關(guān)于中學(xué)生熱量和溫度前概念的調(diào)查研究

◆山東省大連市第七十六中學(xué) 王晶晶

關(guān)于中學(xué)生熱量和溫度前概念的調(diào)查研究

◆山東省大連市第七十六中學(xué) 王晶晶

文章通過(guò)對(duì)118名（13～16歲）初中生進(jìn)行問(wèn)卷測(cè)試和臨床訪談，以測(cè)試中的選擇題為研究?jī)?nèi)容，從多個(gè)角度揭示了學(xué)生對(duì)熱量和溫度科學(xué)概念理解上存在的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)在中學(xué)生的頭腦里，對(duì)熱量和溫度存在大量的前概念，并對(duì)如何讓學(xué)生建立科學(xué)概念提出了合理化建議。

熱量和溫度；科學(xué)概念；前概念

隨著對(duì)教學(xué)過(guò)程認(rèn)識(shí)的不斷深入，人們逐漸重視學(xué)生已有認(rèn)識(shí)經(jīng)驗(yàn)的作用。初中物理知識(shí)來(lái)源于自然，來(lái)源于生活，貼近于生活。初中生也有相當(dāng)多的生活經(jīng)驗(yàn)，其中包含著大量與物理有關(guān)的現(xiàn)象、問(wèn)題。這都決定了：在教學(xué)中要充分了解學(xué)生的想法，利用他們已有的經(jīng)驗(yàn)，采取合理的方式來(lái)發(fā)展學(xué)生的原有概念，讓學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)可以建立正確的思維模型。

根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：新教師在教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)常抱怨不知道學(xué)生的想法，不能展開(kāi)有針對(duì)性的教學(xué)，而熱量和溫度概念向來(lái)都是教學(xué)上的難點(diǎn)。由于學(xué)生有在生活中的經(jīng)驗(yàn)，他們?cè)谶@方面有很多前概念。這種前概念具有廣泛性、頑固性、負(fù)遷移性、層次復(fù)雜性的特征，從而成為學(xué)生學(xué)習(xí)物理的主要障礙。

Kesidou&Duit對(duì)34名10年級(jí) （15～16歲）的學(xué)生進(jìn)行了臨床訪談，得出學(xué)生存在的前概念有以下一些：①熱量可以輕而易舉地進(jìn)入和離開(kāi)不同的材料；②不同的材料吸收熱量或保持熱量的效果不同；③粒子與它極其近似的粒子也不是完全相同的。Thomaz等人的研究表明，對(duì)溫度與熱量的認(rèn)識(shí)，學(xué)生的普遍錯(cuò)誤表現(xiàn)在5個(gè)方面：①熱量是一種物質(zhì)；②不能區(qū)分溫度與熱量；③將溫度與對(duì)物體的感知覺(jué)混淆；④對(duì)物體加熱總會(huì)導(dǎo)致物體的溫度升高；⑤對(duì)相變時(shí)溫度與熱量的關(guān)系存在錯(cuò)誤的理解。Mustafa回顧了對(duì)學(xué)生理解熱量和溫度的調(diào)查，提出了一項(xiàng)重要的研究結(jié)果，總結(jié)了迄今發(fā)現(xiàn)的有關(guān)熱量和溫度的前概念，并且指出了這些錯(cuò)誤概念的可能來(lái)源，為從事科學(xué)或物理教育領(lǐng)域的研究人員和教師提供了幫助。

比如，張軍朋和茹秀芳對(duì)國(guó)外有關(guān)于學(xué)生對(duì)溫度和熱量概念的研究，分別從學(xué)生對(duì)于概念理解的特征、探究學(xué)生相異概念形成的機(jī)制、克服學(xué)生錯(cuò)誤概念的教學(xué)嘗試3個(gè)方面進(jìn)行了綜述，以期對(duì)我國(guó)熱量和溫度的教學(xué)產(chǎn)生影響。

