中學(xué)生“力學(xué)前概念”的探查與矯正

陳雪梅

摘 要：采用美國(guó)Hestenes等人設(shè)計(jì)的FCI測(cè)評(píng)問卷對(duì)杭州市某中學(xué)初一、初二兩個(gè)年級(jí)的部分學(xué)生進(jìn)行力學(xué)概念測(cè)試，揭示了初一學(xué)生頭腦中存在的典型力學(xué)前概念以及初二學(xué)生經(jīng)傳統(tǒng)教學(xué)后的概念轉(zhuǎn)變情況。采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)不同年級(jí)和不同性別學(xué)生的力學(xué)概念掌握情況以及差異水平進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)物理概念教學(xué)提出了一些思考和建議。

關(guān)鍵詞：中學(xué)生；力學(xué)前概念；分析；FCI測(cè)評(píng)問卷

學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的直觀認(rèn)識(shí)在接受物理課程學(xué)習(xí)之前已經(jīng)存在了，并在這些認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上形成了自己的思維體系。這種在學(xué)習(xí)系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)之前存在的想法被稱為“前概念”（preconception）。前概念對(duì)于物理知識(shí)的建構(gòu)所產(chǎn)生的作用和影響一直是物理教學(xué)研究比較活躍的領(lǐng)域。美國(guó)、加拿大、新西蘭等國(guó)家均對(duì)其進(jìn)行了廣泛深入的研究，但我國(guó)在這方面的研究相對(duì)缺乏。

本研究旨在探查學(xué)習(xí)力學(xué)基本知識(shí)前后的初中學(xué)生對(duì)力學(xué)基本概念、規(guī)律的理解、認(rèn)識(shí)情況，為電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等其他物理分支領(lǐng)域?qū)W生前概念及其轉(zhuǎn)化的研究提供借鑒。

一、測(cè)評(píng)問卷和被測(cè)樣本分析

本調(diào)查采用的問卷是美國(guó)Hestenes等人設(shè)計(jì)的“力的概念測(cè)量表”（Force Concept Inventory），簡(jiǎn)稱FCI。FCI由30個(gè)與力的概念有關(guān)的物理題目構(gòu)成。每小題均有5個(gè)備選答案，其中只有一個(gè)是正確的，其余四個(gè)是從大量問卷調(diào)查中提煉出來的學(xué)生最常見的前概念，學(xué)生必須在正確概念和錯(cuò)誤概念中作出選擇。

本調(diào)查在2015年9月進(jìn)行。調(diào)查對(duì)象為浙江省杭州市某初級(jí)中學(xué)學(xué)生。抽取初一兩個(gè)班進(jìn)行調(diào)查，收到有效答卷102份（男56份，女46份）。這部分學(xué)生沒有學(xué)過基本力學(xué)知識(shí)，他們關(guān)于力學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)來自日常生活經(jīng)驗(yàn)。調(diào)查這部分學(xué)生是為了探查進(jìn)行力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)之前，學(xué)生頭腦中存在的前概念情況。抽取初二兩個(gè)班進(jìn)行調(diào)查，收到有效答卷96份（男58份，女38份）。初二學(xué)生學(xué)過力學(xué)基本知識(shí)，對(duì)力學(xué)問題有一定的理解和認(rèn)識(shí)，他們的錯(cuò)誤答案可以反映學(xué)生的前概念經(jīng)傳統(tǒng)教學(xué)之后的轉(zhuǎn)化情況。

二、典型調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

限于篇幅，筆者在本文中列舉部分試題進(jìn)行分析，這部分試題有效地揭示出學(xué)生頭腦中存在典型的前概念。所選試題以及統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

（一）典型試題各選項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

【題1】?jī)蓚€(gè)體積相等的金屬球，其中一個(gè)的重量是另一個(gè)的兩倍。兩球從二層樓頂同一高度同時(shí)落下，則兩球到達(dá)地面的時(shí)間：

