高中学生物理前概念中相异构想的成因及矫治策略

周洪池 管光华

(1. 江苏省建湖高级中学，江苏 建湖 224700； 2. 江苏省上冈高级中学，江苏 建湖 224731)

高中学生物理前概念中相异构想的成因及矫治策略

周洪池1管光华2

(1. 江苏省建湖高级中学，江苏 建湖 224700； 2. 江苏省上冈高级中学，江苏 建湖 224731)

因错误前概念而形成的相异构想使不少高中学生感到物理难学,分析错误前概念形成的原因,了解相异构想的性状,利用逻辑推理、分析比较、实验体会、规范表达等策略,让学生经历认知顺应同化过程,可有效矫治因前概念形成的相异构想．

前概念；相异构想；成因；策略

1 引言

概念是人类在认识自然的过程中,从感性上升到理性，把所感知的事物的共同本质特点抽象出来,加以概括,形成思维体系中的基本构筑单位．认知过程中由于某种原因的积淀形成了一些是非不定的前概念．初中学生错误前概念形成的主要原因是生活经验,而高中学生除来源于生活经验外,还有来源于初中学习时留下的隐性错误前概念,经历了次生过程．因此高中生错误前概念具有多样、复杂和顽固的特点,引发形成不同形式的相异构想．

建构主义认识论认为,学习过程不是简单地输入和储存信息的过程,而是主动地将原有经验和新信息进行对比、分析、批判、选择和重建的过程．建构的过程是同化和顺应,当新知识与原有知识结构和思维方式相符时就被同化,否则就会被排斥,当然也可能经修正、重组后再吸收．由皮亚杰的认知发展理论可知,同化是引起认知结构量的变化,而顺应是引起认知结构质的变化,顺应的难度远大于同化．高中学生虽然具备了一定的批判精神和科学的逻辑推理能力,但由于自我控制意识能力存在差异,固有思维方式根深蒂固,在建构过程中难以超越原有构想．

多数教师将高中学生的错误前概念理解成学生个体能力存在差异,没有及时采取矫治措施,日积月累使得一大批高中学生物理成绩不能提高．因此研究和矫治因错误前概念而产生的相异构想是高中物理教师面临的一个极有价值的问题．

2 高中生错误前概念造成相异构想的原因分析

2.1 直觉印象根深蒂固

我们每天都看到太阳从东方升起西方落下,不可能从直观认识到地球绕着太阳转．不经过“月亮绕着地球转,地球绕着太阳转”的强力灌输,很难自觉认为地球是绕着太阳转的?因此,地心说在人们的头脑中是根深蒂固的．在一次高中物理教师基本功竞赛中,笔者让选手回答同步卫星的周期是否为24h,选手非常肯定地回答“是”,其实他的回答也是停留在地心说基础之上的,没有注意到太阳日与地球日的区别．由此可见高中物理教师潜意识的“地心说”错误前概念也较为根深蒂固．

2.2 初中形成隐性错误前概念的延伸

初中学习电学时,部分学生会形成“电流流过电阻时会被消耗”的相异构想,进入高中要求计算串联电路通过各电阻的电荷量时,这些学生就产生了“电荷量按电阻分配”的相异构想．又如,初中有部分学生形成了“滑动变阻器中电流方向与滑片移动方向有关”的相异构想,到高中后不会分析电流的方向了．

2.3 初、高中认知衔接不当引发相异构想

初中生根据二力平衡的知识,形成了竖直向上的拉力等于吊起重物的重力的初步构想．到高中探究物体加速度与力、质量关系时,教材中设计了用重物拉动小车的实验,事先平衡了摩擦力,并控制小车的质量远大于重物的质量,即可认为小车受到的合外力近似等于重物的重力．学生在初中形成的构想更深刻了,即使后面再学习超重和失重,这种构想也很难纠正．

2.4 因字生意形成错误前概念

运动学中加速度的概念比较难理解,它是速度随时间的变化率．从“加速度”的字面理解这个概念更加困难,多数刚上高中的学生总错误地将加速度理解成增加的速度,原因就是这个概念名称中的一个“加”字刺激着他们,形成了深刻的错误前概念．