一、前科學(xué)概念的定義

建構(gòu)主義認(rèn)為，兒童的科學(xué)學(xué)習(xí)并不是從零開(kāi)始，而是對(duì)原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建構(gòu)，通過(guò)新舊經(jīng)驗(yàn)之間雙向反復(fù)的相互作用而實(shí)現(xiàn)的。兒童在接受系統(tǒng)的科學(xué)訓(xùn)練前，日常經(jīng)驗(yàn)使他們對(duì)客觀世界的各種自然現(xiàn)象初步形成了自己的看法和解釋，從而建構(gòu)了大量的自發(fā)概念。自發(fā)概念中那些與科學(xué)概念兼容，為以后接受科學(xué)知識(shí)打下基礎(chǔ)的部分，被奧蘇貝爾稱之為 “知識(shí)的固定點(diǎn)”或 “先前知識(shí)”；而另一些卻與科學(xué)概念相沖突，被稱為 “錯(cuò)誤概念”。錯(cuò)誤概念不僅在兒童中出現(xiàn)，也經(jīng)常出現(xiàn)在接受了正規(guī)科學(xué)教育的成人頭腦中，因?yàn)檫@些概念通常能“解釋”一些表面現(xiàn)象，符合直觀觀察，所以在他們的頭腦里是“合理的”。

前概念，即前科學(xué)概念，我國(guó)學(xué)者傾向于認(rèn)為，前科學(xué)概念指學(xué)習(xí)者在接受正式的科學(xué)教育之前，在現(xiàn)實(shí)生活中通過(guò)長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累與辨別式學(xué)習(xí)而獲得的一些感性印象、積累的一些缺乏概括性和科學(xué)性的經(jīng)驗(yàn)，是一些與科學(xué)知識(shí)相?；虿槐M一致的觀念和規(guī)則。在理論上，前科學(xué)概念指的是學(xué)習(xí)者將科學(xué)概念的內(nèi)涵增加、減少或替換，導(dǎo)致外延擴(kuò)大、縮小或移位的概念。在教育研究和實(shí)踐中，前科學(xué)概念指的是學(xué)習(xí)者擁有的與科學(xué)概念的涵義不一致甚至相反的概念，是學(xué)習(xí)者形成某一科學(xué)概念之前所擁有的概念形態(tài)。

二、中學(xué)生熱量和溫度前概念分析研究

1.調(diào)查研究方法

本研究在前人對(duì)前概念與物理模型研究的基礎(chǔ)之上，將兩者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，選取物理學(xué)中熱學(xué)的內(nèi)容作為測(cè)試的內(nèi)容，主要是因?yàn)樵谌粘Ｉ钪?，涉及熱量和溫度以及吸熱、放熱的情境無(wú)處不在，學(xué)生感覺(jué)非常熟悉，為它們構(gòu)建了許多簡(jiǎn)單的解釋，其中反映出學(xué)生頭腦中存在的前概念。

研究對(duì)象：選取XX市一所城市學(xué)校初中二年級(jí)兩個(gè)班的學(xué)生，一所郊縣學(xué)校三年級(jí)一個(gè)班的學(xué)生，共計(jì)118人。

研究方式：采用了問(wèn)卷、測(cè)試、訪談的形式，測(cè)試是以問(wèn)卷的形式出現(xiàn)，其中的選擇題是用來(lái)測(cè)試學(xué)生頭腦中存在相關(guān)的熱學(xué)前概念；訪談是為了了解學(xué)生建立不同物理模型的原因，從多個(gè)角度揭示了溫度和熱量概念理解上的問(wèn)題。

