牛頓力學(xué)前概念調(diào)查及其思維過程研究

柯莎　宋師霞　白明俠

摘??要：通過力學(xué)概念測(cè)試卷（FCI）的測(cè)試數(shù)據(jù)來分析并研究銀川能源學(xué)院的學(xué)生在牛頓力學(xué)前概念思維過程中的具體表現(xiàn)形式。研究結(jié)果表明，牛頓力學(xué)前概念普遍地存在于我校學(xué)生的認(rèn)知中，其主要原因可能是思維定勢(shì)及日常生活中的經(jīng)驗(yàn)和表象所致。

關(guān)鍵詞：牛頓力學(xué);前概念;物理思維

前科學(xué)概念（簡(jiǎn)稱前概念）[1]是學(xué)習(xí)者在接受正式學(xué)習(xí)某個(gè)科學(xué)概念之前，在現(xiàn)實(shí)生活中通過長期的經(jīng)驗(yàn)積累起來的缺乏概括性和科學(xué)性的經(jīng)驗(yàn)，或與科學(xué)知識(shí)相悖的觀念和理解。建構(gòu)主義[2]認(rèn)為科學(xué)概念的學(xué)習(xí)建立在前概念基礎(chǔ)之上。從認(rèn)知心理學(xué)[3]的角度來說，學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念的過程中，是科學(xué)認(rèn)知與前認(rèn)知的沖突過程，學(xué)生沒有完成前概念到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)化，是因?yàn)閷W(xué)生缺乏將前概念轉(zhuǎn)變成科學(xué)概念的物理思維，由此，想要轉(zhuǎn)變學(xué)生牛頓力學(xué)的前概念，就應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生在牛頓力學(xué)方面的物理思維。幫助學(xué)生從“新手”到“專家”轉(zhuǎn)換，形成網(wǎng)絡(luò)似的知識(shí)體系。本文通過牛頓力學(xué)概念測(cè)試題來了解并研究我校本科學(xué)生在牛頓力學(xué)前概念中的思維過程，其主要目的是為正確的物理思維的建立提供基礎(chǔ)性研究資料。

1?研究對(duì)象及方法

1.1?研究對(duì)象

隨機(jī)選取銀川能源學(xué)院不同專業(yè)的本科學(xué)生作為調(diào)查研究對(duì)象，其中發(fā)放調(diào)查問卷330份，收回調(diào)查問卷311份，有效問卷311份，隨機(jī)分析100份測(cè)試樣本。

1.2測(cè)試工具及研究方法

本研究的調(diào)查工具選取的是美國應(yīng)用非常廣泛的“力的概念調(diào)查表”（Force?Concept?Inventory，簡(jiǎn)稱FCI），它是由赫斯特尼斯（David?Hestenes）、威爾斯（Malcolm?Wells）和斯維克海姆（Gregg?Swackhamer）編寫，首次出版1992年3月的《物理教師》（physics?teacher）[4]，并經(jīng)海倫（Ibrahim?Halloun）、?？薘ichard?Hake））和莫斯卡（Eugene?Mosca）多次修訂后1995年8月再版[5]。本測(cè)試題由30個(gè)選擇題題組成，每個(gè)題目都有A、B、C、D、E共5個(gè)選項(xiàng)，學(xué)生根據(jù)自己的理解選出正確的選項(xiàng)并說明理由。通過問卷調(diào)查、觀察、談話等方式了解學(xué)生在牛頓力學(xué)前概念中所具有的錯(cuò)誤思維的具體表現(xiàn)，為正確的物理思維的建立提供基礎(chǔ)性的研究資料，并試圖在以后教學(xué)中有目的的糾正學(xué)生之前的思維過程，力圖幫助學(xué)生建立正確的物理思維，實(shí)現(xiàn)前概念到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)化，提升學(xué)習(xí)效果。

2?數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及結(jié)果分析

2.1?數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本研究采用Excel對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)時(shí)隨機(jī)選取100份測(cè)試卷，并對(duì)30個(gè)測(cè)試題進(jìn)行逐一統(tǒng)計(jì)，其各題目的平均正確率統(tǒng)計(jì)情況如表1所示：

2.2?結(jié)果分析

根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們對(duì)各題目的平均正確率做如下歸類，其具體分布情況如表2所示。