【題2】一輛大卡車和一輛小轎車迎面相撞，在碰撞過程中：

【題3】?jī)蓚€(gè)鋼球，一個(gè)重量是另一個(gè)的兩倍，二者以相同的速度滑出水平桌面，則落地點(diǎn)到桌子底部的距離：

【題4】一個(gè)男孩豎直上拋一小鋼球，忽略空氣阻力。在小球從拋出到回到地面的過程中，作用在小球上的力為：

【題5】參考下圖，回答問題。一個(gè)小球在光滑平面上從a勻速運(yùn)動(dòng)到b，小球到達(dá)b點(diǎn)時(shí)受到一個(gè)來自同一水平面上的瞬間沖撞，方向如粗箭頭所示。

沖撞之后，沿著選定的路線，小球受到的主要作用力為：

【題6】?jī)蓚€(gè)學(xué)生，a的質(zhì)量為75kg，b的質(zhì)量為57kg，面對(duì)面地坐在同樣的辦公椅上，學(xué)生a將雙腳放在b的膝蓋上。學(xué)生a如果蹬腳，兩個(gè)椅子都開始運(yùn)動(dòng)。

【題7】一塊石頭從一層樓頂落向地面，則：

【題8】一個(gè)高爾夫球飛行過程中所受的作用力有：1.重力；2.打擊力；3.空氣阻力。

（二）典型前概念分析

1.關(guān)于原動(dòng)力

①“打擊”傳遞原動(dòng)力。題5的B、C兩個(gè)選項(xiàng)共有84.3%的初一學(xué)生和54.1%的初二學(xué)生認(rèn)為小球在運(yùn)動(dòng)過程中仍然受到水平?jīng)_力的作用。題8的B、C和E三個(gè)選項(xiàng)有93.7%的初一學(xué)生和27.1%的初二學(xué)生認(rèn)為高爾夫球在飛行過程中還受到打擊力的作用。通過訪談，絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為通過“打擊”可以把力轉(zhuǎn)移到被打擊的物體上，從而提供一種能維持運(yùn)動(dòng)的使動(dòng)力量。

②運(yùn)動(dòng)過程中“原動(dòng)力”的耗散。題4的A、B和C三個(gè)選項(xiàng)共有86.4%的初一學(xué)生和47.9%的初二學(xué)生認(rèn)為小鋼球被拋出時(shí)產(chǎn)生的原動(dòng)力在運(yùn)動(dòng)過程中逐漸減小。即“原動(dòng)力”的耗散。

對(duì)于原動(dòng)力的認(rèn)識(shí)，初一學(xué)生和初二學(xué)生存在的誤解都是很嚴(yán)重的。這是因?yàn)閷W(xué)生沒有相應(yīng)的生活經(jīng)驗(yàn)來證明物體的真正運(yùn)動(dòng)狀況及受力情況，只能憑常識(shí)來判斷。傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)改變這種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的效果并不十分理想。

2.關(guān)于作用力與反作用力

①質(zhì)量越大的物體施力也越大。題2的A和D兩個(gè)選項(xiàng)共有51.0%的初一學(xué)生和6.3%的初二學(xué)生認(rèn)為大卡車和小轎車相撞時(shí)，大卡車作用在小轎車上的力大于小轎車作用在大卡車上的力。題6的D選項(xiàng)有49.0%的初一學(xué)生和8.3%的初二學(xué)生認(rèn)為質(zhì)量較大的a學(xué)生對(duì)b的作用力較大。較多學(xué)生認(rèn)為兩個(gè)物體相互作用時(shí)，質(zhì)量大的物體“更有勁兒”。

②主動(dòng)物體施力較大。在訪談中發(fā)現(xiàn)，題6選D的部分同學(xué)認(rèn)為相互作用過程中主動(dòng)物體施力較大，被動(dòng)物體也對(duì)主動(dòng)物體施加一定的力，但是被動(dòng)物體施加的力只是為了阻擋主動(dòng)力，因而其大小也小于主動(dòng)力。

