中學(xué)力學(xué)兩類前概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)嘗試2例

楊葭+徐曉梅

摘 要：對學(xué)生頭腦中前概念的研究，能幫助學(xué)生跨越建立科學(xué)概念的阻礙，促進(jìn)其知識體系的建構(gòu)。文章依據(jù)前概念相關(guān)研究理論，針對“相異前概念”和“樸素前概念”兩類前概念，對應(yīng)選取中學(xué)力學(xué)中的兩個(gè)概念，進(jìn)行了學(xué)生前概念調(diào)查分析，并據(jù)此提出了一些概念轉(zhuǎn)變策略，教學(xué)實(shí)踐、反思了這些概念轉(zhuǎn)變策略的有效性。

關(guān)鍵詞：中學(xué)力學(xué)；前概念；概念轉(zhuǎn)變；教學(xué)嘗試

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）6-0008-4

前概念廣泛地存在于每個(gè)人的思維中，美國著名心理學(xué)家奧蘇泊爾說：“影響學(xué)生最重要的因素是學(xué)生已經(jīng)知道什么，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生前概念的狀況進(jìn)行教學(xué)?！盵1]做學(xué)生前概念的調(diào)查揭示及轉(zhuǎn)變策略的探索研究是很有必要的。本文選取中學(xué)力學(xué)中兩個(gè)具有代表性的前概念，嘗試將前概念理論運(yùn)用于中學(xué)物理教學(xué)，提出調(diào)查診斷及教學(xué)的策略，探索物理前概念轉(zhuǎn)變的有效途徑。

1 前概念概述

1.1 前概念的界定、分類及特點(diǎn)

1）界定

前概念是前科學(xué)概念的簡稱，是指個(gè)體在沒有接受正式的科學(xué)概念之前，通過長期的經(jīng)驗(yàn)積累與辨別式學(xué)習(xí)而形成的對事物的非本質(zhì)認(rèn)識[2]。前概念的“前”，不僅指此觀念是在學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)物理知識之前形成的，也指學(xué)習(xí)后仍存在于學(xué)生頭腦中的不正式、不準(zhǔn)確、不合理的思維方式。前概念的“概念”，也不僅指常說的對某一事物現(xiàn)象的定義，還可以是在物理學(xué)領(lǐng)域的某種規(guī)律、某一原理，或者思維方式、邏輯習(xí)慣等。

2）分類

要想以前概念為出發(fā)點(diǎn)，提高教學(xué)有效性，就必須分清教學(xué)工作中哪些是攔路虎，哪些是推動器。前概念中與科學(xué)概念相矛盾的、對學(xué)生科學(xué)概念和嚴(yán)謹(jǐn)思維的建立造成不利影響的部分，稱之為“相異前概念”，它們是教學(xué)的攔路虎；前概念中，有科學(xué)概念的雛形，對教師教學(xué)產(chǎn)生有利影響的部分，稱之為“樸素前概念”，他們是教學(xué)的推進(jìn)器。故此，對于前概念的教學(xué)處理不能一概而論，要做一分為二的辨證處理，因勢利導(dǎo)，趨利避害。恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略應(yīng)該是對“相異前概念”采取暴露、轉(zhuǎn)化，進(jìn)而重構(gòu)，而對“樸素前概念”，則進(jìn)行順化、補(bǔ)充、完善。

3）特點(diǎn)

物理前概念的5個(gè)特點(diǎn)：①普遍性，即每個(gè)中學(xué)生在學(xué)習(xí)物理前都積累了豐富的生活常識和日常經(jīng)驗(yàn)，其中包括廣泛的物理前概念；②直觀性，即中學(xué)生對于摸得著、看得見、宏觀的、日常生活中經(jīng)常接觸到的事物形成了較多的物理前概念；③頑固性，即物理前概念是中學(xué)生長期經(jīng)驗(yàn)積累的結(jié)果，在他們腦海中印象深刻；④層次性，即每個(gè)中學(xué)生的知識背景和日常經(jīng)驗(yàn)不同，對同一物理概念有不同層次的前概念。⑤反復(fù)性，即如果學(xué)生沒真正理解和接受科學(xué)概念，一段時(shí)間后仍會用原有思維模式解決問題，反復(fù)出錯、無法根除。

