从物理学习的认知过程看物理实验研究

易其顺

(广西民族师范学院物理与信息技术系,广西崇左532200)

1 引 言

物理实验是物理教学的基础,因此物理实验研究一直以来都是物理教育研究的热点,然而,目前关于物理实验研究过多地注重技术和方法,而忽视学生知识学习的认知过程分析,因而所开发出来的实验往往看起来比较好,其实与教学实际相去甚远,没有发挥物理实验应有的价值和功能.因此,有必要从学生对物理学习的认知过程这一角度来审视物理实验研究,让广大教师明确各种物理实验研究所努力的方向.为此,本文从物理学习的认知过程来看物理实验研究.

2 物理学习的认知过程

不同物理知识的学习有不同的认知过程,有的知识通过感知物理现象之后,经过简单的科学抽象就可以理解,而有的知识通过感知物理现象之后,必须通过认知结构的转化或调整才能理解.为了让大家知道到底哪些知识的学习需要认知的调整和转变,哪些不需要,笔者对物理学习的认知过程进行如图1所示的分类.从图1中可看出物理知识按学生认知特点可分为4种不同的过程.对于没有相关经验的知识的学习,必须通过实验来创设物理学习的情境,增强学生的感性认识,才能理解,这类实验称为增强感性认识实验.而对于学生已有相关经验且这些经验与科学知识完全相同时,只要唤起学生头脑中的感性认识,就可以顺利地理解.对于已有经验与科学知识部分相同的知识学习,必须通过实验来促进学生认知的调整才能理解,这类实验称为认知调整实验.对于已有经验与科学观念相违背的知识学习,必须通过实验来促进学生认知的转变才能完成,这类实验称为认知转变实验.

图1 物理学习的认知过程

3 物理实验研究

从上面的分析可知,不同知识的学习有不同的理解过程,需要不同类型的实验,因此物理实验研究应该根据不同类型实验的作用来确定努力的方向.接下来从3种不同类型的实验的研究进行介绍.

3.1 增强感性认识的实验研究

感性认识是物理学习的基础,在学生对所学的知识没有相关的经验时,必须通过实验创设物理情境,增强学生的感性认识.因此这些实验应力争作到直观明显,突出物理的本质.对于增强感性认识的实验研究一般有以下几种.

3.1.1 疑难实验研究

所谓疑难实验研究是指在物理教学过程中难以操作,很难成功的实验.这种实验研究的目的是使疑难实验不再疑难,将直观明显的实验现象呈现给学生,增强感性认识的效果,以促进学生形成概念和掌握规律.因此研究的方法都是分析疑难的原因,寻找突破疑难的办法.最典型的例子就晶体的熔化实验的研究.晶体的熔化和凝固一直以来都被认为是中学物理实验中最难的实验之一,之所以难,是因为该实验中采用的晶体是热的不良导体,加热时试管壁的晶体温度已经达到熔点了,而温度计附近晶体的温度还低于熔点,它们的温差在2℃左右,而一旦试管中晶体开始熔化,变成了液体后,导热性大大加强,使得剩下的晶体很快就熔化,结果得不到理想的温度保持不变的过程,也就很难得出晶体熔化时温度保持不变的规律.针对这一点很多物理教师都在不断地改进,已经取得很大的进步,但是目前效果还是不够理想,仍需继续努力.

当然,对于疑难实验的研究来说,大家应学会用辨证的眼光来看待.找到突破疑难的办法当然最好不过,可是有些实验适当地留给学生一些疑难也是有好处的.比如说,目前在中学物理教学中,教师只做有把握的实验,而对于没有把握的实验却只字未提,结果给学生的印象是物理实验都是很成功的,没有什么坎坷.这无形中给学生传递这样的信息:科学研究总是一帆风顺的,没有什么困难.这样不利于学生对科学的本质的理解.相反,如果教师在晶体熔化等类似的教学中适当地留给学生一些疑难对学生是有帮助的.所以说,有的实验让学生经历种种困难后得出接近理想的结果比因采用精密仪器和高新技术后轻而易举地获得理想的数据更有价值.

3.1.2 针对抽象的知识设计实验

物理概念和规律都是在丰富的感性认识的基础上进行科学思维的产物.然而中学生的思维水平如何呢?有研究[1]表明:我国初中学生的物理思维基本上还处于具体运算阶段和前运算阶段,高中学生的思维处于过渡期,即从具体运算向形式运算阶段.这就说明中学生的物理概念和规律的学习还必须借助具体事物、现象的支持.因此作为物理教师要清楚,知识抽象之处就是学生理解困难之处.此时,针对这些难点设计实验来架设思维的台阶是非常必要的.