3.關(guān)于重力

①重的物體下落得快。題1有52.9%的初一學(xué)生和85.4%的初二學(xué)生選擇答案A或D。題3有47.0%的初一學(xué)生和68.0%的初二學(xué)生選擇答案C或D?？梢?，“物體越重下落得越快”這個(gè)自亞里士多德開始數(shù)千年被人們信奉為“真理”的誤解，今天仍然普遍地存在于學(xué)生的前概念體系之中。而且，出乎意料的是，初二學(xué)生比初一學(xué)生更加根深蒂固！

②重力隨物體下落而增加。題4有37.3%的初一學(xué)生和10.9%的初二學(xué)生選擇答案B，認(rèn)為小鋼球下降過程中地球引力逐漸增加。題7有29.4%的初一學(xué)生和22.9%的初二學(xué)生認(rèn)為石頭加速下落，主要是由于它越接近地球，地球引力越大。

③大氣壓對(duì)重力有貢獻(xiàn)。題7有37.3%的初一學(xué)生和33.4%的初二學(xué)生選擇答案E，認(rèn)為石頭下落的主要原因是地球引力和向下的大氣壓力的聯(lián)合作用。在訪談中我們發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)生認(rèn)為大氣壓力與重力同方向，而且大氣壓力是單向作用在物體上的。

（三）統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

為了比較不同性別和不同年級(jí)之間學(xué)生對(duì)力學(xué)概念的掌握情況，我們對(duì)每位學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，全部數(shù)據(jù)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行處理，結(jié)果如下：

從以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，初一男女生的得分?jǐn)?shù)在0.01顯著性水平上有顯著區(qū)別，初二男女生的得分?jǐn)?shù)在0.05顯著性水平上區(qū)別不顯著，初一初二兩個(gè)年級(jí)的得分?jǐn)?shù)在0.01顯著性水平上有顯著區(qū)別。

三、概念矯正策略

本研究的探查結(jié)果支持了學(xué)生進(jìn)入物理課程學(xué)習(xí)之前已經(jīng)擁有很多與科學(xué)概念相矛盾的觀念的研究結(jié)論。調(diào)查還反映出，傳統(tǒng)教學(xué)在促進(jìn)前概念轉(zhuǎn)化為科學(xué)概念方面所做的工作是低效的甚至是失敗的。因此，在進(jìn)行科學(xué)概念教學(xué)之前，必須根據(jù)有意義學(xué)習(xí)理論，在了解學(xué)生原有認(rèn)知水平的基礎(chǔ)上，采用合理的教學(xué)手段，促使學(xué)生有效地轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤的物理前概念，進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。

1.進(jìn)行教學(xué)前測(cè)

學(xué)生頭腦中的前概念是在潛移默化中形成的，具有隱蔽性，平時(shí)一般不會(huì)清晰地呈現(xiàn)在腦海里。因此，在教授新概念之前，教師應(yīng)采用診斷性測(cè)試等方式，了解學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)。這樣做對(duì)教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”都有重要意義。對(duì)于“教”的意義，可以用奧蘇伯爾的一句名言來概括，“如果我不得不把全部教育心理學(xué)還原為一條原理的話，我將會(huì)說，影響學(xué)習(xí)的最重要的因素是了解學(xué)習(xí)者已經(jīng)知道了什么?！敝挥谐浞至私鈱W(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，尤其是了解學(xué)生對(duì)與新概念有密切關(guān)系的已有概念的認(rèn)識(shí)情況，才能選擇有效的教學(xué)策略和方法進(jìn)行有的放矢的教學(xué)。對(duì)“學(xué)”的意義在于，一方面，通過教學(xué)前測(cè)能激活學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)圖式，讓它從隱蔽之處呈現(xiàn)出來，這樣就為概念的重新建構(gòu)提供了基礎(chǔ)框架，以避免在大腦一片空白的情況下進(jìn)行無意義的接受學(xué)習(xí)。另一方面，若進(jìn)行教學(xué)前測(cè)并及時(shí)反饋，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。學(xué)生平時(shí)習(xí)慣于用經(jīng)驗(yàn)圖式進(jìn)行問題解決，前測(cè)所給的反饋結(jié)果會(huì)使學(xué)生對(duì)一些司空見慣的物理現(xiàn)象感到困惑。憑借經(jīng)驗(yàn)圖式進(jìn)行問題解決所導(dǎo)致的失敗促使他們迫切地想知道原由。此時(shí)大腦無比興奮，內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)非常強(qiáng)烈，在這樣的氛圍中，教師再絞盡腦汁地要求學(xué)生注意力集中，認(rèn)真聽課認(rèn)真思考就完全沒有必要了。

