對初中生壓強(qiáng)前概念的調(diào)查及其轉(zhuǎn)化

一、問題的提出

心理學(xué)家奧蘇貝爾認(rèn)為，“影響學(xué)習(xí)的最重要的因素是學(xué)生已知的內(nèi)容”。學(xué)生在學(xué)習(xí)某個物理概念之前，面對感興趣的物理現(xiàn)象，不自覺地會根據(jù)已有的生活經(jīng)驗形成個人的認(rèn)識和理解，這就是所謂的“前概念”。對于學(xué)生而言，這些前概念能“有效地”解釋生活中的一些現(xiàn)象，因此具有一定廣泛性、隱蔽性和頑固性。錯誤的前概念會對學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念產(chǎn)生不利的影響。如何引導(dǎo)學(xué)生擺脫前概念的影響、建立科學(xué)概念是物理教師需要面對的一個重要課題。

壓強(qiáng)是初中力學(xué)的核心概念之一。一方面，壓強(qiáng)與生產(chǎn)、生活緊密聯(lián)系；另一方面，壓強(qiáng)拓展和深化了力的概念，是學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)的基礎(chǔ)。新課標(biāo)對壓強(qiáng)的要求較高，屬于“理解”層次。教學(xué)實踐中，學(xué)生普遍反映這一部分內(nèi)容較難學(xué)，除去壓強(qiáng)概念本身具有一定的抽象性和相關(guān)習(xí)題的綜合性之外，錯誤前概念的影響也不容忽視。基于上述認(rèn)識，筆者開展了初中生壓強(qiáng)前概念的調(diào)查與研究。

二、研究過程與結(jié)論

為了使調(diào)查結(jié)果具有一定的信度與效度，本次研究采用了問卷法和訪談法。隨機(jī)選取山東省聊城市某私立中學(xué)初一的兩個教學(xué)班 （完全沒學(xué)過物理）和初二的三個教學(xué)班 （尚未學(xué)習(xí)壓力、壓強(qiáng)的概念）共236名學(xué)生作為被試。采用問卷星設(shè)計調(diào)查問卷，將問卷發(fā)布在校園網(wǎng)上，安排學(xué)生在課余時間進(jìn)行答卷。問卷采用不記名、不限制答卷時間的方式，以便學(xué)生真實地表達(dá)自己的想法。最后利用問卷星后臺提供的SPSS11.0統(tǒng)計軟件對問卷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.壓強(qiáng)對于大部分學(xué)生來說是一個陌生的概念。調(diào)查結(jié)果顯示，有50.1%的學(xué)生表示“日常生活中，沒有聽說過壓強(qiáng)概念”；20.6%的學(xué)生認(rèn)為“壓強(qiáng)是壓力不科學(xué)的說法”；75%的學(xué)生認(rèn)為“書包帶做的扁而寬能夠減小書包對人體的壓力”……這充分說明，學(xué)生無法分清壓力與壓強(qiáng)，甚至把兩者等同起來。

2.學(xué)生對壓力的認(rèn)識模糊且具有片面性。55.84%的學(xué)生認(rèn)為“下圖1中能正確表示支撐面所受壓力的是A”，22%學(xué)生認(rèn)為是B；還有41.2%的學(xué)生認(rèn)為“物體越重，對接觸面壓力越大”；37.6%的學(xué)生認(rèn)為“壓力的方向總是豎直向下的”；22.1%的學(xué)生認(rèn)為“壓力作用效果只與壓力大小有關(guān)”……

圖1 壓力識別

3.學(xué)生已初步意識到“壓力作用的效果與受力面積的大小有關(guān)”。面對“一位同學(xué)在結(jié)冰的湖面上行走時，突然發(fā)現(xiàn)腳下的冰即將破裂，他應(yīng)采取的措施是什么”的問題時，63%的學(xué)生能做正確的判斷；24.8%的學(xué)生認(rèn)為“一人先站在地面上，后抬起一只腳，則他對地面的壓強(qiáng)會增大”……

三、關(guān)于壓強(qiáng)教學(xué)的幾點建議

前概念是學(xué)生用來解釋客觀世界的獨(dú)特經(jīng)驗，它的形成與學(xué)生對未知事物的自主探究活動有關(guān)。現(xiàn)有研究表明：科學(xué)概念不會自動取代學(xué)生的前概念，只有經(jīng)過學(xué)生的自主建構(gòu)才能使他們對前概念產(chǎn)生不滿，進(jìn)而接受并理解科學(xué)概念。概念轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是創(chuàng)設(shè)真實的問題情景，使前概念在新的問題面前失去作用，引發(fā)學(xué)生的思維沖突，促使學(xué)生放棄錯誤的前概念。

