大學(xué)生物理錯誤概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略探析

翟良君 侯麗麗 王 帥 眭永興 朱小芹

江蘇理工學(xué)院理學(xué)院，江蘇 常州 213001

當(dāng)今高等教育改革非常重視基礎(chǔ)知識和技能的傳授。大學(xué)物理課程是高等學(xué)校理工科各專業(yè)學(xué)生一門重要的通識性必修基礎(chǔ)課，與諸多專業(yè)課的教學(xué)密不可分，是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課的前提和基礎(chǔ)。在大學(xué)物理的教學(xué)中，物理概念的教學(xué)在大學(xué)物理教學(xué)體系中的地位十分突出，它不僅是物理基礎(chǔ)知識的重要組成部分，也是大學(xué)物理知識體系以及后續(xù)專業(yè)課知識體系的支撐點(diǎn)。因此，讓學(xué)生形成清晰的物理概念，準(zhǔn)確掌握物理規(guī)律，并促使他們形成科學(xué)研究的精神和思維是大學(xué)物理教學(xué)的重要目標(biāo)。然而，在學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)時，他們并不是頭腦空白地走進(jìn)教室里的。一方面，物理科學(xué)與日常生活緊密相關(guān)，從日常生活中學(xué)生自身會形成某些物理現(xiàn)象或者物理問題的理解，其中有些是正確的，但也會存在一些片面或違背科學(xué)的理解。另一方面，學(xué)生們在中學(xué)階段的物理學(xué)習(xí)中，也會對物理概念存在錯誤認(rèn)識。研究者把這些違背科學(xué)知識認(rèn)知的理解稱為錯誤概念。研究發(fā)現(xiàn)，這些錯誤概念會阻礙學(xué)生對知識的正確理解與運(yùn)用，是影響大學(xué)物理教學(xué)的重要因素。如果教師在教學(xué)中沒有關(guān)注學(xué)生的錯誤概念并進(jìn)行正確的引導(dǎo)，那么可能會讓學(xué)生產(chǎn)生更嚴(yán)重的錯誤概念。而如果教師關(guān)注到了學(xué)生的錯誤概念，并提供相應(yīng)的教學(xué)策略，則對學(xué)生錯誤概念的轉(zhuǎn)變具有明顯的促進(jìn)作用。因此，教師們需要關(guān)注學(xué)生們已有的錯誤概念并提供相應(yīng)的教學(xué)策略。在本研究中，作者對大學(xué)生存在的物理錯誤概念的特點(diǎn)進(jìn)行整理，并結(jié)合錯誤概念轉(zhuǎn)變的理論，提出了能有效轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤概念的授課策略。

一、大學(xué)生物理錯誤概念的特征和成因分析

（一）大學(xué)生物理錯誤概念的特征

大學(xué)物理課程主要包括力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等部分。在力學(xué)部分的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對于力的瞬時性理解存在錯誤，例如學(xué)生會將某一時刻運(yùn)動狀態(tài)理解為某一時段運(yùn)動。在對不同情境下物體運(yùn)動的軌跡問題進(jìn)行分析時，學(xué)生仍會存在“力是維持物體運(yùn)動的原因”的錯誤概念，同時也會出現(xiàn)矢量運(yùn)算法則不清楚等錯誤。在做功的問題中，學(xué)生常常會將變力按照常力做功的形式進(jìn)行處理。而在振動、波動等章節(jié)學(xué)習(xí)時，學(xué)生還容易在相位的概念的理解上出現(xiàn)錯誤。

電磁學(xué)部分也是學(xué)生在學(xué)習(xí)中存在錯誤概念較多部分。薛丹丹等人調(diào)查發(fā)現(xiàn)大學(xué)生在導(dǎo)體導(dǎo)電的本質(zhì)、靜電平衡的特點(diǎn)、電場的疊加、場強(qiáng)和電勢關(guān)系、洛倫茲力以及法拉第定律等多種概念上存在錯誤。典型的錯誤概念如，學(xué)生們認(rèn)為在勻強(qiáng)電場中，電勢處處相等；不理解感應(yīng)電流產(chǎn)生的原因是閉合電路中磁通量會發(fā)生變化。此外，也有研究者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在磁力學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生經(jīng)常會將均勻磁場中的結(jié)論錯誤應(yīng)用到非均勻磁場中。例如，在均勻磁場中任意形狀通電閉合線圈所受的總磁場力為零，但是很多學(xué)生會將該結(jié)論應(yīng)用到非均勻磁場的環(huán)境。而在學(xué)生關(guān)于動生電動勢的概念的研究中，學(xué)生也存在“只要導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動，就會產(chǎn)生動生電動勢”“磁場是不變的，在磁場中移動的導(dǎo)體棒的電動勢為零”“在磁場中移動的導(dǎo)體棒，如果沒有形成閉合回路，導(dǎo)體棒上電動勢為零”等錯誤概念。

