关于中学生热量和温度前概念的调查研究

2015-02-15山东省大连市第七十六中学王晶晶

新课程研究 2015年11期

◆山东省大连市第七十六中学王晶晶

关于中学生热量和温度前概念的调查研究

◆山东省大连市第七十六中学王晶晶

文章通过对118名（13～16岁）初中生进行问卷测试和临床访谈，以测试中的选择题为研究内容，从多个角度揭示了学生对热量和温度科学概念理解上存在的问题，发现在中学生的头脑里，对热量和温度存在大量的前概念，并对如何让学生建立科学概念提出了合理化建议。

热量和温度；科学概念；前概念

随着对教学过程认识的不断深入，人们逐渐重视学生已有认识经验的作用。初中物理知识来源于自然，来源于生活，贴近于生活。初中生也有相当多的生活经验，其中包含着大量与物理有关的现象、问题。这都决定了：在教学中要充分了解学生的想法，利用他们已有的经验，采取合理的方式来发展学生的原有概念，让学生在解决问题时可以建立正确的思维模型。

根据调查研究发现：新教师在教学过程中，经常抱怨不知道学生的想法，不能展开有针对性的教学，而热量和温度概念向来都是教学上的难点。由于学生有在生活中的经验，他们在这方面有很多前概念。这种前概念具有广泛性、顽固性、负迁移性、层次复杂性的特征，从而成为学生学习物理的主要障碍。

Kesidou&Duit对34名10年级（15～16岁）的学生进行了临床访谈，得出学生存在的前概念有以下一些：①热量可以轻而易举地进入和离开不同的材料；②不同的材料吸收热量或保持热量的效果不同；③粒子与它极其近似的粒子也不是完全相同的。Thomaz等人的研究表明，对温度与热量的认识，学生的普遍错误表现在5个方面：①热量是一种物质；②不能区分温度与热量；③将温度与对物体的感知觉混淆；④对物体加热总会导致物体的温度升高；⑤对相变时温度与热量的关系存在错误的理解。Mustafa回顾了对学生理解热量和温度的调查，提出了一项重要的研究结果，总结了迄今发现的有关热量和温度的前概念，并且指出了这些错误概念的可能来源，为从事科学或物理教育领域的研究人员和教师提供了帮助。

比如，张军朋和茹秀芳对国外有关于学生对温度和热量概念的研究，分别从学生对于概念理解的特征、探究学生相异概念形成的机制、克服学生错误概念的教学尝试3个方面进行了综述，以期对我国热量和温度的教学产生影响。

一、前科学概念的定义

建构主义认为，儿童的科学学习并不是从零开始，而是对原有知识经验进行建构，通过新旧经验之间双向反复的相互作用而实现的。儿童在接受系统的科学训练前，日常经验使他们对客观世界的各种自然现象初步形成了自己的看法和解释，从而建构了大量的自发概念。自发概念中那些与科学概念兼容，为以后接受科学知识打下基础的部分，被奥苏贝尔称之为 “知识的固定点”或 “先前知识”；而另一些却与科学概念相冲突，被称为 “错误概念”。错误概念不仅在儿童中出现，也经常出现在接受了正规科学教育的成人头脑中，因为这些概念通常能“解释”一些表面现象，符合直观观察，所以在他们的头脑里是“合理的”。

前概念，即前科学概念，我国学者倾向于认为，前科学概念指学习者在接受正式的科学教育之前，在现实生活中通过长期的经验积累与辨别式学习而获得的一些感性印象、积累的一些缺乏概括性和科学性的经验，是一些与科学知识相悖或不尽一致的观念和规则。在理论上，前科学概念指的是学习者将科学概念的内涵增加、减少或替换，导致外延扩大、缩小或移位的概念。在教育研究和实践中，前科学概念指的是学习者拥有的与科学概念的涵义不一致甚至相反的概念，是学习者形成某一科学概念之前所拥有的概念形态。

二、中学生热量和温度前概念分析研究

1.调查研究方法

本研究在前人对前概念与物理模型研究的基础之上，将两者结合起来进行研究，选取物理学中热学的内容作为测试的内容，主要是因为在日常生活中，涉及热量和温度以及吸热、放热的情境无处不在，学生感觉非常熟悉，为它们构建了许多简单的解释，其中反映出学生头脑中存在的前概念。

研究对象：选取XX市一所城市学校初中二年级两个班的学生，一所郊县学校三年级一个班的学生，共计118人。

研究方式：采用了问卷、测试、访谈的形式，测试是以问卷的形式出现，其中的选择题是用来测试学生头脑中存在相关的热学前概念；访谈是为了了解学生建立不同物理模型的原因，从多个角度揭示了温度和热量概念理解上的问题。

2.结果与分析

通过选择题目分析可以看出学生头脑中是否存在与问答题目暴露出的相应的前概念。

（1）玲玲用沸水煮熟鸡蛋后，将鸡蛋放进冷水里，请选择下面哪一项是鸡蛋的冷却过程？（）

图1 被试对煮鸡蛋问题回答的情况

A.温度从鸡蛋传递到冷水中

B.冷气从冷水中传递到鸡蛋上

C.热的物体会自然地变冷

D.热量从鸡蛋传递到冷水中

从结果可以看出：选择A的学生占总人数的19.5%，学生无法区分温度和热量的概念，认为热传递的是温度而不是能量，或者根本就无法区分热量和温度，认为热量就是温度；选择B的学生占总人数的17.8%，在这部分学生的前概念里认为热量有两种类型：冷的热量和热的热量。冷与热是相反的，物体变冷的原因不是失去能量，而是吸收了冷；选择C的学生只占了5.1%，说明大部分学生是知道物体变冷是有条件的，但仍有6名学生选错，经过访谈知道，他们认为热的物体会自然变冷，但是冷的物体变热、升温却是需要加热等条件的；选择D的学生占总人数的57.6%，仅从结果看，大部分学生还是掌握了相关知识的。