比如在浮力的教学中,学生难以理解的一个问题是“沉底的物体也受到液体对它的浮力”.由于目前的教材没有相关的实验,所以很多教师在教学中,只能直接告诉学生“沉到水底的物体也受到水对它的浮力”,有的甚至在课堂上避而不谈.给人的感觉就是教材和教师因找不到合适的实验而特意回避,但是学生的思维并不因为这样的回避而终止,相反可能因为回避而更加活跃,可惜这种活跃是一种困惑,甚至是一种混沌状态.这样的状态如果不能及时指点迷津就会影响到后面的学习.因此设计实验似乎是明智的选择.为此可用如图2的实验[2],先将金属块和托盘一起挂在挂钩上,并使它们完全没入水中如图2(a),记下此时弹簧秤的读数 F1,先让学生思考:如果将挂金属块的绳子解开,将金属块放在托盘上,弹簧秤的读数将如何变化?为什么?然后再将挂金属块的绳子解开,将金属块放在托盘上,记下弹簧秤的读数 F2,比较 F1和 F2的大小,最后让学生思考为什么 F1=F2?这样学生经过思考后就会悟出“沉底的铁块也受到浮力”.

图2 演示浮力的实验装置示意图

3.1.3 拓展感觉通道实验研究

心理学的研究[3]表明:只从视觉获得信息能够记住大约25%,只从听觉获得信息能够记住大约15%,若把视觉与听觉结合起来使用,那么将会记住65%.这充分说明了综合使用多种感官的重要性.况且有的信息对某种感官来说反应不够灵敏,而对另外一种感官来说却非常灵敏.因此可以利用这一原理来拓展感觉通道,加大信息刺激,增强感性认识,促进概念的形成.江西南昌市中学的黄恕伯老师1996年在桂林举行的物理实验教学高级研修班上介绍的利用耳朵来感觉加速度就是一个很好的尝试.

大家都知道,加速度是表示物体运动速度的变化率.人们在判断速度变化快慢时往往用眼睛观察,可是当速度变化比较慢时人眼却很难观察得出来.然而,耳朵对声音的频率变化的感觉很灵敏(人耳听觉的范围16～20 000 Hz).为此,可以将速度变化转变为声音频率地变化,然后用耳朵来感觉.比如在斜面上让小车拉着磁带往下滚动,磁带又穿过录音机磁头,磁带与磁头摩擦,使磁头产生声音,由于速度在不断变化,所以录音机的声音也在不断的变化,这样耳朵就可以听出速度变化大小来.通过视觉和听觉结合强化了感知的效果,促进学生对加速度概念的理解.

当然,对于促进感性认识的实验研究来说,不应只停留在物理现象的呈现,而应该在此基础上,想方设法通过现象激发学生积极、主动地进解新知识.对于这一点我们认为:对于某个新知识的学习不要在学生毫无思想准备时贸然地强加给学生,而应想办法将意想不到的现象摆在他们面前,使他们的认知结构发生激烈冲突,在他们感觉到有寻找其他知识来解释他们所面临的现象的必要时,再开始新知识的学习.比如有关涡流的原理也是中学生要了解的内容,设计一个实验帮助学生了解其原理非常必要.但若直接把涡流的现象原汁原味地演示,学生并无多大兴趣,如果能把一种意想不到的现象摆在他们面前,让他们思想发生矛盾,当他们设法寻找知识来解释时再开始有关涡流的学习,这样会更好.比如可以用如图3所示的实验[4]来实现.图中为2个长度大小一样、但倾斜度不同的铝槽(装饰用),让同样大小的圆形铁片和圆形磁铁分别从1和2两个铝槽滚下,实验前不说明磁铁和铁的不同,让学生预测哪个先到底端,学生会根据他们所熟悉的斜面越陡下滑越快的观念来预测.可是到演示时却发现越陡的反倒越慢,这样学生认知结构就发生冲突,各种猜想会随之而来.这时教师若指导得当,学生会自己找到是因为涡流的原故,涡流原理的学习也就水到渠成了.

图3 涡流演示装置

3.2 认知调整的实验研究

当学习的知识在学生头脑中已有相关的经验,而且这些经验与所要学习的知识部分相符,这类知识的学习必须通过实验帮助学生进行必要的认知调整才能实现.那么如何才能促进认知的调整呢?根据奥苏贝尔的概念同化可以得到启发.他认为[5]:学生能否学得新信息,主要取决于他们认知结构中已有的有关概念;意义学习是通过新信息与学生认知结构中已有的有关概念的相互作用才得以发生的;由于这种相互作用的结果,导致了新旧知识的意义的同化.皮亚杰也认为这种同化只有在儿童积极参与建构时才可能发生,学习所关注的应该是儿童的心理建构活动.由此可见,认识的调整是认知的同化,而实现同化离不开学生积极的思维过程.因此作为促进认知调整的实验应该在促进学生积极思维上下功夫.

