并挑選小組作答，然后讓學(xué)生回憶平時(shí)甩干雨傘上的雨滴，雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。

問(wèn)題：下面圖中所示的哪條路徑最接近由r 點(diǎn)離開(kāi)管道進(jìn)入無(wú)摩擦桌面時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向？（ ）為什么？

（俯視圖）

(2)教師引入反例，引發(fā)學(xué)生的沖突。教師詢問(wèn)學(xué)生：“物體的靜止需要力來(lái)維持嗎？”教師手拿一支粉筆，問(wèn)學(xué)生：粉筆是靜止的，如果我松開(kāi)手，粉筆就會(huì)掉到桌子上，這樣看來(lái)，粉筆要保持靜止，必須要我的手給它一個(gè)力，因此，我認(rèn)為“物體的靜止?fàn)顟B(tài)需要力來(lái)維持”，我的這個(gè)觀點(diǎn)對(duì)嗎？學(xué)生在觀察老師的活動(dòng)后，思考并回答老師的提問(wèn)，然后引導(dǎo)學(xué)生得出“粉筆的靜止?fàn)顟B(tài)合力為零”，物體的靜止?fàn)顟B(tài)不需要力來(lái)維持。再引入另一個(gè)反例，教師做兩個(gè)簡(jiǎn)單的真實(shí)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察，①粉筆盒原來(lái)是靜止，我推它就動(dòng)，不推它就不動(dòng)；②我推一輛小車，小車就動(dòng)了，我撤去推力，小車沒(méi)有立即停下。讓學(xué)生思考這兩個(gè)現(xiàn)象背后的原因，引導(dǎo)學(xué)生得出摩擦力的影響，并讓學(xué)生思考摩擦力是如何影響物體的運(yùn)動(dòng)？如果沒(méi)有摩擦力，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是怎樣？物體的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持嗎？

(3)實(shí)驗(yàn)探究，形成與檢驗(yàn)假設(shè)。利用毛巾、小車、實(shí)驗(yàn)桌等工具來(lái)做實(shí)驗(yàn)探究。①推動(dòng)一輛放在毛巾上的小車一段時(shí)間，然后放手并觀察小車的運(yùn)動(dòng)情況；②推動(dòng)一輛放在實(shí)驗(yàn)桌上的小車一段時(shí)間，然后放手并觀察小車的運(yùn)動(dòng)情況；③對(duì)比前面1、2 步驟中的小車的運(yùn)動(dòng)情況，并設(shè)想在一個(gè)絕對(duì)光滑的平面上，小車的運(yùn)動(dòng)情況又是怎樣？

(4)力與運(yùn)動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)驗(yàn)證假設(shè)，幫助學(xué)生建模。①將地面設(shè)置為粗糙（等同于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的毛巾），給小車一個(gè)50N 的推力，推力的作用時(shí)間為1s，觀察小車的運(yùn)動(dòng)情況是否與（3）①步驟的觀察一致。②將地面設(shè)置為普通（等同于桌面），給小車一個(gè)50N 的推力，推力的作用時(shí)間為1s，觀察小車的運(yùn)動(dòng)情況是否與（3）②步驟的觀察一致。③將地面設(shè)置為光滑，給小車一個(gè)50N 的推力，推力的作用時(shí)間為1s，觀察小車的運(yùn)動(dòng)情況是否與（3）③步驟的猜想一致。教師引導(dǎo)學(xué)生得出慣性的概念，并討論影響慣性的因素有哪些，建立科學(xué)的概念。

(5)不同情境的應(yīng)用：

①一物體沿光滑斜面向上運(yùn)動(dòng)，它受到幾個(gè)力的作用？

②廣州的一輛公交車上，人多擁擠。忽然，由于前方緊急情況，司機(jī)來(lái)了個(gè)急剎車，就在這一瞬間一位書生模樣的小伙子順勢(shì)倒在了旁邊一位摩登女孩的身上。女孩紅顏大怒，向小伙子吼道：“瞧你那德性，還想占我便宜！”小伙子聽(tīng)了，并沒(méi)有與其爭(zhēng)吵，而是微微一笑說(shuō)道：“小姐，不是德性是慣性，實(shí)在是身不由己??！”車上的人都樂(lè)了，還不住的夸獎(jiǎng)小伙子的機(jī)智和幽默！請(qǐng)你解釋一下：為什么小伙子說(shuō)“不是德性是慣性”。