2.5 解题不严密形成相异构想

教师为了节省时间,在板演时总会跳过原始公式直接写出推论．这种一步到位的写法使学生养成不按“理”列式的坏习惯．解题过程中大量使用“二级结论”使学生产生依赖思想,认为只要记住结论就能解题了．事实上解题过程应该是根据题目的意思,依据概念、定理、定律逐步求出结果的过程．

2.6 主观臆断形成相异构想

物体A叠放在B上,B放在水平面上,当用外力拉A时,学生总认为只要拉力大于A、B间的最大静摩擦力，两个物体就会发生相对滑动,而不考虑下面B物体的运动情况．判断运动员匀速爬杆时,学生认为匀速上爬时运动员受摩擦力向下,匀速下滑时运动员受摩擦力向上,主观臆断的凭据是摩擦力的方向与运动员的运动方向相反．

2.7 认知层次达不到要求形成相异构想

中学阶段学生对力的概念理解呈螺旋上升的趋势．初学时认为力就是“推、拉、提、压”;后来又知道力可使物体发生形变;是改变物体运动状态，产生加速度的原因;还存在场力、分子力和核力，最终归纳出4种相互作用.而理论物理定义为力是物体动量的变化率．力的概念比较抽象,经过具体到抽象再概括的过程,在这个过程中学生会产生各自的相异构想,形成阶段性的错误前概念．

在建构概念的过程中,无意间在大脑中丢下一粒错误的种子,在条件适当的情况下就会生根发芽,形成形式各异、是非不定的前概念．物理学史中的大量事实证明,人类认知自然经历的过程也是这样,错误认知在不断地接受新事实的批判,然后再重新建立新的概念和构想．

3 矫治错误前概念中相异构想的策略

3.1 发现错误前概念是矫治的前提

矫治错误前概念的前提是要让学生明白自己的认知是错误的．“滑动变阻器中电流方向与滑片移动方向有关”的相异构想是极少数的现象,我们只要追问一下“为什么”或许就可以解决．由于学生错误前概念暴露的机会比较少,因此发现得越及时越好．开展小组合作学习,组内同伴相互交流时可以使隐蔽的错误前概念显露出来,学生发现自己的认知与别人不同时就会产生认知冲突,引发思考后经过顺应过程形成正确的认知．因此,小组合作学习方式矫治学生相异构想的效果比较好．

3.2 调整教学顺序抑制相异构想

学习牛顿第二定律时,首先要求探究物体加速度与力、质量的关系．为了简便,教材用重物对绳子的拉力来代替小车受到的合外力,如图1所示．于是学生产生了竖直方向悬挂重物时绳子拉力等于重物重力的相异构想,根本不去理会小车的质量远大于重物质量的实验条件．实际教学过程中我们先对实验装置进行了调整,在小车左端加接一只力传感器显示力的大小,当平衡摩擦力后,学生很容易接受力传感器上显示的就是小车受到的合外力．学习超失重和连接体问题后,再回头梳理教材提供的实验方案,并推导只要小车的质量远大于重物的质量时,重物的重力就可以近似替代小车的合外力．通过调整教学顺序,淡化错误构想,使学生认知清晰．

图1

3.3 利用逻辑的力量冲击错误前概念形成新认知

图2

从错误的概念或构想出发,推导出相互矛盾的结果,可矫治因错误前概念而产生的相异构想．伽利略利用逻辑的力量,有效地矫治了重物越重下落越快的错误认识．在学习静电感应时,不少学生认为哪里有电荷,接地时此处电荷就会流入大地．如图2所示,枕形绝缘导体AB靠近带正电的小球C,A端感应正电荷,B端感应负电荷．用手触摸枕形导体B端时,有学生认为B端的负电荷通过人体流入大地,使枕形导体带正电．枕形导体处在C的电场中,表面是等势面,感应电荷的电势能为0,当用手触摸B端时,有电流流过人体,消耗了电势能,触摸后枕形导体带上了正电荷,与C构成的系统电势能大于0．能量增加了,莫非是永动机?通过逻辑推理让他们感到认知错误,然后进行正面的讲解,错误前概念得到良好的矫治．

3.4 同化和顺应过程矫治相异构想方法比较

图3

如图3所示,物体A放在B上,B放在光滑的水平面上,要用多大的拉力两物体就会发生相对滑动?