比如阿基米德定律实验研究就是典型例子.众所周知,阿基米德原理是物体受到的浮力等于它所排开的液体的重力.学生在前面的学习已经知道“浸入液体中的物体受到的液体对它的浮力与排开的水的量有关”.因此如何使学生的“物体受到的液体对它的浮力与排开的水的量有关”的观念调整为“物体受到的浮力等于它所排开的液体的重力”这才是阿基米德定律教学的重心所在,同时也是阿基米德原理实验研究的重点.然而,现有的阿基米德实验都是将精力集中在减少误差,以便将“排开的水的重力等于浮力”这一事实直观地呈现给学生.这种直观得让人一看就懂的教学实际上是用实验来告诉学生“物体受到的浮力等于排开水的重力”,而阿基米德在探索阿基米德原理时所经历的激动人心的认知的调整以及为寻找突破口苦思冥想的思维过程则不见踪影,而这些恰恰又是最能体现科学探究本质的过程,同时也是认知调整所需要的.因此作为促进认知调整的阿基米德原理的实验就不能缺少这样的环节.比如可以采用如下的实验活动来进行.

演示如图4实验.

师:学生弹簧秤读数包括哪几部分的重力?

生:包括铝块、小水桶和小水桶里的水.

师:如果让铝块浸没入桌面上小水桶里的水中,水面如何变化?弹簧秤读数又怎么变化?

生:小水桶水面上升,弹簧秤读数变小.

师:为什么?

生:因为铝块受到水对它的向上的浮力.

图4 演示阿基米德实验的示意图

(教师将铝块浸没入水中,并让学生观察弹簧秤示数的变化.)

师:观察到什么现象?

生:弹簧秤示数减少,桌面上的小水桶水面上升.

师:弹簧秤示数为什么减少了.

生:铝块受到浮力.

师:怎样才能使弹簧秤的示数回到原来的读数?

(引导学生向水桶加水)

师:往小水桶加多少水才能使示数回到原来的读数?

生:加的水的重力等于铝块受到的浮力.

(教师向小水桶加水,指导学生比较两水桶中液面上升多少.)

师:水桶1中加的水与水桶2中上升的水有何关系?

生:水桶1中加的水与水桶2中上升的水一样多.

师:铝块受到的浮力与它所排开的水有什么关系?

生:铝块受到的浮力等于它所排开的水的重力.

师:这也只是猜想,现在大家设计实验来验证猜想.

(引导学生进一步拓展到“一切物体浸入液体里时,所受的浮力等于它所排开的液体的重力”.)

这样的过程比起原来的实验多花了不少时间,走了很多的弯路,可是这些弯路让学生真正经历了探究的过程,当学生因为体会到发现知识的乐趣而露出满意的微笑时,有谁还去怀疑这些弯路的价值?

3.3 认知转变实验的研究

当学习的知识在学生头脑中有相关的经验,而且这些经验与知识相违背,这就是平时所说的前概念.前概念有以下几个特点:广泛性、自发性、顽固性、隐蔽性.这些特点给出启示是:前概念普遍存在,教师要随时作好应对的准备;那些认为只通过正面的教学,或者草率地演示一通,再加上机械的强化就可以让学生真正理解的想法是过于天真的.那么怎样才能克服这一困难呢?大量的研究已经表明要想让学生真正理解这些知识必须想方设法让学生的认知结构发生转变,即让学生的前科学概念转变为科学概念.那怎样才能促进认知的转变呢?我们从概念转变的学习理论可以得到启发.要促进概念转变,必须使学生在一个具有挑战性的情景中,解决他们已有的前科学概念与公认的科学概念之间的矛盾冲突,通过新旧经验的相互作用,积极主动地构建新概念的意义[6].波斯纳等人也认为[7]:概念转变必须提供以下4个条件:1)学习者对当前的概念产生不满;2)新概念的可理解性;3)新概念的合理性;4)新概念的有效性.根据这样的理论,要促进概念转变,首先必须制造认知冲突的情景,能让学生经验与现实产生激烈矛盾;然后让学生意识到自己观念的不足;最后设法让学生相信新的概念适应范围更广.根据这样的思路来研究实验可以达到很好的效果.