在幾何光學(xué)的學(xué)習(xí)中，張蓓蓓等人的調(diào)查發(fā)現(xiàn)大學(xué)生對于光與視覺關(guān)系的掌握上存在錯誤概念，例如，“光線先到達(dá)人眼或人眼發(fā)出光線，人才可以看到物體”“認(rèn)為虛像會發(fā)出光線”“認(rèn)為光照到影子上時，就可以看到影子”等。在波動光學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對于光學(xué)中的相位問題也會存在錯誤概念，如，半波損失和波函數(shù)中的相位問題。在光的偏振現(xiàn)象學(xué)習(xí)中，學(xué)生容易在偏振的內(nèi)涵、常見光的偏振態(tài)等概念上出現(xiàn)錯誤概念。

可見，大學(xué)生在各部分知識的學(xué)習(xí)中都會存在不同程度的錯誤概念，即錯誤概念的分布具有廣泛性的特點(diǎn)。其次，很多的錯誤概念并不會是直接呈現(xiàn)出來，它們往往會隱藏在學(xué)生深層次的意識中，具有隱蔽性的特點(diǎn)。最后，在各部分的學(xué)習(xí)中，學(xué)生的錯誤概念具有一定的形似性特點(diǎn)，例如很多的錯誤概念都與數(shù)學(xué)知識儲備不足有關(guān)等。

（二）大學(xué)生物理錯誤概念的起源

學(xué)生存在的這些錯誤概念一方面源于生活經(jīng)驗(yàn)，另一方面則來源于前期課程的學(xué)習(xí)。在生活中，每個學(xué)生都會試圖用他們已有的知識去理解周圍發(fā)生的情況，并且會嘗試夠一個自己認(rèn)同的知識結(jié)構(gòu)。但這些知識結(jié)構(gòu)僅能對其周圍的情況進(jìn)行分析，具有很大的局限性。當(dāng)他們用這種知識結(jié)構(gòu)對周邊的事物進(jìn)行全面分析時，就會造成錯誤概念。

學(xué)生在中學(xué)階段所學(xué)習(xí)到的知識和學(xué)習(xí)方法也是造成他們大學(xué)物理錯誤概念的重要起源。大學(xué)物理區(qū)別于中學(xué)物理的關(guān)鍵點(diǎn)之一在于將對特殊問題的研究改為研究更一般的問題，從對簡單問題的研究提升為研究更深入的問題。在中學(xué)階段，學(xué)生做題多，對物理解題技巧非常熟練，所以，他們會將中學(xué)階段的結(jié)論直接用到對大學(xué)物理的問題中，并導(dǎo)致錯誤概念。另外，大學(xué)物理中很多的概念本身就比中學(xué)物理概念的難度更高，學(xué)生缺乏相應(yīng)的數(shù)學(xué)知識儲備，例如，矢量和微積分等，這也會導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)錯誤概念。

從教師授課的角度看，學(xué)習(xí)參考書設(shè)計(jì)不夠合理、習(xí)題的選擇難度不合適、授課時不恰當(dāng)?shù)念惐鹊葐栴}也是造成學(xué)生形成錯誤概念的因素。例如，在電磁學(xué)的授課中，有教師將磁鐵的N極與正電荷做類比，把S極與負(fù)電荷做類比，這會導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生磁感線與電場線的性質(zhì)完全相同的錯誤概念；在習(xí)題設(shè)計(jì)中，將點(diǎn)電荷的初速度方向總是選擇與磁場方向垂直，這會造成學(xué)生總是采用

F=qvB

來計(jì)算洛倫茲力的大小。

二、錯誤概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略

結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)中學(xué)生常見的錯誤概念特征及其成因，有以下幾種教學(xué)策略可以在教學(xué)中運(yùn)用：

（一）教學(xué)前熟知常見錯誤概念

概念轉(zhuǎn)變的前提是需要教師首先了解或者診斷不同的物理知識中，學(xué)生容易出現(xiàn)的錯誤概念有哪些，分析可能出現(xiàn)的原因，并以此設(shè)計(jì)教學(xué)。一般而言，教學(xué)前了解和診斷學(xué)生錯誤概念的常用方法主要有談話法、紙筆測試、概念圖等，運(yùn)用這些方法可以比較準(zhǔn)確地掌握每個學(xué)生的錯誤概念，幫助教師了解某個物理知識中學(xué)生普遍存在的錯誤概念。因此，教師可以綜合考慮運(yùn)用這些方法，全面了解學(xué)生的錯誤概念。