三、結(jié)果與討論

1.研究結(jié)果

牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)主要針對(duì)圓周沖力、打擊提供沖力及其背后的現(xiàn)象本原運(yùn)動(dòng)表示有力的作用。測(cè)試問(wèn)卷中學(xué)生選擇代表某個(gè)迷思概念的選項(xiàng)，給10 分，分?jǐn)?shù)越高，表示學(xué)生某個(gè)迷思概念越重。根據(jù)學(xué)生前后測(cè)所得分?jǐn)?shù)，進(jìn)行兩因素方差分析。

（1）圓周沖力兩因素方差分析結(jié)果

表1 真光實(shí)驗(yàn)組與控制組圓周沖力前后測(cè)描述性統(tǒng)計(jì)量

表2 實(shí)驗(yàn)組與控制組圓周沖力前后測(cè)方差分析：被試內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)

表3 實(shí)驗(yàn)組與控制組圓周沖力前后測(cè)方差分析：被試間效應(yīng)檢驗(yàn)

圖2 真光實(shí)驗(yàn)組與控制組圓周沖力前后測(cè)交互效應(yīng)圖

表1-3 為真光實(shí)驗(yàn)組與控制組圓周沖力前后測(cè)兩因素混合設(shè)計(jì)方差分析結(jié)果。從表2 被試內(nèi)效應(yīng)分析可知，PRE_POST 的F（1，131）=58.151，P=0.000＜0.01，表明真光實(shí)驗(yàn)組與控制組前后測(cè)差異非常顯著；PRE_POST*GROUP 的F(1,131)=2.274，P=0.134＞0.05，表明GROUP 與PRE_POST 交互效應(yīng)不顯著。從表3被試間效應(yīng)分析可知，GROUP 的F（1,131）=15.548，P=0.000＜0.01，表明真光實(shí)驗(yàn)組與控制組差異非常顯著，從圖2 交互效應(yīng)圖可知，真光實(shí)驗(yàn)組教學(xué)效果更好。

由此可知，牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)和常規(guī)教學(xué)在促進(jìn)“圓周沖力”概念轉(zhuǎn)變中前后測(cè)差異非常顯著；與常規(guī)教學(xué)相比差異非常顯著，且牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)更能促進(jìn)“圓周沖力”概念轉(zhuǎn)變。

（2）打擊提供沖力兩因素方差分析結(jié)果

表4 真光實(shí)驗(yàn)組與控制組打擊提供沖力前后測(cè)分?jǐn)?shù)描述性統(tǒng)計(jì)量

表5 真光實(shí)驗(yàn)組與控制組打擊提供沖力前后測(cè)方差分析：被試內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)

表6 真光實(shí)驗(yàn)組與控制組打擊提供沖力前后測(cè)方差分析：被試間效應(yīng)檢驗(yàn)

表4-6 為真光實(shí)驗(yàn)組與控制組打擊提供沖力前后測(cè)兩因素混合設(shè)計(jì)方差分析結(jié)果。從表5被試內(nèi)效應(yīng)分析可知，PRE_POST的F（1，131）=30.291，P=0.000＜0.01，表明真光實(shí)驗(yàn)組與控制組前后測(cè)差異非常顯著；PRE_POST*GROUP 的F(1,131)=2.530，P=0.114＞0.05，表明GROUP 與PRE_POST 交互效應(yīng)不顯著。從表6 被試間效應(yīng)分析可知，GROUP 的F（1,131）=6.130，P=0.015＜0.05，表明真光實(shí)驗(yàn)組與控制組差異顯著，從圖3交互效應(yīng)圖可知，真光實(shí)驗(yàn)組教學(xué)效果更好。