比如在机械波教学中,一个众所周知的难点,就是不易使学生信服在波的传播过程中媒质质点本身并没有随波迁移,传播的只是振动的形式,究其原因,是因为在日常生活中的一些波动现象,如水波等,往往会给人一种有物质随波向前移动的感觉,之所以会有这种普遍的错觉,与人类视觉的局限性有关.若能设计一个实验,让学生意识到这种感觉的局限性,对他们克服机械波的学习困难应该是有帮助的.为此可用如图5所示的实验[8].在演示器面板上开有2排小孔,其中上面一排孔正对着孔装有一排光源,下面一排小孔后只有1个可沿小孔横向移动的光源,若一排光源依次发光,则对于面板正面的观察者来说,就会得到有1个亮点沿小孔横向移动的视觉效果.同样,1个光源移动也是这种视觉效果,如果调节好一排光源依次发光的频率和单个光源移动的速率,使二者同步,则在上下2个亮点移动中,观察者将无法区分哪一个是由单个光源移动产生的,哪一个是由一排光源依次发光而产生的,这样就说明了视觉的局限性.同样在连续媒质中质点依次振动产生的效果被看成是质点向前运动的效果,也是由于视觉的这种局限造成的,单凭视觉无法直接区分振动状态在连续媒质中依次传播和单个物体连续运动所产生的效果.从而让学生意识到自己的原有观念存在不足,这样便为观念的转变打下了坚实的基础.

图5 演示视觉局限实验装置示意图

上述的例子是从如何促使学生意识到自己观念的不足这一角度来考虑的,实际上对于促进认知转变的实验研究来说最应该、也是最值得下功夫之处是如何激发学生的认知冲突,这才是观念转变的关键,同时也是教学过程中最精彩、最激动人心之处.比如物体沉浮条件的实验,学生从小就观察到物体的沉浮现象,对沉浮已有了自己的理解.学生会认为:重的物体会沉,轻的物体会浮;金属物体会下沉;空心的物体会浮,实心的物体会沉;……,等等.因此物体沉浮条件的教学就应该想方设法让学生的这些观念转变为物体的沉浮与物体本身的重力和所受的浮力大小比较有关,当重力大于浮力则下沉,当重力小于浮力则上浮.而要实现转变首先必须创设能激发认知冲突的环境.比如可以用如图6所示的实验来进行.其中a和b都是啤酒瓶盖,但b已经扭成一团,c,d,e和f体积相同,c和d形状和质量都相同但放置方式不同,d和e质量相同但形状不同,e和f体积及形状都相同.先将6个物品放在桌面上,让学生感觉它们的大小和轻重.然后让学生判断将这些物品放到水面时是沉还是浮,并说明理由(这个过程中学生会利用自己的前概念“成功”地解决问题).最后让学生一个个验证自己的判断是否正确(这个过程学生会发现自己的观念与实验事实存在矛盾).通过这样的活动来创设认知冲突的情境,使学生的原有观念和现实产生不可调和的矛盾.在这样的矛盾状态下“决定物体的沉浮的因素是什么?”这样一个科学问题就自然而然地被提出来.紧接着种种猜想也会随着出现,如果教师指导得当,发现物体沉浮条件也就顺理成章了.这个实验还给我们的启示是对于激发认知冲突的实验并不需要多么昂贵、多么复杂的器材,相反那些取材于日常生活、以日常生活的方式呈现的实验更容易激发学生的认知冲突.像这样低成本高智慧的实验应该成为物理实验研究一个梦寐以求的境界.

图6 物体沉浮实验的用物品

4 结束语

物理学习不是由教师向学生传送知识,而是学生根据外在的信息,通过自己已有的经验来建构自己对知识理解的过程.因此,根据学生物理学习的认知过程来研究实验可以使实验真正成为能促进学生理解的活动,同时也为物理实验研究提供了一个暂新的思路.

[1] 乔际平,邢红军.物理教育心理学[M].南宁:广西教育出版社,2002:30.

[2] 易其顺,蒋志年.物理学科中“浮力”实验的教学研究[J].教学与管理,2006,(4):102-103.

[3] 梁树森.物理学习论[M].南宁:广西教育出版社,1996:113.

[4] 易其顺.低成本物理实验开发的研究[J].教学仪器与实验,2004,(11):21-22.

[5] 施良方.学习论[M].北京:人民教育出版社,2003:233.

[6] Driver R,Guesne E,Tibergien A.Children’s ideas in science[M].UK:M ilton Keynes,1985.

[7] Posner G J,Strike K A,Hew son PW,et al.Accommodation of a scientific conception:toward a theory of con central change[J].Science Education,1982,66:211-227.

[8] 易其顺,罗星凯.一个可用于机械波教学的人类视觉局限演示器的设计与制作[J].物理实验,1998,18(6):35-36.