高中學生物理前概念中相異構(gòu)想的成因及矯治策略

周洪池 管光華

(1. 江蘇省建湖高級中學，江蘇 建湖 224700； 2. 江蘇省上岡高級中學，江蘇 建湖 224731)

高中學生物理前概念中相異構(gòu)想的成因及矯治策略

周洪池1管光華2

(1. 江蘇省建湖高級中學，江蘇 建湖 224700； 2. 江蘇省上岡高級中學，江蘇 建湖 224731)

因錯誤前概念而形成的相異構(gòu)想使不少高中學生感到物理難學,分析錯誤前概念形成的原因,了解相異構(gòu)想的性狀,利用邏輯推理、分析比較、實驗體會、規(guī)范表達等策略,讓學生經(jīng)歷認知順應(yīng)同化過程,可有效矯治因前概念形成的相異構(gòu)想．

前概念；相異構(gòu)想；成因；策略

1 引言

概念是人類在認識自然的過程中,從感性上升到理性，把所感知的事物的共同本質(zhì)特點抽象出來,加以概括,形成思維體系中的基本構(gòu)筑單位．認知過程中由于某種原因的積淀形成了一些是非不定的前概念．初中學生錯誤前概念形成的主要原因是生活經(jīng)驗,而高中學生除來源于生活經(jīng)驗外,還有來源于初中學習時留下的隱性錯誤前概念,經(jīng)歷了次生過程．因此高中生錯誤前概念具有多樣、復(fù)雜和頑固的特點,引發(fā)形成不同形式的相異構(gòu)想．

建構(gòu)主義認識論認為,學習過程不是簡單地輸入和儲存信息的過程,而是主動地將原有經(jīng)驗和新信息進行對比、分析、批判、選擇和重建的過程．建構(gòu)的過程是同化和順應(yīng),當新知識與原有知識結(jié)構(gòu)和思維方式相符時就被同化,否則就會被排斥,當然也可能經(jīng)修正、重組后再吸收．由皮亞杰的認知發(fā)展理論可知,同化是引起認知結(jié)構(gòu)量的變化,而順應(yīng)是引起認知結(jié)構(gòu)質(zhì)的變化,順應(yīng)的難度遠大于同化．高中學生雖然具備了一定的批判精神和科學的邏輯推理能力,但由于自我控制意識能力存在差異,固有思維方式根深蒂固,在建構(gòu)過程中難以超越原有構(gòu)想．

多數(shù)教師將高中學生的錯誤前概念理解成學生個體能力存在差異,沒有及時采取矯治措施,日積月累使得一大批高中學生物理成績不能提高．因此研究和矯治因錯誤前概念而產(chǎn)生的相異構(gòu)想是高中物理教師面臨的一個極有價值的問題．

2 高中生錯誤前概念造成相異構(gòu)想的原因分析

2.1 直覺印象根深蒂固

我們每天都看到太陽從東方升起西方落下,不可能從直觀認識到地球繞著太陽轉(zhuǎn)．不經(jīng)過“月亮繞著地球轉(zhuǎn),地球繞著太陽轉(zhuǎn)”的強力灌輸,很難自覺認為地球是繞著太陽轉(zhuǎn)的?因此,地心說在人們的頭腦中是根深蒂固的．在一次高中物理教師基本功競賽中,筆者讓選手回答同步衛(wèi)星的周期是否為24h,選手非?？隙ǖ鼗卮稹笆恰?其實他的回答也是停留在地心說基礎(chǔ)之上的,沒有注意到太陽日與地球日的區(qū)別．由此可見高中物理教師潛意識的“地心說”錯誤前概念也較為根深蒂固．

2.2 初中形成隱性錯誤前概念的延伸

初中學習電學時,部分學生會形成“電流流過電阻時會被消耗”的相異構(gòu)想,進入高中要求計算串聯(lián)電路通過各電阻的電荷量時,這些學生就產(chǎn)生了“電荷量按電阻分配”的相異構(gòu)想．又如,初中有部分學生形成了“滑動變阻器中電流方向與滑片移動方向有關(guān)”的相異構(gòu)想,到高中后不會分析電流的方向了．

2.3 初、高中認知銜接不當引發(fā)相異構(gòu)想

初中生根據(jù)二力平衡的知識,形成了豎直向上的拉力等于吊起重物的重力的初步構(gòu)想．到高中探究物體加速度與力、質(zhì)量關(guān)系時,教材中設(shè)計了用重物拉動小車的實驗,事先平衡了摩擦力,并控制小車的質(zhì)量遠大于重物的質(zhì)量,即可認為小車受到的合外力近似等于重物的重力．學生在初中形成的構(gòu)想更深刻了,即使后面再學習超重和失重,這種構(gòu)想也很難糾正．

2.4 因字生意形成錯誤前概念

運動學中加速度的概念比較難理解,它是速度隨時間的變化率．從“加速度”的字面理解這個概念更加困難,多數(shù)剛上高中的學生總錯誤地將加速度理解成增加的速度,原因就是這個概念名稱中的一個“加”字刺激著他們,形成了深刻的錯誤前概念．