（2）小华从冰箱里拿出前一天晚上放进去的一瓶罐装可乐和一瓶塑料瓶装可乐。他迅速地把温度计插入罐装的可乐瓶中，测得的温度是7℃。那么塑料瓶和塑料瓶中的可乐的温度分别最有可能是多少呢？（）

图2 被试对可乐和可乐瓶问题回答的情况

A.它们的温度都低于7℃

B.它们的温度都等于7℃

C.它们的温度都大于7℃

D.可乐的温度是7℃，但可乐瓶的温度大于7℃

这个题目暴露的问题比较严重，学生回答正确的百分比仅是18.6%，对热平衡问题，学生存在很大的疑惑，学生对于这个问题有各种各样解释的模型，比如，一个初三学生的模型，他认为可乐放在冰箱里，温度是从内向外依次升高的，他认为液体的温度最低，之后才是瓶子的温度。

（3）小明从外面拿进房间两瓶装有20℃水的玻璃杯，一个用湿毛巾包住，一个用干毛巾包住，20分钟之后，用湿毛巾包的那杯水的温度为18℃；而用干毛巾包的那杯水的温度是22℃，那么房间内的温度最有可能是：（）

A.26℃ B.21℃ C.20℃ D.18℃

这个题目选择C的学生比选择正确答案A的人多，经过笔者的访谈，了解了学生产生错误的原因是：不知从何下手，很多人认为将 “18+22”再求平均数就是20摄氏度，根本就没有使用科学的方法进行推理得出，经过教师对一些问题的引导以后，一些学生推出了正确答案。例如，笔者问他们： “湿毛巾包的塑料瓶为什么温度会降低呢？”学生回答： “因为湿毛巾比较冷，塑料瓶吸收了湿毛巾的冷，所以温度降低了。”暴露了他们许多的前概念。之后笔者又提问： “那为什么干毛巾包的温度会上升呢？而且比毛巾的温度还高呢？”有些学生相信用毛巾包的物体温度会升高，但他们却不相信物体用毛巾包过以后会比毛巾自身的温度还高，这次他们就要思考一下热量的来源了，热量不是来自毛巾，也不会是来自冰块，那肯定是来自空气了。经过这样的推导过程，学生大多都能得出正确的结论。

4.为什么在寒冷的冬天，我们要穿毛衣？（）

A.防止冷空气进入，把冷空气阻止在外面

B.会产生热量，使人变得暖和

C.会减少热量的损失

D.以上三种说法都正确

对于这个题目，很多学生会选择D这一项，他们认为以上三项都是正确的，我们可以清晰地看见学生在前几题出现的前概念问题在这一题目中暴露无遗。前面很多学生认为毛巾会使包住的物体升温，但他们不知道热量的来源，并且不承认是毛巾本身产生和释放的，但在这个题目中他们的意志被动摇了，选择了衣服会产生热量，使人的身体变暖这一结论是正确的。

我们应该要看到学生存在的这些潜在的前概念，他们虽然嘴上会说毛巾不会产生热量，但却一直使用毛巾生热的模型来解释问题，这就需要教师彻底转变学生的前概念，让学生们知道热量的真正来源是空气而不是衣服本身，只有这样才能有助于学生形成科学的概念。

三、结论

本文的研究表明：当学生在日常生活中看到的、感觉到的与科学概念的结果不一致时，部分学生会坚信他们的感觉，甚至宁愿改变自己所学习的科学概念，坚持使用前概念来解释与科学概念相冲突的现象。因此，笔者认为，教师在教学当中的首要任务不是对知识的讲授，而是彻底转变学生头脑中的前概念。因为有前概念的存在，学生就很难真正地接受并理解科学概念，当在具体的环境中，他们依旧会选择使用前概念对问题进行解释。认知冲突是转变学生前概念的有效方法。教师可以通过教学实验讨论过程制造认知冲突，让学生的前概念与科学概念处于一种交锋的状态，使他们在解释的过程中处于自相矛盾之中，那么他们就会选择各种方式进行改变，最终把他们的前概念转变为科学概念。

[1]张军朋,茹秀芳.温度和热量的相异观念：一项问卷调查[J].物理教学,2006.

[2]张军朋,茹秀芳.国外关于学生对温度和热量概念理解研究进展[J].物理教师,2004.

[3]Mustafa Sözbilir.A Review of Selected Literature on Students' Misconceptions of Heat and Temperature.Bogaziçi University Journal of Education,2003,Vol.20(1).

[4]牟毅,朱莉琪.儿童朴素物理学的错误概念及影响概念转换的因素[J].心理科学进展,2006,14(5):697.

[5]李高峰,刘恩山.“前科学概念”的术语和定义的综述[J].宁波大学学报(教育科学版),2006,(12).

（编辑：杨迪）