“相異構(gòu)想”的矯治策略
——以初中物理為例

周洪池 唐登研

“相異構(gòu)想”的矯治策略
——以初中物理為例

周洪池1唐登研2

初中生物理“前概念”中的“相異構(gòu)想”是造成物理難學(xué)的主要因素，分析它，對(duì)物理教學(xué)有重要的意義。通過借鑒物理學(xué)家認(rèn)知物理知識(shí)的歷程，對(duì)比物理學(xué)史中物理知識(shí)的發(fā)展過程，探索矯治物理“前概念”中“相異構(gòu)想”的策略，其中，實(shí)驗(yàn)和科學(xué)的思維方式是矯治物理“前概念”中“相異構(gòu)想”的兩條路徑。

前概念；相異構(gòu)想；矯治策略；物理教學(xué)

初中學(xué)生在新舊知識(shí)交織、固有的思維方式與科學(xué)的思維方式相互混雜的背景之下容易產(chǎn)生各種偏離科學(xué)概念的“相異構(gòu)想”。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生“相異構(gòu)想”有兩種情況，一種是源于日常生活中的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)意間形成的錯(cuò)誤“前概念”；另一種是在接受科學(xué)教育過程中由于缺少科學(xué)活動(dòng)的情景，沒有形成足夠的感性認(rèn)識(shí)，這種情況多數(shù)出現(xiàn)在學(xué)習(xí)抽象的科學(xué)知識(shí)時(shí)。矯治這種現(xiàn)象是初中物理教師面臨的一個(gè)重要話題，我們可以從物理學(xué)史中獲得一些啟示。

以人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)為例。17世紀(jì)開普勒開啟了對(duì)光的本性研究，英國(guó)物理學(xué)家牛頓認(rèn)為光是由運(yùn)動(dòng)的微粒組成的，而荷蘭物理學(xué)家惠更斯則認(rèn)為光是一種波。這兩種代表性的學(xué)說是關(guān)于光本性的兩種截然不同的觀點(diǎn)，二者對(duì)光的認(rèn)識(shí)都符合機(jī)械論的解釋方式，也解釋了差不多同樣范圍內(nèi)的光學(xué)現(xiàn)象，但都不能解釋當(dāng)時(shí)所有與光有關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象，從此拉開了兩種學(xué)說的歷史大討論。1801年英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊成功地做出了雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，有力地支持了“波動(dòng)說”理論。1818年法國(guó)物理學(xué)家菲涅耳用半波帶法定量地計(jì)算了圓板障礙物產(chǎn)生的衍射花紋，并戲劇性地觀測(cè)到“泊松亮斑”，給了“微粒說”沉痛的一擊。1868年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并從理論上推導(dǎo)出電磁波的傳播速度就是光速，認(rèn)為光是一種電磁波，把原來相互獨(dú)立的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)結(jié)合起來。1888年，赫茲從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電磁波的存在。至此，“波動(dòng)說”在論戰(zhàn)中占據(jù)了全面優(yōu)勢(shì)地位。但1900年普朗克提出了能量子假設(shè)，愛因斯坦利用光量子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象，說明光有粒子性的一面。到了20世紀(jì)，科學(xué)界認(rèn)為光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，具有“波粒二象性”。

從上述對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)的歷程中可以看出，站在認(rèn)識(shí)前沿的科學(xué)家，對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)也有各自不同的“相異構(gòu)想”，他們提出自己的觀點(diǎn)都是從他擁有的認(rèn)識(shí)開始，利用獨(dú)特的思維方式建立模型，構(gòu)建自己的理論，而不是憑空捏造出一種理論。如果要推翻舊的觀點(diǎn)建立新的理論，必須要有強(qiáng)有力的事實(shí)。因而，我們從中得到啟示：要想矯治“相異構(gòu)想”，實(shí)驗(yàn)和科學(xué)的思維方式是兩把利器。

一、實(shí)驗(yàn)是矯治“相異構(gòu)想”的基礎(chǔ)

瑞士心理學(xué)家皮亞杰的發(fā)生認(rèn)識(shí)論指出：認(rèn)知沖突是人的原有圖式與新感受到的事件或客體之間的對(duì)立性矛盾。因此，要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生的“相異構(gòu)想”受到?jīng)_擊，動(dòng)搖錯(cuò)誤“前概念”，形成正確的認(rèn)識(shí)。

首先，直觀感覺是形成“相異構(gòu)想”的原因，消除直觀感覺造成的“相異構(gòu)想”，最好的辦法是還原事實(shí)的真相，并做出合理的解釋。

冬天碰到鐵時(shí)感覺冷，而在同種環(huán)境下碰到木頭時(shí)并不冷，于是形成了“同一環(huán)境下鐵比木頭的溫度低”的“相異構(gòu)想”。為此我設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：在環(huán)境溫度為5℃的情況下，將兩個(gè)測(cè)溫探頭緊貼樓梯扶手的木質(zhì)部分和鐵質(zhì)部分，然后一手握鐵管處探頭，另一手握木扶手處探頭。在計(jì)算機(jī)上描繪出兩個(gè)溫度隨時(shí)間變化的圖線（如圖1所示）。圖1中下面一條圖線顯示用手握鐵管時(shí)，測(cè)量出的溫度遲遲沒有達(dá)到人體的體溫，而上面一條圖線顯示用手握木扶手時(shí)，溫度很快達(dá)到人體的體溫。由此可知，上述“相異構(gòu)想”的形成原因是不同物質(zhì)熱傳遞的快慢造成的錯(cuò)誤感覺，事實(shí)上鐵管和木頭的初溫是相同的，并不存在溫度更低的狀況。