2.5 解題不嚴密形成相異構(gòu)想

教師為了節(jié)省時間,在板演時總會跳過原始公式直接寫出推論．這種一步到位的寫法使學生養(yǎng)成不按“理”列式的壞習慣．解題過程中大量使用“二級結(jié)論”使學生產(chǎn)生依賴思想,認為只要記住結(jié)論就能解題了．事實上解題過程應(yīng)該是根據(jù)題目的意思,依據(jù)概念、定理、定律逐步求出結(jié)果的過程．

2.6 主觀臆斷形成相異構(gòu)想

物體A疊放在B上,B放在水平面上,當用外力拉A時,學生總認為只要拉力大于A、B間的最大靜摩擦力，兩個物體就會發(fā)生相對滑動,而不考慮下面B物體的運動情況．判斷運動員勻速爬桿時,學生認為勻速上爬時運動員受摩擦力向下,勻速下滑時運動員受摩擦力向上,主觀臆斷的憑據(jù)是摩擦力的方向與運動員的運動方向相反．

2.7 認知層次達不到要求形成相異構(gòu)想

中學階段學生對力的概念理解呈螺旋上升的趨勢．初學時認為力就是“推、拉、提、壓”;后來又知道力可使物體發(fā)生形變;是改變物體運動狀態(tài)，產(chǎn)生加速度的原因;還存在場力、分子力和核力，最終歸納出4種相互作用.而理論物理定義為力是物體動量的變化率．力的概念比較抽象,經(jīng)過具體到抽象再概括的過程,在這個過程中學生會產(chǎn)生各自的相異構(gòu)想,形成階段性的錯誤前概念．

在建構(gòu)概念的過程中,無意間在大腦中丟下一粒錯誤的種子,在條件適當?shù)那闆r下就會生根發(fā)芽,形成形式各異、是非不定的前概念．物理學史中的大量事實證明,人類認知自然經(jīng)歷的過程也是這樣,錯誤認知在不斷地接受新事實的批判,然后再重新建立新的概念和構(gòu)想．

3 矯治錯誤前概念中相異構(gòu)想的策略

3.1 發(fā)現(xiàn)錯誤前概念是矯治的前提

矯治錯誤前概念的前提是要讓學生明白自己的認知是錯誤的．“滑動變阻器中電流方向與滑片移動方向有關(guān)”的相異構(gòu)想是極少數(shù)的現(xiàn)象,我們只要追問一下“為什么”或許就可以解決．由于學生錯誤前概念暴露的機會比較少,因此發(fā)現(xiàn)得越及時越好．開展小組合作學習,組內(nèi)同伴相互交流時可以使隱蔽的錯誤前概念顯露出來,學生發(fā)現(xiàn)自己的認知與別人不同時就會產(chǎn)生認知沖突,引發(fā)思考后經(jīng)過順應(yīng)過程形成正確的認知．因此,小組合作學習方式矯治學生相異構(gòu)想的效果比較好．

3.2 調(diào)整教學順序抑制相異構(gòu)想

學習牛頓第二定律時,首先要求探究物體加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系．為了簡便,教材用重物對繩子的拉力來代替小車受到的合外力,如圖1所示．于是學生產(chǎn)生了豎直方向懸掛重物時繩子拉力等于重物重力的相異構(gòu)想,根本不去理會小車的質(zhì)量遠大于重物質(zhì)量的實驗條件．實際教學過程中我們先對實驗裝置進行了調(diào)整,在小車左端加接一只力傳感器顯示力的大小,當平衡摩擦力后,學生很容易接受力傳感器上顯示的就是小車受到的合外力．學習超失重和連接體問題后,再回頭梳理教材提供的實驗方案,并推導(dǎo)只要小車的質(zhì)量遠大于重物的質(zhì)量時,重物的重力就可以近似替代小車的合外力．通過調(diào)整教學順序,淡化錯誤構(gòu)想,使學生認知清晰．

圖1

3.3 利用邏輯的力量沖擊錯誤前概念形成新認知

圖2

從錯誤的概念或構(gòu)想出發(fā),推導(dǎo)出相互矛盾的結(jié)果,可矯治因錯誤前概念而產(chǎn)生的相異構(gòu)想．伽利略利用邏輯的力量,有效地矯治了重物越重下落越快的錯誤認識．在學習靜電感應(yīng)時,不少學生認為哪里有電荷,接地時此處電荷就會流入大地．如圖2所示,枕形絕緣導(dǎo)體AB靠近帶正電的小球C,A端感應(yīng)正電荷,B端感應(yīng)負電荷．用手觸摸枕形導(dǎo)體B端時,有學生認為B端的負電荷通過人體流入大地,使枕形導(dǎo)體帶正電．枕形導(dǎo)體處在C的電場中,表面是等勢面,感應(yīng)電荷的電勢能為0,當用手觸摸B端時,有電流流過人體,消耗了電勢能,觸摸后枕形導(dǎo)體帶上了正電荷,與C構(gòu)成的系統(tǒng)電勢能大于0．能量增加了,莫非是永動機?通過邏輯推理讓他們感到認知錯誤,然后進行正面的講解,錯誤前概念得到良好的矯治．

3.4 同化和順應(yīng)過程矯治相異構(gòu)想方法比較

圖3

如圖3所示,物體A放在B上,B放在光滑的水平面上,要用多大的拉力兩物體就會發(fā)生相對滑動?