1.改變壓力概念的引入方式，淡化重力對壓力的干擾。一般情況下教師是這樣引入壓力概念的：展示如圖2的三幅圖片。

圖2 引入壓力概念的三幅圖

教師要求學(xué)生畫出運(yùn)動員對平衡木的作用力、釘子對墻壁的作用力和物體A對斜面的作用力。然后提出問題：這些力有什么共同特征?學(xué)生分析歸納出這些力都跟物體表面垂直，從而得出壓力的概念。教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)：學(xué)生往往把第三幅圖中的壓力畫成物體A的重力，為了使教學(xué)進(jìn)行下去，只好由教師代勞畫出。表面上學(xué)生接受了壓力的概念，但隔幾天之后不少學(xué)生又會犯同樣的錯誤。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，第一幅圖中壓力是由重力產(chǎn)生的，方向也與重力的方向相同，根深蒂固的前概念并沒受到挑戰(zhàn)，學(xué)生并沒有真正接受壓力的概念。

為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，可采用以下方法引入壓力：將塑料桶豎放在水平桌面上，教師用手指擠壓塑料桶的側(cè)壁，提醒學(xué)生觀察手指壓力的方向有什么特點。然后展示上圖中砸釘子的實例，引導(dǎo)學(xué)生分析錘子水平敲擊釘子時，錘子對釘子的力和釘子對墻壁的力是否也具備這種特點，從而歸納出壓力的定義。用這種方式引入壓力的概念，可以有效擺脫重力對壓力的干擾，避免造成學(xué)生認(rèn)知上的混亂。

2.采用對比法，使學(xué)生徹底區(qū)分壓力和重力。在引入壓力的概念之后，進(jìn)一步提出問題：放在水平面上的物體對水平面有壓力嗎?接下來演示如下實驗：將長方體海綿塊平放在桌面上，在其上方放置一塊紅磚，提醒學(xué)生觀察海綿的形變。組織學(xué)生討論：使海綿發(fā)生形變的力的方向與海綿的表面有什么關(guān)系?它屬于壓力嗎?這個力的施力物體和受力物體分別是誰?這個力與紅磚受到的重力是同一個力嗎?討論過程中，學(xué)生的各種思維相互交流與碰撞，逐步建立壓力概念。討論的結(jié)果如表1：

表1 重力與壓力對比表 （以紅磚對海綿的壓力為例）

3.引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)壓強(qiáng)的概念，彰顯壓強(qiáng)的物理意義。實驗“探究壓力作用的效果與哪些因素有關(guān)”是建構(gòu)壓強(qiáng)概念的關(guān)鍵。通過探究活動，學(xué)生不難得出兩條結(jié)論：“壓力的作用效果不僅跟壓力的大小有關(guān)系，還跟受力面積的大小有關(guān)系”。若在此基礎(chǔ)上直接指出：“壓力作用的效果用壓強(qiáng)表示”，這種處理方式有些粗糙，沒有從根本上觸及學(xué)生的前概念，缺少思維加工過程，學(xué)生也難以接受新概念。

根據(jù)概念轉(zhuǎn)化理論，只有使學(xué)生意識到他們認(rèn)識的“壓力” （即關(guān)于壓強(qiáng)的前概念）不能解決某些新問題時，他們才有可能接受壓強(qiáng)的概念。在學(xué)生得出上述兩條結(jié)論的基礎(chǔ)上，可以創(chuàng)設(shè)如下的問題情境：出示質(zhì)量和底面積均不相同的金屬塊甲、乙，其中甲的質(zhì)量是1kg、底面積5cm2，乙的質(zhì)量是2.5kg、底面積25cm2。將兩者并排放在同一塊海綿上，提醒學(xué)生觀察海綿的凹陷程度。然后提出問題：兩個金屬塊對海綿的壓力F甲、F乙哪個大?哪一個壓力作用的效果更明顯?如果用壓力的大小來表示壓力作用的效果合理嗎?該怎樣比較才合理?教師可適當(dāng)引導(dǎo)：我們是怎樣比較物體運(yùn)動快慢的?給學(xué)生的思維提供一個“支架”，學(xué)生很快就會發(fā)現(xiàn)F與S的比值越大，壓力作用的效果越明顯，可以用這個比值來表示壓力作用的效果。教師順勢指出，科學(xué)家也是采用這個比值來表示壓力作用的效果，并把它定義為壓強(qiáng)。經(jīng)過思維加工，壓強(qiáng)這個概念便在學(xué)生頭腦中生根了。

因此，教師應(yīng)充分了解學(xué)生的前概念，努力創(chuàng)設(shè)一個學(xué)生感興趣的教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)概念，克服前概念的不利影響，以提高物理教學(xué)的有效性。