2.組織情境教學(xué)

讓學(xué)生在與實(shí)際情況相類似的教學(xué)情境中修正錯(cuò)誤想法是幫助他們獲得科學(xué)概念的最佳途徑。學(xué)生的前概念大多是在生活中建立起來的，以真實(shí)問題作為教學(xué)實(shí)例，能使他們產(chǎn)生真實(shí)感和親切感。實(shí)踐證明，教學(xué)中用以下的思路來解決真實(shí)性任務(wù)能有效地轉(zhuǎn)變前概念：選擇真實(shí)性任務(wù)或創(chuàng)設(shè)類似的情境；讓學(xué)生根據(jù)自己的理解，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)或問題的結(jié)果；讓他們用自己的前概念對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，并為自己的前概念進(jìn)行辯護(hù)，從而引起思維結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突，并強(qiáng)烈意識(shí)到前概念的存在；教師在適當(dāng)時(shí)機(jī)進(jìn)行參與，并步步引導(dǎo)他們用正確的物理概念來解釋問題。如果急于求成，一下子就讓學(xué)生面對(duì)課本上的“真理”，教學(xué)效果往往適得其反。

3.開展合作學(xué)習(xí)

每個(gè)學(xué)生都在以自己的經(jīng)驗(yàn)為背景建構(gòu)自己對(duì)事物和現(xiàn)象的理解，因此只能理解到事物的某些方面，不可能獲得全面的理解。合作學(xué)習(xí)可以克服個(gè)體知覺系統(tǒng)的局限性。通過交流與討論，每一位學(xué)生都能獲得他人對(duì)某一物理現(xiàn)象的獨(dú)到見解，并了解產(chǎn)生不同見解的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，從而超越自己對(duì)物理現(xiàn)象的一些狹隘的認(rèn)識(shí)。而且，在合作學(xué)習(xí)中，每個(gè)學(xué)生都是積極的參與者。在自由平等、相互信任的氣氛中最適宜表達(dá)各種荒誕的觀念，這些荒誕的觀念往往是互相矛盾的。激烈的爭(zhēng)論和積極的思考會(huì)促使他們認(rèn)識(shí)到自己原有認(rèn)識(shí)的片面性和不合理之處并萌發(fā)一些新的猜想，這些猜想往往已經(jīng)走近真理的邊緣。

4.重視探究與體驗(yàn)

概念的形成和發(fā)展過程對(duì)于每個(gè)學(xué)生來說都是不一樣的，因此，在教學(xué)過程中要盡可能地讓每個(gè)學(xué)生依據(jù)自己獨(dú)特的發(fā)展方式進(jìn)行物理概念的學(xué)習(xí)。探究式教學(xué)能為學(xué)生提供各種形成概念的途徑，滿足每一個(gè)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究問題的天性。學(xué)生可以從所要探究的概念出發(fā)，通過閱讀課本或查閱有關(guān)資料或與同學(xué)老師之間的相互交流，收集有關(guān)的材料，通過自己對(duì)材料的分析提出主觀的猜想并親自動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。在探究過程中，通過豐富的體驗(yàn)和感悟逐步糾正一些錯(cuò)誤的觀念和看法，獲得科學(xué)概念。

參考文獻(xiàn)：

[1]D. Hestenes. Force Concept Inventory[J]. Phys. Teach.1992（30）：141-158.

[2]施良方.學(xué)習(xí)論[M].北京：人民教育出版社，1994.

編輯 孫彥君