2.結(jié)果與分析

通過(guò)選擇題目分析可以看出學(xué)生頭腦中是否存在與問(wèn)答題目暴露出的相應(yīng)的前概念。

（1）玲玲用沸水煮熟雞蛋后，將雞蛋放進(jìn)冷水里，請(qǐng)選擇下面哪一項(xiàng)是雞蛋的冷卻過(guò)程？ （ ）

圖1 被試對(duì)煮雞蛋問(wèn)題回答的情況

A.溫度從雞蛋傳遞到冷水中

B.冷氣從冷水中傳遞到雞蛋上

C.熱的物體會(huì)自然地變冷

D.熱量從雞蛋傳遞到冷水中

從結(jié)果可以看出：選擇A的學(xué)生占總?cè)藬?shù)的19.5%，學(xué)生無(wú)法區(qū)分溫度和熱量的概念，認(rèn)為熱傳遞的是溫度而不是能量，或者根本就無(wú)法區(qū)分熱量和溫度，認(rèn)為熱量就是溫度；選擇B的學(xué)生占總?cè)藬?shù)的17.8%，在這部分學(xué)生的前概念里認(rèn)為熱量有兩種類型：冷的熱量和熱的熱量。冷與熱是相反的，物體變冷的原因不是失去能量，而是吸收了冷；選擇C的學(xué)生只占了5.1%，說(shuō)明大部分學(xué)生是知道物體變冷是有條件的，但仍有6名學(xué)生選錯(cuò)，經(jīng)過(guò)訪談知道，他們認(rèn)為熱的物體會(huì)自然變冷，但是冷的物體變熱、升溫卻是需要加熱等條件的；選擇D的學(xué)生占總?cè)藬?shù)的57.6%，僅從結(jié)果看，大部分學(xué)生還是掌握了相關(guān)知識(shí)的。

（2）小華從冰箱里拿出前一天晚上放進(jìn)去的一瓶罐裝可樂(lè)和一瓶塑料瓶裝可樂(lè)。他迅速地把溫度計(jì)插入罐裝的可樂(lè)瓶中，測(cè)得的溫度是7℃。那么塑料瓶和塑料瓶中的可樂(lè)的溫度分別最有可能是多少呢？ （ ）

圖2 被試對(duì)可樂(lè)和可樂(lè)瓶問(wèn)題回答的情況

A.它們的溫度都低于7℃

B.它們的溫度都等于7℃

C.它們的溫度都大于7℃

D.可樂(lè)的溫度是7℃，但可樂(lè)瓶的溫度大于7℃

這個(gè)題目暴露的問(wèn)題比較嚴(yán)重，學(xué)生回答正確的百分比僅是18.6%，對(duì)熱平衡問(wèn)題，學(xué)生存在很大的疑惑，學(xué)生對(duì)于這個(gè)問(wèn)題有各種各樣解釋的模型，比如，一個(gè)初三學(xué)生的模型，他認(rèn)為可樂(lè)放在冰箱里，溫度是從內(nèi)向外依次升高的，他認(rèn)為液體的溫度最低，之后才是瓶子的溫度。

（3）小明從外面拿進(jìn)房間兩瓶裝有20℃水的玻璃杯，一個(gè)用濕毛巾包住，一個(gè)用干毛巾包住，20分鐘之后，用濕毛巾包的那杯水的溫度為18℃；而用干毛巾包的那杯水的溫度是22℃，那么房間內(nèi)的溫度最有可能是： （ ）

A.26℃ B.21℃ C.20℃ D.18℃

這個(gè)題目選擇C的學(xué)生比選擇正確答案A的人多，經(jīng)過(guò)筆者的訪談，了解了學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因是：不知從何下手，很多人認(rèn)為將 “18+22”再求平均數(shù)就是20攝氏度，根本就沒(méi)有使用科學(xué)的方法進(jìn)行推理得出，經(jīng)過(guò)教師對(duì)一些問(wèn)題的引導(dǎo)以后，一些學(xué)生推出了正確答案。例如，筆者問(wèn)他們： “濕毛巾包的塑料瓶為什么溫度會(huì)降低呢？”學(xué)生回答： “因?yàn)闈衩肀容^冷，塑料瓶吸收了濕毛巾的冷，所以溫度降低了?！北┞读怂麄?cè)S多的前概念。之后筆者又提問(wèn)： “那為什么干毛巾包的溫度會(huì)上升呢？而且比毛巾的溫度還高呢？”有些學(xué)生相信用毛巾包的物體溫度會(huì)升高，但他們卻不相信物體用毛巾包過(guò)以后會(huì)比毛巾自身的溫度還高，這次他們就要思考一下熱量的來(lái)源了，熱量不是來(lái)自毛巾，也不會(huì)是來(lái)自冰塊，那肯定是來(lái)自空氣了。經(jīng)過(guò)這樣的推導(dǎo)過(guò)程，學(xué)生大多都能得出正確的結(jié)論。