從表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果不難看出，平均正確率低于60%的共有16個(gè)題目，已超過半數(shù)，甚至第23題和26題的平均正確率低于了30%。，學(xué)生的平均成績分布情況很不理想。雖然在中學(xué)階段學(xué)生已經(jīng)接受過物理課程的學(xué)習(xí)，但是大部分學(xué)生對(duì)基本力學(xué)概念掌握的并不是很好，甚至還有一些錯(cuò)誤的前概念仍然根深蒂固地存在于我校大部分學(xué)生的腦海中，這不僅使大學(xué)物理課程的教學(xué)有一定難度，而且也會(huì)間接地影響到理工科類學(xué)生后繼相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐。

3?典型易錯(cuò)題分析

為了深入研究被試對(duì)象在牛頓力學(xué)方面所具有的錯(cuò)誤思維過程的具體表現(xiàn)形式，我們現(xiàn)對(duì)部分典型易錯(cuò)題進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，以了解被試對(duì)象在牛頓力學(xué)前概念思維過程中的具體表現(xiàn)形式，并在以后教學(xué)的中注意這些前概念的存在，不斷培養(yǎng)學(xué)生的物理思維，有目標(biāo)的轉(zhuǎn)變學(xué)生的前概念，使其形成科學(xué)概念。

（1）試題23分析

原題：設(shè)有一火箭在外太空從a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)。如圖所示。在外太空，火箭不受外力作用。設(shè)在b點(diǎn)火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，產(chǎn)生一個(gè)恒定的推力（對(duì)火箭的推動(dòng)力），其方向是與ab連線方向成直角。假設(shè)這推動(dòng)力維持火箭運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)。

設(shè)火箭運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，推動(dòng)力立刻變成零。試問下面選項(xiàng)中那一條軌跡描述了火箭離開c點(diǎn)以后的運(yùn)動(dòng)？

本題的平均正確率為23%，其中11%的學(xué)生選擇了A選項(xiàng)，32%的學(xué)生選擇了C選項(xiàng)，21%的學(xué)生選擇了D選項(xiàng)，13%的學(xué)生選擇了E選項(xiàng)。本題考察學(xué)生對(duì)牛頓第一定律和拋體運(yùn)動(dòng)等相關(guān)知識(shí)的理解及掌握情況，選C選項(xiàng)的學(xué)生在21題基礎(chǔ)上認(rèn)為物體沿力的方向運(yùn)動(dòng)，這部分學(xué)生沒有真正理解慣性的概念和平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)。

（2）試題26分析

原題：設(shè)有一人作用在一個(gè)大箱子上一個(gè)恒定的力。結(jié)果大箱子以恒定的速率v0沿水平方向移動(dòng)了。若人作用在箱子上的作用力增大到原來的兩倍，方向仍是原來的水平方向，則：

A）箱子將以上題中箱子原來的速度v0的兩倍這樣的恒定速度運(yùn)動(dòng);

B）箱子將以恒定速度v運(yùn)動(dòng)，2v0>v>v0;

C）箱子先以恒定速度v運(yùn)動(dòng)，v>v0，然后箱子的速度不斷增大;

D）箱子的速度先不斷增大，然后箱子以恒定速度v運(yùn)動(dòng);

E）箱子的速度將不斷增大。

本題的平均正確率為30%，其中5%的學(xué)生選擇了A選項(xiàng)，21%的學(xué)生選擇了B選項(xiàng)，9%的學(xué)生選擇了C選項(xiàng)，35%的學(xué)生選擇了D選項(xiàng)。本題考查學(xué)生對(duì)牛頓第二定律的理解及掌握情況，選D選項(xiàng)的學(xué)生簡(jiǎn)單地認(rèn)為速度和力成正比，物體受力后速度會(huì)瞬間增大到最大值，然后以此速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，持有這種前概念的學(xué)生不能正確理解牛頓第二定律的內(nèi)涵，對(duì)該定律缺乏理性認(rèn)識(shí)，以生活中表象為依據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單判斷。

（3）試題11分析

原題：如圖所示。設(shè)有一冰球以勻速v0沿直線運(yùn)動(dòng)在光滑無摩擦的水平平面上從a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)。忽略空氣阻力。上圖為俯視圖。當(dāng)冰球運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)時(shí)受到圖示中黑箭頭方向的快速一擊。這一擊的作用會(huì)使一個(gè)同樣的靜止的冰球獲得該方向的速度vk。如果冰球受到一擊之后沿著你在第8題所選擇的無摩擦軌跡運(yùn)動(dòng)，則冰球在受到這一擊之后所受到的作用力是：