对上面的问题,设计两种方案,对“只要水平拉力大于A、B间最大静摩擦力,A、B就会发生相对运动”的相异构想进行矫治．

3.4.1 重复运算,以同化过程矫治相异构想

设mA=6kg,mB=2kg,A、B间动摩擦因数μ=0.2,g=10m/s2．水平向右拉A物体的力为多大时A、B两物体发生相对滑动?

假设两物体间的最大静摩擦力足够大,作用在A物体上的水平拉力取不同值时,求出两物体间的静摩擦力Ff,如表1.

表1

A、B间能产生的最大静摩擦力等于滑动摩擦力Ffm=μFN=μmAg=12N．从表格中可以看出只有当作用在A物体上的水平拉力达到48N时,A、B间的摩擦力才达到最大静摩擦力．当作用于A上的水平拉力为12N时,A、B间的摩擦力才为3N,这个静摩擦力比A、B间的最大静摩擦力小,所以A、B不会发生相对滑动．

经过重复多次的类似计算,认知逐渐在同化过程中构建,相异构想得到矫治．

3.4.2 实验体会,以顺应过程矫治相异构想

实验器材是两本厚薄相差较大的书,将两本书叠放在比较光滑的桌面上,用水平力拉其中的一本书,要求将两本书拉分离，实验结果如表2.

表2

实验结果表明,薄书在上厚书在下时拉薄书非常容易使两书分离;厚书在上薄书在下时拉厚书,下面的薄书随上面的厚书运动非常明显,要使两本书发生相对运动则非常难．通过实验体会和对实验现象的分析,多数学生能发现自己的构想存在问题．实验是对错误认知顺应过程的基础,是矫治相异构想的有力武器．

3.5 养成“抠理”和规范表达矫治相异构想

对字意理解时要对字意作出合理的解释,加速度中的“加”、楞次定律中的“阻碍”、过程量的“增量”与“变化量”、功和能中“能”等字词的意义,可通过讨论、查字典的形式辨别．在物理学科中相同的字眼表达的意义也不相同,湿度和相对湿度的区别,就不能类比于高度和相对高度来理解了．结合能、比结合能相差在“比”上,意为“平均”而不是比值．对一些定理,教师甚至要把主谓宾、定状补成分“抠”出来细分析．在学生看来物理教师的“抠”是没有必要的,但教师不“抠”,学生就会形成零碎而复杂的错误认知．“抠”可以将道理讲得更明确,减少相异构想．

计算物体在水平面上运动受到滑动摩擦力时,总是一步到位地将表达式写成Ff=μmg,学生会将物体在斜面上运动时滑动摩擦力表达式也写成Ff=μmg,随意简化导致了相异构想的产生．所以在摩擦定律教学时,要求学生先写Ff=μFN,再将FN的表达式写出来,最后求解滑动摩擦力．学生对教师的这种要求往往不屑一顾,但教师仍要坚持规范表达以达到防微杜渐目的．

生活和学习中无意间会在头脑中留下错误的种子而产生相异构想．如果在留下错误种子之前先将它转变成正确的种子,错误就不会发芽;发现错误种子发芽时及时清除,杂草就不会长大;杂草根深蒂固时斩草除根,正确的禾苗照样茁壮成长．矫治学生因错误的前概念而形成的相异构想,要让学生错误前概念显现出来,再利用逻辑推理、分析比较、实验体会、规范表达等策略进行综合矫治．高中物理教学中矫治前概念中相异构想是一个长期的、反复的、螺旋上升的过程．

1 夏海宁.前概念对物理概念学习的影响及其转化策略的研究[D].大连：辽宁师范大学,2011.

2 冯一冰，熊宝库.前概念对物理概念教学的影响及教学策略[J].物理通报,2004(2)：3-6.

3 李高峰，刘恩山.前科学概念的研究进展[J].内蒙古师范大学学报，2007(4)：62-67.

2017-04-25)