由此可知，牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)和常規(guī)教學(xué)在促進(jìn)打擊提供沖力概念轉(zhuǎn)變中前后測(cè)差異非常顯著；與常規(guī)教學(xué)相比差異非常顯著，且牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)更能促進(jìn)打擊提供沖力概念轉(zhuǎn)變。

2.討論

對(duì)圓周沖力、打擊提供沖力兩因素方差分析結(jié)果進(jìn)分析后，得出了與構(gòu)想相一致的模式，在開(kāi)展了牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)后，15～16 歲的中學(xué)生牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變績(jī)效明顯得到提高，學(xué)生概念轉(zhuǎn)變和建構(gòu)情況得到明顯改善。由此可見(jiàn)，由計(jì)算機(jī)建模工具支持的牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)這一干預(yù)，在促進(jìn)學(xué)生牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變、提升概念建構(gòu)績(jī)效上，有非常顯著的作用。這一準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果還證實(shí)了，順序地合理地利用有日常生活素材參與的真實(shí)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)建模工具支持的虛擬實(shí)驗(yàn)，與學(xué)生概念轉(zhuǎn)變績(jī)效存在著功能關(guān)系。

圖3 真光實(shí)驗(yàn)組與控制組打擊提供沖力前后測(cè)交互效應(yīng)圖

這是因?yàn)榕ｎD第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)以圓形管道中小球的運(yùn)動(dòng)軌跡的問(wèn)題為引子，調(diào)查學(xué)生關(guān)于牛頓第一定律的先前知識(shí)和迷思概念；在學(xué)生充分討論的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生回憶日常生活中甩干雨傘上的雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，以引起學(xué)生的認(rèn)知沖突；然后，教師引入“手托粉筆，需要手施力來(lái)保持粉筆的靜止”、“手推粉筆盒動(dòng)，撤掉推力，粉筆盒不動(dòng)，表明粉筆盒的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持；手推小車動(dòng)，撤掉推力，小車還運(yùn)行了一會(huì)，沒(méi)有立即停下來(lái)”等反例，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知沖突；在學(xué)生認(rèn)知沖突的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)探究物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與力的關(guān)系；在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使用計(jì)算機(jī)建模工具來(lái)進(jìn)一步探究力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，進(jìn)行概念建模。

教師意識(shí)到學(xué)生有迷思概念，且能引出學(xué)生先前知識(shí)中的迷思概念是概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。教師必須要意識(shí)到學(xué)生的學(xué)習(xí)是基于學(xué)生的已有知識(shí)和迷思概念進(jìn)行的。迪塞薩[8]指出，那些僅僅教導(dǎo)老師懂得迷思概念觀點(diǎn)的干預(yù)已經(jīng)取得了驚人的成功。此外，選擇恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題引出學(xué)生的迷思概念才能針對(duì)迷思概念進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。圓周沖力來(lái)源于學(xué)生運(yùn)用“運(yùn)動(dòng)意味著力的作用”來(lái)解釋圓周運(yùn)動(dòng)，因此，選用小球在圓形管道中的運(yùn)動(dòng)軌跡作為引子可以很好的引出圓周沖力的迷思概念。

通過(guò)反例等策略引起學(xué)生認(rèn)知沖突是概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的另一關(guān)鍵。在學(xué)生討論后提示學(xué)生回憶甩干雨傘上的雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，是一個(gè)較好的反例，因?yàn)檫@個(gè)反例是日常生活中常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，如果學(xué)生持有圓周沖力，則無(wú)法解釋這一現(xiàn)象，能夠引起學(xué)生的認(rèn)知沖突。教師再引入“手托粉筆，需要手施力來(lái)保持粉筆的靜止”、“手推粉筆盒動(dòng)，撤掉推力，粉筆盒不動(dòng)，表明粉筆盒的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持；手推小車動(dòng)，撤掉推力，小車還運(yùn)行了一會(huì)，沒(méi)有立即停下來(lái)”等反例，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知沖突。波斯納[9]指出，學(xué)生要不滿足于自己先前的概念，用庫(kù)恩的話來(lái)說(shuō)就是經(jīng)歷了“大量反常的事物”才能改變他們的概念體系。