對上面的問題,設(shè)計兩種方案,對“只要水平拉力大于A、B間最大靜摩擦力,A、B就會發(fā)生相對運動”的相異構(gòu)想進行矯治．

3.4.1 重復(fù)運算,以同化過程矯治相異構(gòu)想

設(shè)mA=6kg,mB=2kg,A、B間動摩擦因數(shù)μ=0.2,g=10m/s2．水平向右拉A物體的力為多大時A、B兩物體發(fā)生相對滑動?

假設(shè)兩物體間的最大靜摩擦力足夠大,作用在A物體上的水平拉力取不同值時,求出兩物體間的靜摩擦力Ff,如表1.

表1

A、B間能產(chǎn)生的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力Ffm=μFN=μmAg=12N．從表格中可以看出只有當作用在A物體上的水平拉力達到48N時,A、B間的摩擦力才達到最大靜摩擦力．當作用于A上的水平拉力為12N時,A、B間的摩擦力才為3N,這個靜摩擦力比A、B間的最大靜摩擦力小,所以A、B不會發(fā)生相對滑動．

經(jīng)過重復(fù)多次的類似計算,認知逐漸在同化過程中構(gòu)建,相異構(gòu)想得到矯治．

3.4.2 實驗體會,以順應(yīng)過程矯治相異構(gòu)想

實驗器材是兩本厚薄相差較大的書,將兩本書疊放在比較光滑的桌面上,用水平力拉其中的一本書,要求將兩本書拉分離，實驗結(jié)果如表2.

表2

實驗結(jié)果表明,薄書在上厚書在下時拉薄書非常容易使兩書分離;厚書在上薄書在下時拉厚書,下面的薄書隨上面的厚書運動非常明顯,要使兩本書發(fā)生相對運動則非常難．通過實驗體會和對實驗現(xiàn)象的分析,多數(shù)學生能發(fā)現(xiàn)自己的構(gòu)想存在問題．實驗是對錯誤認知順應(yīng)過程的基礎(chǔ),是矯治相異構(gòu)想的有力武器．

3.5 養(yǎng)成“摳理”和規(guī)范表達矯治相異構(gòu)想

對字意理解時要對字意作出合理的解釋,加速度中的“加”、楞次定律中的“阻礙”、過程量的“增量”與“變化量”、功和能中“能”等字詞的意義,可通過討論、查字典的形式辨別．在物理學科中相同的字眼表達的意義也不相同,濕度和相對濕度的區(qū)別,就不能類比于高度和相對高度來理解了．結(jié)合能、比結(jié)合能相差在“比”上,意為“平均”而不是比值．對一些定理,教師甚至要把主謂賓、定狀補成分“摳”出來細分析．在學生看來物理教師的“摳”是沒有必要的,但教師不“摳”,學生就會形成零碎而復(fù)雜的錯誤認知．“摳”可以將道理講得更明確,減少相異構(gòu)想．

計算物體在水平面上運動受到滑動摩擦力時,總是一步到位地將表達式寫成Ff=μmg,學生會將物體在斜面上運動時滑動摩擦力表達式也寫成Ff=μmg,隨意簡化導(dǎo)致了相異構(gòu)想的產(chǎn)生．所以在摩擦定律教學時,要求學生先寫Ff=μFN,再將FN的表達式寫出來,最后求解滑動摩擦力．學生對教師的這種要求往往不屑一顧,但教師仍要堅持規(guī)范表達以達到防微杜漸目的．

生活和學習中無意間會在頭腦中留下錯誤的種子而產(chǎn)生相異構(gòu)想．如果在留下錯誤種子之前先將它轉(zhuǎn)變成正確的種子,錯誤就不會發(fā)芽;發(fā)現(xiàn)錯誤種子發(fā)芽時及時清除,雜草就不會長大;雜草根深蒂固時斬草除根,正確的禾苗照樣茁壯成長．矯治學生因錯誤的前概念而形成的相異構(gòu)想,要讓學生錯誤前概念顯現(xiàn)出來,再利用邏輯推理、分析比較、實驗體會、規(guī)范表達等策略進行綜合矯治．高中物理教學中矯治前概念中相異構(gòu)想是一個長期的、反復(fù)的、螺旋上升的過程．

1 夏海寧.前概念對物理概念學習的影響及其轉(zhuǎn)化策略的研究[D].大連：遼寧師范大學,2011.

2 馮一冰，熊寶庫.前概念對物理概念教學的影響及教學策略[J].物理通報,2004(2)：3-6.

3 李高峰，劉恩山.前科學概念的研究進展[J].內(nèi)蒙古師范大學學報，2007(4)：62-67.

2017-04-25)