1.2 前概念的成因及轉(zhuǎn)變

1）主要成因

知己知彼，方能百戰(zhàn)不殆。要獲知前概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略，就必須了解學(xué)生的原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)、思維方式和經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)從何而來。前概念的主要來源是，學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念前從日常生活經(jīng)驗(yàn)中獲得的對物理現(xiàn)象的理解和認(rèn)知。另一種來源是，學(xué)生接觸到此科學(xué)概念之前，學(xué)習(xí)過其他領(lǐng)域的類似概念，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的類比推理、主觀聯(lián)想，形成了自己的認(rèn)知觀念。

2）概念轉(zhuǎn)變

概念轉(zhuǎn)變是指個(gè)體原有的某種認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)由于受到與此不一致的新經(jīng)驗(yàn)的影響而發(fā)生重大轉(zhuǎn)變[3]。一直以來，許多中學(xué)物理教育工作者以認(rèn)知心理學(xué)的理論為基礎(chǔ)，提出了一系列前概念的診斷方法和概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略。

①診斷方法

要完成新舊認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，對原有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提升或重構(gòu)，教學(xué)中首先進(jìn)行的應(yīng)該是“診斷”，通過診斷揭露出學(xué)生頭腦中已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、思維方式、經(jīng)驗(yàn)來源，其次才是“治療”[4]。中學(xué)常用的前概念診斷方式有問卷調(diào)查、訪談研究、二段式診斷測試、制作概念圖等。

②轉(zhuǎn)變策略

概念轉(zhuǎn)變過程是認(rèn)知沖突發(fā)生并得以解決的過程。在診斷后，教學(xué)程序可以是：首先，針對不同類型的前概念采用不同的教學(xué)策略，嘗試創(chuàng)設(shè)物理情景，使學(xué)生對自身已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的不足部分產(chǎn)生懷疑和不滿。其次，配合教師的實(shí)驗(yàn)演示、探究和分析，學(xué)生進(jìn)行小組合作討論、交流與分享，以及教師進(jìn)行引導(dǎo)、總結(jié)。最后，師生共同進(jìn)行對比、分析，得出科學(xué)概念。如此，可以使學(xué)生的原有認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)有所增長或發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。許多已有研究成果中的策略方法是值得借鑒和參考的。如：Savander-Ranne和Kolari提出的基于概念轉(zhuǎn)變的PDEODE教學(xué)策略（Predict-Discuss-Explain-Observe-Discuss-Explain策略）[5]，周中森提出的前概念對話式反思教學(xué)策略[6]。

2 兩個(gè)前概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)嘗試

下面，選擇中學(xué)力學(xué)中兩個(gè)具有代表性的前概念作為研究對象：一為“重的物體比輕的物體下落得快”，屬“相異前概念”；一為“重的物體保持勻速運(yùn)動更困難”，屬“樸素前概念”，以前概念理論為依據(jù)，進(jìn)行前概念的調(diào)查診斷及概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略的教學(xué)嘗試。

2.1 “相異前概念”的教學(xué)嘗試

1）“重的物體比輕的物體下落得快”的前概念診斷

教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生雖已學(xué)過自由落體運(yùn)動，但在日常生活的理解、交流中仍有“重的物體比輕的物體下落得快”的想法。調(diào)查分析揭示，許多教師在概念教學(xué)中，是以口頭闡述或強(qiáng)壓、硬塞給學(xué)生新概念，而不是以在根除其頭腦中根深蒂固的錯誤觀念的基礎(chǔ)上構(gòu)建新概念的方式進(jìn)行教學(xué)，這是導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)這種“看似理解，一用就錯”的情況的重要原因。

