中学生“力学前概念”的探查与矫正

陈雪梅

摘 要：采用美国Hestenes等人设计的FCI测评问卷对杭州市某中学初一、初二两个年级的部分学生进行力学概念测试，揭示了初一学生头脑中存在的典型力学前概念以及初二学生经传统教学后的概念转变情况。采用SPSS19.0统计软件对不同年级和不同性别学生的力学概念掌握情况以及差异水平进行了统计分析，并对物理概念教学提出了一些思考和建议。

关键词：中学生；力学前概念；分析；FCI测评问卷

学生对物理现象的直观认识在接受物理课程学习之前已经存在了，并在这些认识的基础上形成了自己的思维体系。这种在学习系统的科学知识之前存在的想法被称为“前概念”（preconception）。前概念对于物理知识的建构所产生的作用和影响一直是物理教学研究比较活跃的领域。美国、加拿大、新西兰等国家均对其进行了广泛深入的研究，但我国在这方面的研究相对缺乏。

本研究旨在探查学习力学基本知识前后的初中学生对力学基本概念、规律的理解、认识情况，为电学、热学、光学等其他物理分支领域学生前概念及其转化的研究提供借鉴。

一、测评问卷和被测样本分析

本调查采用的问卷是美国Hestenes等人设计的“力的概念测量表”（Force Concept Inventory），简称FCI。FCI由30个与力的概念有关的物理题目构成。每小题均有5个备选答案，其中只有一个是正确的，其余四个是从大量问卷调查中提炼出来的学生最常见的前概念，学生必须在正确概念和错误概念中作出选择。

本调查在2015年9月进行。调查对象为浙江省杭州市某初级中学学生。抽取初一两个班进行调查，收到有效答卷102份（男56份，女46份）。这部分学生没有学过基本力学知识，他们关于力学现象的认识来自日常生活经验。调查这部分学生是为了探查进行力学基础知识教学之前，学生头脑中存在的前概念情况。抽取初二两个班进行调查，收到有效答卷96份（男58份，女38份）。初二学生学过力学基本知识，对力学问题有一定的理解和认识，他们的错误答案可以反映学生的前概念经传统教学之后的转化情况。

二、典型调查结果统计与分析

限于篇幅，笔者在本文中列举部分试题进行分析，这部分试题有效地揭示出学生头脑中存在典型的前概念。所选试题以及统计结果如下：

（一）典型试题各选项统计结果

【题1】两个体积相等的金属球，其中一个的重量是另一个的两倍。两球从二层楼顶同一高度同时落下，则两球到达地面的时间：

【题2】一辆大卡车和一辆小轿车迎面相撞，在碰撞过程中：

【题3】两个钢球，一个重量是另一个的两倍，二者以相同的速度滑出水平桌面，则落地点到桌子底部的距离：

【题4】一个男孩竖直上抛一小钢球，忽略空气阻力。在小球从抛出到回到地面的过程中，作用在小球上的力为：

【题5】参考下图，回答问题。一个小球在光滑平面上从a匀速运动到b，小球到达b点时受到一个来自同一水平面上的瞬间冲撞，方向如粗箭头所示。

冲撞之后，沿着选定的路线，小球受到的主要作用力为：

【题6】两个学生，a的质量为75kg，b的质量为57kg，面对面地坐在同样的办公椅上，学生a将双脚放在b的膝盖上。学生a如果蹬脚，两个椅子都开始运动。

【题7】一块石头从一层楼顶落向地面，则：

【题8】一个高尔夫球飞行过程中所受的作用力有：1.重力；2.打击力；3.空气阻力。

（二）典型前概念分析

1.关于原动力

①“打击”传递原动力。题5的B、C两个选项共有84.3%的初一学生和54.1%的初二学生认为小球在运动过程中仍然受到水平冲力的作用。题8的B、C和E三个选项有93.7%的初一学生和27.1%的初二学生认为高尔夫球在飞行过程中还受到打击力的作用。通过访谈，绝大多数学生认为通过“打击”可以把力转移到被打击的物体上，从而提供一种能维持运动的使动力量。

②运动过程中“原动力”的耗散。题4的A、B和C三个选项共有86.4%的初一学生和47.9%的初二学生认为小钢球被抛出时产生的原动力在运动过程中逐渐减小。即“原动力”的耗散。

对于原动力的认识，初一学生和初二学生存在的误解都是很严重的。这是因为学生没有相应的生活经验来证明物体的真正运动状况及受力情况，只能凭常识来判断。传统教学对改变这种错误认识的效果并不十分理想。

2.关于作用力与反作用力

①质量越大的物体施力也越大。题2的A和D两个选项共有51.0%的初一学生和6.3%的初二学生认为大卡车和小轿车相撞时，大卡车作用在小轿车上的力大于小轿车作用在大卡车上的力。题6的D选项有49.0%的初一学生和8.3%的初二学生认为质量较大的a学生对b的作用力较大。较多学生认为两个物体相互作用时，质量大的物体“更有劲儿”。

②主动物体施力较大。在访谈中发现，题6选D的部分同学认为相互作用过程中主动物体施力较大，被动物体也对主動物体施加一定的力，但是被动物体施加的力只是为了阻挡主动力，因而其大小也小于主动力。