計(jì)算機(jī)建模工具的支持是牛頓第一定律概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)的關(guān)鍵。正如前文討論的，牛頓第一定律的迷思概念主要來(lái)源于日常生活經(jīng)驗(yàn)，而究其根源是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界中總存在摩擦力。計(jì)算機(jī)建模工具能讓學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證沒(méi)有摩擦力的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建構(gòu)沒(méi)有摩擦力時(shí)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的心智模型，最終建構(gòu)牛頓第一定律，實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。

順序地合理地開(kāi)展真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)，是成功使用計(jì)算機(jī)建模工具支持力和運(yùn)動(dòng)概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)的一個(gè)條件。計(jì)算機(jī)建模工具提供的是模擬的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并非真實(shí)的，如果不建立在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，無(wú)法令學(xué)生信服。此外，利用日常生活素材進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，也是概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)強(qiáng)調(diào)的一個(gè)因素，因?yàn)槊运几拍钪饕獊?lái)源于日常生活經(jīng)驗(yàn)，使用日常生活素材相比實(shí)驗(yàn)室器材，更能令學(xué)生印象深刻。

四、結(jié)論與啟示

本研究在科學(xué)教育、學(xué)習(xí)科學(xué)等先行研究的基礎(chǔ)上，從教育技術(shù)學(xué)的視角出發(fā)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了解決牛頓第一定律的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)和支持這一教學(xué)活動(dòng)的計(jì)算機(jī)建模工具，在準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)建模工具支持的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)這一干預(yù)的有效性，說(shuō)明計(jì)算機(jī)建模工具支持的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)對(duì)促進(jìn)力和運(yùn)動(dòng)迷思概念轉(zhuǎn)變具有明顯效果，與常規(guī)教學(xué)相比差異顯著。

概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)的成功依賴于幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：教師意識(shí)到學(xué)生有迷思概念，且能引出學(xué)生先前知識(shí)中的迷思概念；通過(guò)反例、小組討論等策略引起學(xué)生認(rèn)知沖突；多使用日常生活中的現(xiàn)象；順序地合理地開(kāi)展真實(shí)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)建模工具支持的虛擬實(shí)驗(yàn)。

目前的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)主要依賴于前測(cè)與后測(cè)，這對(duì)于評(píng)價(jià)具體的概念轉(zhuǎn)變過(guò)程作用不大[8]。概念轉(zhuǎn)變研究的核心問(wèn)題“概念是連貫的還是零散的”目前還在爭(zhēng)論中，連貫說(shuō)認(rèn)為概念具有不可通約性，是革命性的轉(zhuǎn)變，即快照式概念轉(zhuǎn)變；而零散說(shuō)則認(rèn)為樸素理論是由相對(duì)獨(dú)立的零散知識(shí)構(gòu)成，零散說(shuō)的支持者認(rèn)為概念轉(zhuǎn)變是緩慢的，但目前還沒(méi)有模式可用來(lái)追蹤這個(gè)緩慢的過(guò)程。不管是快照式概念轉(zhuǎn)變還是緩慢的概念轉(zhuǎn)變，找到一個(gè)合適的模式來(lái)追蹤這個(gè)過(guò)程將是今后研究的一個(gè)重點(diǎn)。

此外，概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)后，學(xué)生是否依然表現(xiàn)出對(duì)情境的敏感依賴也將是今后研究的一個(gè)方向，概念轉(zhuǎn)變教學(xué)活動(dòng)雖然強(qiáng)調(diào)應(yīng)用日常生活情境，但是否對(duì)應(yīng)用的情境表現(xiàn)出敏感依賴需要進(jìn)一步研究。

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