針對“重的物體比輕的物體下落得快”這一前概念，由于在做初步診斷時(shí)發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生都存在此類錯誤觀念，且學(xué)生反映出的問題較多。所以，筆者選取昆明某中學(xué)高一年級12個(gè)班，并在每班隨機(jī)抽取10人共計(jì)120人，在學(xué)生未學(xué)習(xí)《自由落體運(yùn)動》一節(jié)內(nèi)容之前，進(jìn)行問卷調(diào)查（見附錄“關(guān)于‘重的物體比輕的物體下落得快的問卷”），以完成對這一前概念的診斷調(diào)查。調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1。

“關(guān)于‘重的物體比輕的物體下落得快的問卷”，通過貼近生活的一些問題的設(shè)置，把學(xué)生隱藏在大腦深處未根除的“相異前概念”暴露了出來。由表1可見，在學(xué)生頭腦中，“重的物體比輕的物體下落得快”的前概念根深蒂固，而且對“同質(zhì)量的物體在不同空氣阻力下”和“不同質(zhì)量的物體在無空氣阻力下”的下落情況的認(rèn)識也模糊不清。學(xué)生關(guān)于自由落體運(yùn)動的“相異前概念”來自哪里？針對這一問題，筆者選擇前面被調(diào)查學(xué)生中的部分學(xué)生，采用談話的方式，就自由落體運(yùn)動的“相異前概念”的形成原因和依據(jù)作了進(jìn)一步調(diào)查，并觀察各組員表達(dá)觀點(diǎn)的方式，分析各組員表達(dá)的觀點(diǎn)。調(diào)查表明，學(xué)生頭腦中“相異前概念”的形成，更多是受日常生活經(jīng)驗(yàn)的影響。

2）“重的物體比輕的物體下落得快”的概念轉(zhuǎn)變策略

經(jīng)過診斷環(huán)節(jié)，教師對學(xué)生的“相異前概念”已有一定了解，接下來的環(huán)節(jié)中教師可以采用創(chuàng)設(shè)物理情境，通過演示探究實(shí)驗(yàn)的方法，來突顯出已有認(rèn)知與物理事實(shí)的沖突，以激起學(xué)生對已有知識經(jīng)驗(yàn)的懷疑與不滿，主動意識到引入新概念的必要性。

為糾正學(xué)生這一錯誤的前概念，筆者采用PDEODE策略來設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)，具體做法如下：

【預(yù)測環(huán)節(jié)】描述如下實(shí)驗(yàn)情景并要求學(xué)生記錄預(yù)測結(jié)果。

①一張紙片和一個(gè)與紙片同質(zhì)量的紙團(tuán)同時(shí)從同一高度靜止釋放，哪個(gè)先著地？

②一個(gè)紙團(tuán)和一個(gè)質(zhì)量更大的紙片同時(shí)從同一高度靜止釋放，哪個(gè)先著地？

③一枚硬幣和幾枚粘合在一起的硬幣同時(shí)從同一高度靜止釋放，哪個(gè)先著地？

④在真空狀態(tài)下的牛頓管中，金屬塊和羽毛哪個(gè)下落得更快？

學(xué)生的預(yù)測：

①紙片和紙團(tuán)同時(shí)著地。

②質(zhì)量更大的紙片先著地。

③粘合在一起的硬幣先著地。

④金屬塊下落得更快。

【討論環(huán)節(jié)】讓學(xué)生在各自的小組中（3～4人）討論和分享彼此做出預(yù)測的理由，然后通過討論和協(xié)商來對實(shí)驗(yàn)情景形成組內(nèi)統(tǒng)一的預(yù)測，為之后的解釋環(huán)節(jié)作準(zhǔn)備。

【解釋環(huán)節(jié)】讓各小組內(nèi)部在針對實(shí)驗(yàn)情景達(dá)成共識之后。通過全班討論的形式向其他小組公布自己的預(yù)測結(jié)果，并在討論中參考他人的見解和反思自己的觀點(diǎn)。

【觀察環(huán)節(jié)】經(jīng)過以上環(huán)節(jié)學(xué)生很渴望知道自己的預(yù)測是否正確，教師要充分把握學(xué)生的積極性，對預(yù)測環(huán)節(jié)中的實(shí)驗(yàn)情景“④”涉及的真空管實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示。引導(dǎo)同學(xué)進(jìn)行與目標(biāo)概念相關(guān)的觀察：不僅要觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也要注意觀察老師的操作步驟和順序，準(zhǔn)確判斷金屬塊和羽毛的下落情況，并做好記錄。