3.关于重力

①重的物体下落得快。题1有52.9%的初一学生和85.4%的初二学生选择答案A或D。题3有47.0%的初一学生和68.0%的初二学生选择答案C或D。可见，“物体越重下落得越快”这个自亚里士多德开始数千年被人们信奉为“真理”的误解，今天仍然普遍地存在于学生的前概念体系之中。而且，出乎意料的是，初二学生比初一学生更加根深蒂固！

②重力随物体下落而增加。题4有37.3%的初一学生和10.9%的初二学生选择答案B，认为小钢球下降过程中地球引力逐渐增加。题7有29.4%的初一学生和22.9%的初二学生认为石头加速下落，主要是由于它越接近地球，地球引力越大。

③大气压对重力有贡献。题7有37.3%的初一学生和33.4%的初二学生选择答案E，认为石头下落的主要原因是地球引力和向下的大氣压力的联合作用。在访谈中我们发现，许多学生认为大气压力与重力同方向，而且大气压力是单向作用在物体上的。

（三）统计结果分析

为了比较不同性别和不同年级之间学生对力学概念的掌握情况，我们对每位学生的成绩进行了统计，全部数据用SPSS19.0统计软件包进行处理，结果如下：

从以上统计结果可以看出，初一男女生的得分数在0.01显著性水平上有显著区别，初二男女生的得分数在0.05显著性水平上区别不显著，初一初二两个年级的得分数在0.01显著性水平上有显著区别。

三、概念矫正策略

本研究的探查结果支持了学生进入物理课程学习之前已经拥有很多与科学概念相矛盾的观念的研究结论。调查还反映出，传统教学在促进前概念转化为科学概念方面所做的工作是低效的甚至是失败的。因此，在进行科学概念教学之前，必须根据有意义学习理论，在了解学生原有认知水平的基础上，采用合理的教学手段，促使学生有效地转变错误的物理前概念，进行有意义的学习。

1.进行教学前测

学生头脑中的前概念是在潜移默化中形成的，具有隐蔽性，平时一般不会清晰地呈现在脑海里。因此，在教授新概念之前，教师应采用诊断性测试等方式，了解学生对物理现象的经验认识。这样做对教师的“教”和学生的“学”都有重要意义。对于“教”的意义，可以用奥苏伯尔的一句名言来概括，“如果我不得不把全部教育心理学还原为一条原理的话，我将会说，影响学习的最重要的因素是了解学习者已经知道了什么。”只有充分了解学生的认知结构，尤其是了解学生对与新概念有密切关系的已有概念的认识情况，才能选择有效的教学策略和方法进行有的放矢的教学。对“学”的意义在于，一方面，通过教学前测能激活学生的经验图式，让它从隐蔽之处呈现出来，这样就为概念的重新建构提供了基础框架，以避免在大脑一片空白的情况下进行无意义的接受学习。另一方面，若进行教学前测并及时反馈，能够有效地激发学生的学习动机。学生平时习惯于用经验图式进行问题解决，前测所给的反馈结果会使学生对一些司空见惯的物理现象感到困惑。凭借经验图式进行问题解决所导致的失败促使他们迫切地想知道原由。此时大脑无比兴奋，内在的学习动机非常强烈，在这样的氛围中，教师再绞尽脑汁地要求学生注意力集中，认真听课认真思考就完全没有必要了。

2.组织情境教学

让学生在与实际情况相类似的教学情境中修正错误想法是帮助他们获得科学概念的最佳途径。学生的前概念大多是在生活中建立起来的，以真实问题作为教学实例，能使他们产生真实感和亲切感。实践证明，教学中用以下的思路来解决真实性任务能有效地转变前概念：选择真实性任务或创设类似的情境；让学生根据自己的理解，预测实验或问题的结果；让他们用自己的前概念对现象进行解释，并为自己的前概念进行辩护，从而引起思维结构发生冲突，并强烈意识到前概念的存在；教师在适当时机进行参与，并步步引导他们用正确的物理概念来解释问题。如果急于求成，一下子就让学生面对课本上的“真理”，教学效果往往适得其反。

3.开展合作学习

每个学生都在以自己的经验为背景建构自己对事物和现象的理解，因此只能理解到事物的某些方面，不可能获得全面的理解。合作学习可以克服个体知觉系统的局限性。通过交流与讨论，每一位学生都能获得他人对某一物理现象的独到见解，并了解产生不同见解的经验基础，从而超越自己对物理现象的一些狭隘的认识。而且，在合作学习中，每个学生都是积极的参与者。在自由平等、相互信任的气氛中最适宜表达各种荒诞的观念，这些荒诞的观念往往是互相矛盾的。激烈的争论和积极的思考会促使他们认识到自己原有认识的片面性和不合理之处并萌发一些新的猜想，这些猜想往往已经走近真理的边缘。

4.重视探究与体验

概念的形成和发展过程对于每个学生来说都是不一样的，因此，在教学过程中要尽可能地让每个学生依据自己独特的发展方式进行物理概念的学习。探究式教学能为学生提供各种形成概念的途径，满足每一个学生自主学习、探究问题的天性。学生可以从所要探究的概念出发，通过阅读课本或查阅有关资料或与同学老师之间的相互交流，收集有关的材料，通过自己对材料的分析提出主观的猜想并亲自动手设计实验来进行验证。在探究过程中，通过丰富的体验和感悟逐步纠正一些错误的观念和看法，获得科学概念。

参考文献：

[1]D. Hestenes. Force Concept Inventory[J]. Phys. Teach.1992（30）：141-158.

[2]施良方.学习论[M].北京：人民教育出版社，1994.

编辑 孙彦君