具體而言，紙筆測試法可能會比較精確、便捷地了解學(xué)生的錯誤概念，但運(yùn)用起來比較耗時費(fèi)力，對于常規(guī)教師教學(xué)而言效率較低，往往運(yùn)用于對學(xué)生錯誤概念的診斷和評價研究中；文獻(xiàn)法一般是教師閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，從文獻(xiàn)中梳理出學(xué)生在相關(guān)教學(xué)內(nèi)容上會出現(xiàn)的錯誤概念，這種錯誤概念具有普遍性，而錯誤概念的表現(xiàn)程度也會有所區(qū)別，因此可以和訪談法結(jié)合起來考察，在正式教學(xué)之前，教師可以圍繞教學(xué)內(nèi)容，由淺入深地了解學(xué)生的已有知識，這樣的方法可以了解個別學(xué)生的錯誤概念，具有針對性。

概念圖是由概念、概念間的連線及鏈接語、概念的例子組成的一個知識結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，反映了學(xué)生頭腦中已經(jīng)形成的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了學(xué)生對某一領(lǐng)域知識的理解。一般來說，概念圖包括六個部分：概念、分支、水平層次、同一分支下概念間的連接線和連接語、不同分支下概念間的連接線和鏈接語、例子。在教學(xué)前，教師可以鼓勵學(xué)生畫出自己的概念圖，在學(xué)生呈現(xiàn)的概念圖中，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生頭腦中存在的錯誤概念、錯誤理解和知識的欠缺。

總之，教學(xué)前教師可以根據(jù)自身教學(xué)進(jìn)度的安排、學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、教學(xué)內(nèi)容等綜合考慮運(yùn)用文獻(xiàn)法、訪談法、概念圖或者紙筆測驗(yàn)等全面了解學(xué)生的錯誤概念。

（二）教學(xué)中交流操作激發(fā)認(rèn)知沖突

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一個意義建構(gòu)的過程，學(xué)習(xí)者不是簡單被動地接受信息，而是主動在操作或者交流過程中主動建構(gòu)知識的意義。當(dāng)學(xué)生遇到已有經(jīng)驗(yàn)無法解釋的新現(xiàn)象或新觀點(diǎn)時，面對新舊經(jīng)驗(yàn)的不一致，便會體驗(yàn)到一種認(rèn)知上的不平衡，即產(chǎn)生認(rèn)知沖突。

在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該為學(xué)生創(chuàng)設(shè)基于錯誤概念的問題情境，讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，之后鼓勵學(xué)生合作交流、積極探究尋求問題解決的辦法。在此過程中，學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化。在這部分教學(xué)策略的實(shí)施過程中，教師應(yīng)該多利用線上教學(xué)資源，通過視頻、仿真實(shí)驗(yàn)等方式，讓學(xué)生容易產(chǎn)生錯誤的概念形象化。在線上授課期間，教師也可以通過每隔一定的時間設(shè)置能夠引起學(xué)生認(rèn)知沖突的題目讓學(xué)生參與討論，題型一般以選擇題為主，這樣可以方便學(xué)生作答也方便教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

概念學(xué)習(xí)也需要教師的支架作用，在鼓勵學(xué)生交流合作的同時，教師應(yīng)該適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生向科學(xué)概念的方向探究，為學(xué)生適當(dāng)提供支架。隨著活動的進(jìn)行，逐漸減少外部支持，讓學(xué)生獨(dú)立活動，直到最后完全撤去支架。

（三）教學(xué)之后及時應(yīng)用與引導(dǎo)學(xué)生反思概念

錯誤概念的轉(zhuǎn)變意味著學(xué)生需要打破原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，重新建構(gòu)新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，然而，錯誤概念具有頑固性，讓學(xué)生一次性理解科學(xué)概念是不符合認(rèn)知規(guī)律的。因此，在概念轉(zhuǎn)變教學(xué)之后，讓學(xué)生體驗(yàn)到新概念的有效性才會加深學(xué)生對新概念合理性的認(rèn)識，最終才能把新概念穩(wěn)固地納入認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。因此，出示新的問題情境，鼓勵學(xué)生運(yùn)用新的科學(xué)概念解決一些實(shí)際問題可以加深學(xué)生新概念的學(xué)習(xí)。

此外，教學(xué)結(jié)束之前，及時評價與引導(dǎo)學(xué)生反思概念轉(zhuǎn)變的過程，幫助學(xué)生梳理原有概念的不合理以及新概念的有效性。通過對比新舊概念，可以強(qiáng)化學(xué)生對新概念的理解。