A）向下的重力;

B）向下的重力和運(yùn)動(dòng)方向的水平分力;

C）向下的重力，水平面向上的支承力和運(yùn)動(dòng)方向的水平分力;

D）向下的重力，水平面向上的支承力;

E）沒有力作用在冰球上。

本題的平均正確率為35%，其中6%的學(xué)生選擇了A選項(xiàng)，13%的學(xué)生選擇了B選項(xiàng)，42%的學(xué)生選擇了C選項(xiàng)，4%的學(xué)生選擇了E選項(xiàng)。本題考查學(xué)生對(duì)力與運(yùn)動(dòng)等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解及掌握情況，選C選項(xiàng)的學(xué)生認(rèn)為物體受到?jīng)_擊力的作用后，力會(huì)一直在物體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中都存在，因此他們以為冰球受到擊打，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)水平方向的分力，持有這種前概念的學(xué)生不理解什么是沖擊力，不知道該力有什么樣的特點(diǎn)，僅憑生活中的經(jīng)驗(yàn)和固有的思維定勢(shì)進(jìn)行判斷，誤把沖擊力看成恒力。

（4）試題20分析

原題：圖示為兩塊石頭的運(yùn)動(dòng)記錄。兩石塊向右運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)每隔0.2秒記錄下石塊的位置，用一帶數(shù)字標(biāo)號(hào)的小黑正方形標(biāo)識(shí)。

假設(shè)這兩塊石頭的加速度各為常量，它們之間的關(guān)系是：

A）石塊a的加速度比石塊b的加速度大;

B）石塊a的加速度和石塊b的加速度一樣，兩個(gè)加速度都大于零;

C）石塊b的加速度比石塊a的加速度大;

D）石塊a的加速度和石塊b的加速度一樣，兩個(gè)加速度都等于零;

E）沒有足夠的證據(jù)回答這個(gè)問題。

本題的平均正確率為43%，其中16%的學(xué)生選擇了A選項(xiàng)，3%的學(xué)生選擇了B選項(xiàng)，31%的學(xué)生選擇了C選項(xiàng)，7%的學(xué)生選擇了E選項(xiàng)。本題考查學(xué)生對(duì)加速度等基本概念的理解及掌握情況，其中選C選項(xiàng)的學(xué)生認(rèn)為位移變化量越大，速度的變化量也就越大，導(dǎo)致加速度也越大，持有這種前概念的學(xué)生沒有真正理解加速度的內(nèi)涵及物理意義，他們模糊的認(rèn)為加速度就是速度增加（變化）的那部分，并且這種錯(cuò)誤的前概念一直到持續(xù)到了大學(xué)階段。

4?總結(jié)

從以上分析我們可以看出，牛頓力學(xué)前概念廣泛地存在于我校學(xué)生的認(rèn)知中，雖然學(xué)生在高中階段已學(xué)習(xí)過物理，但對(duì)于基本物理概念還是很模糊，并沒有掌握其本質(zhì)和內(nèi)涵，其主要原因可能由于思維定勢(shì)及日常生活中的經(jīng)驗(yàn)和表象所致，導(dǎo)致學(xué)生在解決問題時(shí)缺乏理性分析。在以后的教學(xué)過程中，我們必須而且也很有必要以基本的力學(xué)概念為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的原有前概念和原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生在牛頓力學(xué)方面的物理思維，使學(xué)生能夠?qū)⒛X海中的前概念轉(zhuǎn)變成科學(xué)概念，為后繼課程的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]??顧明遠(yuǎn).教育大詞典（5）：教育心理學(xué)[M].上海：上海教育出版社，1990.

[2]??陳琦，劉儒德.教育心理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]??梁寧建.當(dāng)代認(rèn)知心理學(xué)[M].上海：上海教育出版社，2003.

[4]??David?Hestenes，Malcolm?Wells.?Force?Concept?Inventory[J]，The?Phys，Teach，1992.

[5]??David?Hestenes，Ibrahim?Halloun.?Interpreting?the?Force?Concept?Inventory[J]，The?Phys，Teach，1995.

作者簡(jiǎn)介：柯莎（1985-），女，陜西漢中人，碩士，講師，主要從事大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)方面的教研工作。

基金項(xiàng)目：銀川能源學(xué)院科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助（2016-KY-Y-27）