圖1

其次，在學(xué)習(xí)抽象概念時(shí)，學(xué)生往往因?yàn)橄热霝橹鞯南胂笮纬闪恕跋喈悩?gòu)想”，為深入教學(xué)帶來了極大的阻力。設(shè)計(jì)相似的實(shí)驗(yàn)可以幫助他們形成感性認(rèn)識(shí)，通過類比使得抽象概念得到同化。

例如，初學(xué)電學(xué)時(shí)，不少學(xué)生認(rèn)為“越靠近電源正極處的電流越大”。為了克服學(xué)生對(duì)電流的認(rèn)識(shí)上的“相異構(gòu)想”，我們先設(shè)計(jì)了一個(gè)水流的實(shí)驗(yàn)，選取三只相同的水表，用自來水管將三只水表串聯(lián)，水管一端接位置較高的水杯，打開閥門讓水通過三只相同的水表流入到較低位置的水杯中，如圖2-1所示。當(dāng)觀察到三只水表示數(shù)變化相同時(shí)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到在串聯(lián)的水管中水流量是相等的。

圖2-1

圖2-2

如圖2-2所示。將三只電阻串聯(lián)，再用三只相同規(guī)格的電流表分別串聯(lián)在電阻之間，電流表A1靠近電源的正極，電流表A3靠近電源負(fù)極，接通電源時(shí)，觀察到三只電流表中的讀數(shù)是相同的，從而引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到串聯(lián)電路中各處的電流強(qiáng)度相等的結(jié)論。

最后，“相異構(gòu)想”具有頑固性，為此，可設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將原有經(jīng)驗(yàn)和新信息進(jìn)行對(duì)比、分析、批判、選擇和重建，使得學(xué)生對(duì)相關(guān)信息經(jīng)修正、重組后再吸收，形成科學(xué)的認(rèn)識(shí)。

例如，在學(xué)習(xí)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)，學(xué)生依據(jù)零碎的日常生活經(jīng)驗(yàn)形成了“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”這個(gè)“相異構(gòu)想”。在教學(xué)中我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的系列實(shí)驗(yàn)。

如圖3-1所示，用彈簧秤拉木塊在水平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧秤上顯示有拉力，說明物體在水平拉力的作用之下運(yùn)動(dòng)起來（符合直觀認(rèn)識(shí)，學(xué)生有親和感）。

如圖3-2所示，將木塊放在水平的傳送帶上，事先將下面的傳送裝置遮擋起來，當(dāng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，用彈簧秤拉住木塊，彈簧秤上顯示有拉力，但物體在水平拉力作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)（學(xué)生會(huì)感到疑惑，有迷茫感）。

圖3-1

圖3-2

如圖3-3所示，將木塊從圓弧面上的某一高度由靜止釋放，木塊運(yùn)動(dòng)到水平面上時(shí)能滑行較遠(yuǎn)的距離才停止。如圖3-4所示，在圖3-3的水平面上鋪墊一層薄紗布，將木塊從圖3-3中的同一位置由靜止釋放，木塊在水平面上滑行距離比圖3-3中的距離要小得多而停止。對(duì)比這4個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生首先看到有力作用時(shí)物體才能運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象與他們的經(jīng)驗(yàn)相吻合。當(dāng)看到物體在水平拉力作用下處于靜止時(shí)便產(chǎn)生了困惑，會(huì)感到自己的經(jīng)驗(yàn)可能是錯(cuò)誤的。這激發(fā)了學(xué)生的探究欲望，促使學(xué)生初步形成“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”的認(rèn)知。通過物體以相同的初速度在不同水平面上運(yùn)動(dòng)距離的比較，得到“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”的結(jié)論。在上述認(rèn)知過程中，發(fā)生了同化順應(yīng)、認(rèn)知排斥、修正重組等思維活動(dòng)過程，有效矯治了“相異構(gòu)想”。學(xué)生能夠領(lǐng)悟到力是改變木塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。

圖3-3

圖3-4

學(xué)生的“相異構(gòu)想”具有自發(fā)性、多樣性、頑固性、隱蔽性、反復(fù)性的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中應(yīng)根據(jù)發(fā)現(xiàn)的“相異構(gòu)想”設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行矯治，這是初中物理教師在教學(xué)過程中應(yīng)思考和實(shí)踐的重要內(nèi)容。