實(shí)驗(yàn)：教師完成真空管實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與學(xué)生預(yù)測出現(xiàn)極大反差。此時(shí)，認(rèn)知沖突將激勵同學(xué)們迫切地找出原因，接著讓學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)情景“①”“②”“③”的實(shí)驗(yàn)，教師給予適當(dāng)?shù)奶崾?。?shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

①紙團(tuán)先著地。

②紙團(tuán)先著地。

③硬幣和粘合在一起的硬幣幾乎同時(shí)著地。

④金屬塊和羽毛下落得一樣快。

【討論環(huán)節(jié)】教師抓住時(shí)機(jī)引導(dǎo)學(xué)生通過組內(nèi)討論的方式，對比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測不一致的原因，試圖尋找新概念。

【解釋環(huán)節(jié)】最終，教師只需給予學(xué)生關(guān)于“空氣阻力”問題的適當(dāng)提示，學(xué)生即會豁然開朗，此時(shí)講述科學(xué)概念，即可實(shí)現(xiàn)“相異前概念”向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變，同時(shí)保障理解效果和長時(shí)記憶。

2.2 “樸素前概念”的教學(xué)嘗試

1）“重的物體保持勻速運(yùn)動更困難”前概念診斷

摩擦力部分教學(xué)過程中，了解到學(xué)生對“滑動摩擦力的大小與接觸面所受正壓力成正比”結(jié)論較容易接受，未出現(xiàn)明顯疑惑。是什么樣的原有認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)使學(xué)生對與此相聯(lián)系的科學(xué)概念的理解和接受更順利呢？本次診斷因?yàn)樗柩芯康膯栴}較單一、不復(fù)雜，筆者采用訪談方式，在昆明某中學(xué)高一年級學(xué)生未學(xué)習(xí)《摩擦力》一節(jié)的內(nèi)容之前，與其中的10名同學(xué)進(jìn)行對話式交流。

下面是筆者與其中一名同學(xué)的談話。

教師：物體在水平面上運(yùn)動，要保持其勻速運(yùn)動，是否需要一個(gè)水平拉力F？

學(xué)生：當(dāng)然需要。

教師：那如果是兩個(gè)質(zhì)量不同的物體，哪個(gè)需要的拉力更大？

學(xué)生：重的物體需要的拉力大。

教師：物體越重保持其勻速運(yùn)動需要的拉力越大嗎？

學(xué)生：是的，應(yīng)該與物體的質(zhì)量有關(guān)。

教師：具體是什么樣的關(guān)系，你能用數(shù)學(xué)表達(dá)式說明嗎？

學(xué)生：我想，是質(zhì)量越大的需要的拉力越大。

教師：那是什么支持你的想法？

學(xué)生：應(yīng)該是平常的生活經(jīng)驗(yàn)吧。

對話式訪談診斷揭示：學(xué)生頭腦中關(guān)于“滑動摩擦力大小與接觸面所受正壓力關(guān)系”的前概念雖也源于日常生活經(jīng)驗(yàn)，但并沒有完全與科學(xué)概念相沖突，只是不夠抽象嚴(yán)謹(jǐn)，與抽象的科學(xué)概念比較而言，相對表面、感性。僅有“所需推力F與物體重力G有關(guān)”的定性認(rèn)識，并沒嚴(yán)謹(jǐn)?shù)健癋=μFN”的定量表達(dá)。

2）“重的物體保持勻速運(yùn)動更困難”的概念轉(zhuǎn)化策略

經(jīng)過診斷環(huán)節(jié)，教師對學(xué)生的“樸素前概念”已有一定了解，教學(xué)時(shí)可以采用以原有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn)，進(jìn)行適當(dāng)同化和順應(yīng)的策略。通過適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)演示，創(chuàng)設(shè)物理模型，即可抽象提升出科學(xué)概念。