4.為什么在寒冷的冬天，我們要穿毛衣？ （ ）

A.防止冷空氣進(jìn)入，把冷空氣阻止在外面

B.會(huì)產(chǎn)生熱量，使人變得暖和

C.會(huì)減少熱量的損失

D.以上三種說(shuō)法都正確

對(duì)于這個(gè)題目，很多學(xué)生會(huì)選擇D這一項(xiàng)，他們認(rèn)為以上三項(xiàng)都是正確的，我們可以清晰地看見(jiàn)學(xué)生在前幾題出現(xiàn)的前概念問(wèn)題在這一題目中暴露無(wú)遺。前面很多學(xué)生認(rèn)為毛巾會(huì)使包住的物體升溫，但他們不知道熱量的來(lái)源，并且不承認(rèn)是毛巾本身產(chǎn)生和釋放的，但在這個(gè)題目中他們的意志被動(dòng)搖了，選擇了衣服會(huì)產(chǎn)生熱量，使人的身體變暖這一結(jié)論是正確的。

我們應(yīng)該要看到學(xué)生存在的這些潛在的前概念，他們雖然嘴上會(huì)說(shuō)毛巾不會(huì)產(chǎn)生熱量，但卻一直使用毛巾生熱的模型來(lái)解釋問(wèn)題，這就需要教師徹底轉(zhuǎn)變學(xué)生的前概念，讓學(xué)生們知道熱量的真正來(lái)源是空氣而不是衣服本身，只有這樣才能有助于學(xué)生形成科學(xué)的概念。

三、結(jié)論

本文的研究表明：當(dāng)學(xué)生在日常生活中看到的、感覺(jué)到的與科學(xué)概念的結(jié)果不一致時(shí)，部分學(xué)生會(huì)堅(jiān)信他們的感覺(jué)，甚至寧愿改變自己所學(xué)習(xí)的科學(xué)概念，堅(jiān)持使用前概念來(lái)解釋與科學(xué)概念相沖突的現(xiàn)象。因此，筆者認(rèn)為，教師在教學(xué)當(dāng)中的首要任務(wù)不是對(duì)知識(shí)的講授，而是徹底轉(zhuǎn)變學(xué)生頭腦中的前概念。因?yàn)橛星案拍畹拇嬖?，學(xué)生就很難真正地接受并理解科學(xué)概念，當(dāng)在具體的環(huán)境中，他們依舊會(huì)選擇使用前概念對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解釋。認(rèn)知沖突是轉(zhuǎn)變學(xué)生前概念的有效方法。教師可以通過(guò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)討論過(guò)程制造認(rèn)知沖突，讓學(xué)生的前概念與科學(xué)概念處于一種交鋒的狀態(tài)，使他們?cè)诮忉尩倪^(guò)程中處于自相矛盾之中，那么他們就會(huì)選擇各種方式進(jìn)行改變，最終把他們的前概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念。

[1]張軍朋,茹秀芳.溫度和熱量的相異觀念：一項(xiàng)問(wèn)卷調(diào)查[J].物理教學(xué),2006.

[2]張軍朋,茹秀芳.國(guó)外關(guān)于學(xué)生對(duì)溫度和熱量概念理解研究進(jìn)展[J].物理教師,2004.

[3]Mustafa S?zbilir.A Review of Selected Literature on Students' Misconceptions of Heat and Temperature.Bogazi?i University Journal of Education,2003,Vol.20(1).

[4]牟毅,朱莉琪.兒童樸素物理學(xué)的錯(cuò)誤概念及影響概念轉(zhuǎn)換的因素[J].心理科學(xué)進(jìn)展,2006,14(5):697.

[5]李高峰,劉恩山.“前科學(xué)概念”的術(shù)語(yǔ)和定義的綜述[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(教育科學(xué)版),2006,(12).

（編輯：楊 迪）

圖3 被試對(duì)玻璃杯問(wèn)題回答的情況

圖4 被試對(duì)穿毛衣問(wèn)題回答的情況

G633.7

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1671-0568（2015）33-0032-03