二、科學(xué)的思維方式是矯治“相異構(gòu)想”的重要方法

美國(guó)心理學(xué)家波斯納的“觀念轉(zhuǎn)變”理論指出：對(duì)當(dāng)前的觀念不滿意是產(chǎn)生觀念轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。思維是對(duì)事物的間接反映，它通過其他媒介認(rèn)識(shí)客觀事物，借助于已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，已知的條件推測(cè)未知的事物?？茖W(xué)的思維方式有分析與綜合、比較與分類、抽象和概括等幾個(gè)方面?；趯W(xué)生的“相異構(gòu)想”，順應(yīng)他們的思維過程進(jìn)一步深入下去，直指他們的錯(cuò)誤認(rèn)知，可有效地矯治他們的“相異構(gòu)想”。在教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)比、直覺和邏輯三種思維方式對(duì)矯治“相異構(gòu)想”較為有效。

對(duì)比思維是對(duì)幾種相同或是不同事物的某些方面進(jìn)行比對(duì)，尋找事物的異同及其本質(zhì)與特性。在教學(xué)中可以設(shè)計(jì)一個(gè)易錯(cuò)的情境，讓學(xué)生暴露出“相異構(gòu)想”，再通過這樣的思維方式進(jìn)行對(duì)比糾正，矯治“相異構(gòu)想”。例如，在教授“霜的形成”時(shí)，學(xué)生從“下霜”兩字認(rèn)為霜是從天空中降落的，教師可以對(duì)比“下雨”“下雪”，分析霜的形成過程，進(jìn)而矯治這一“相異構(gòu)想”。

直覺思維是一種一次性猛然接觸事物本質(zhì)的思維，它需要在得出結(jié)論后再去論證自己的觀念。這種思維需要平時(shí)有對(duì)事物本質(zhì)認(rèn)識(shí)的積累。直覺思維由“顯意識(shí)→潛意識(shí)→顯意識(shí)”構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)整體結(jié)構(gòu)，有整體性和躍遷性的特點(diǎn)，使用這種思維方式能使學(xué)生的“相異構(gòu)想”受到強(qiáng)烈的沖擊。例如在教授“慣性”時(shí)，學(xué)生總認(rèn)為力越大物體慣性越大。教師可以做演示實(shí)驗(yàn)，將杯子放在紙條上，慢慢拉動(dòng)（用力?。r(shí)杯子隨紙條一起前進(jìn)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)到桌子邊緣時(shí)，猛地抽出（用力大）紙條而杯子沒有隨紙條掉落。通過這驚奇的一幕，有效地矯治了學(xué)生的“相異構(gòu)想”。

邏輯思維，是從已有的概念出發(fā)推導(dǎo)出結(jié)果的過程。因?yàn)橐延械母拍钪写嬖凇跋喈悩?gòu)想”，所以經(jīng)過推理后得到相互矛盾的結(jié)果，為了解決這個(gè)矛盾，學(xué)生不得不回頭思考問題出在哪里，最終矯治“相異構(gòu)想”。例如學(xué)生在學(xué)習(xí)物體的浮沉條件時(shí)，由于生活經(jīng)驗(yàn)形成了“重沉輕浮”的“相異構(gòu)想”?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生做如下思考：既然重的物體在水中下沉，輕的物體在水中上浮，如果用細(xì)繩將重物和輕物綁在一起它們更重了，再放入水中兩個(gè)物體一定是下沉的，但事實(shí)往往并非如此。通過這樣的邏輯推理，有效地矯治了這一“相異構(gòu)想”。

矯治學(xué)生的“相異構(gòu)想”是初中物理教學(xué)中的重要任務(wù)，有經(jīng)驗(yàn)的教師有意無(wú)意地在做這項(xiàng)工作。矯治“相異構(gòu)想”的策略不僅僅是回顧物理學(xué)史、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和利用科學(xué)思維，還可以在教學(xué)過程中創(chuàng)設(shè)學(xué)生以前所未經(jīng)歷的情境來引發(fā)認(rèn)知沖突；對(duì)某些頑固性的“相異構(gòu)想”，可以多種手段并用，以強(qiáng)化認(rèn)知沖突；對(duì)因字詞生意的“相異構(gòu)想”，要解剖其字詞的多種意思及形成概念的原因，把握概念實(shí)質(zhì)。

［1］夏海寧.前概念對(duì)物理概念學(xué)習(xí)的影響及其轉(zhuǎn)化策略的研究［D］.沈陽(yáng)：遼寧師范大學(xué)，2011.

［2］馮一冰，熊寶庫(kù).前概念對(duì)物理概念教學(xué)的影響及教學(xué)策略［J］.物理通報(bào)，2004（02）.

［3］李高峰，劉恩山.前科學(xué)概念的研究進(jìn)展［J］.呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（04）.

G633.7

A

1005-6009（2017）43-0018-03

1.周洪池，江蘇省建湖縣教育局教研室（江蘇建湖，224700）物理教研員，正高級(jí)教師，鹽城市學(xué)科帶頭人，全國(guó)模范教師；2.唐登研，江蘇省建湖縣城南實(shí)驗(yàn)初中（江蘇建湖，224700）教師，高級(jí)教師，鹽城市教學(xué)能手。