為了同化、順應(yīng)學(xué)生腦海中的“樸素前概念”，筆者作了如下的教學(xué)設(shè)計(jì)。

【觀察環(huán)節(jié)】 教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，引導(dǎo)同學(xué)進(jìn)行與目標(biāo)概念相關(guān)的觀察。

實(shí)驗(yàn)：取質(zhì)量約200 g的帶掛鉤木塊，置于長木板上，用彈簧測力計(jì)拉動，然后保持勻速運(yùn)動，讀取測力計(jì)讀數(shù)，即為拉力大小，視為木塊受到的摩擦力的大小。然后，逐步往木塊上加50 g的砝碼，分別讀取讀數(shù)，完成表2第三行的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)過程提示學(xué)生檢查并調(diào)整彈簧測力計(jì)，注意量程和分度值。（g=9.8 m/s2）

由此，同學(xué)發(fā)現(xiàn)拉力F與重力G間有數(shù)據(jù)上的具體聯(lián)系，刺激學(xué)生找出原有認(rèn)知與科學(xué)概念的差距。

【討論環(huán)節(jié)】此環(huán)節(jié)教師利用學(xué)生熟悉的控制變量法，引導(dǎo)其對比分析，通過分組討論，分享想法，找出數(shù)據(jù)比值的共同點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)拉力F與重力G的線性關(guān)系。

【解釋環(huán)節(jié)】利用二力平衡，作用力和反作用力的受力分析，明確正壓力FN=G=mg。引導(dǎo)學(xué)生得出“滑動摩擦力的大小與接觸面所受正壓力的線性關(guān)系”，從而順利地完成樸素觀念“重的物體保持勻速運(yùn)動更困難”向“滑動摩擦力大小與接觸面所受正壓力成正比”的科學(xué)概念轉(zhuǎn)變，將感性認(rèn)知抽象成 “F=μFN”的定量表達(dá)。

通過教學(xué)，學(xué)生基本理解“自由落體運(yùn)動規(guī)律”和“滑動摩擦力大小與接觸面所受正壓力的關(guān)系”。但是，概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)環(huán)節(jié)不是封閉的，而是不斷循環(huán)的，每次循環(huán)中對概念的理解都在不斷深入[7]。在隨后的教學(xué)中還將留意進(jìn)一步的反饋信息，分析評價(jià)采用的策略，針對未達(dá)效果的情況再次調(diào)查診斷和修改，以求得出更完善的教學(xué)模式，讓學(xué)生體會嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亟⒖茖W(xué)概念的過程。

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附錄：

關(guān)于“重的物體比輕的物體下落得快”的問卷

1.日常生活中，0.1 kg的石頭和1 kg的石頭同時(shí)從同一高度靜止釋放，哪個(gè)先著地？（ ）

A.0.1 kg的石頭 B.1 kg的石頭 C.一起著地

2.日常生活中，0.1 kg的石頭和一張紙片同時(shí)從同一高度靜止釋放，哪個(gè)先著地？（ ）

A.0.1 kg的石頭 B.紙片 C.一起著地

3.日常生活中，一張紙片和一個(gè)與紙片同質(zhì)量的紙團(tuán)同時(shí)從同一高度靜止釋放，哪個(gè)先著地？（ ）

A.紙片 B.紙團(tuán) C.一起著地

4.日常生活中，一個(gè)紙團(tuán)和一個(gè)質(zhì)量更大的紙片同時(shí)從同一高度靜止釋放，哪個(gè)先著地？（ ）

A.紙團(tuán) B.紙片 C.一起著地

5.日常生活中，一枚硬幣和幾枚粘合在一起的硬幣同時(shí)從同一高度靜止釋放，哪個(gè)先著地？（ ）

A.一枚硬幣 B.粘合在一起的硬幣

C.一起著地

6.在真空狀態(tài)下的牛頓管中，金屬塊和羽毛哪個(gè)下落得更快？（ ）

A. 金屬塊 B.羽毛 C.一起

（欄目編輯 趙保鋼）