错误前概念的智慧突破

2018-04-25胡晓强

物理教师 2018年4期

关键词：惯性小球气泡

胡晓强

(平湖中学，浙江嘉兴 314200)

前概念是指人们在日常生活中通过经验性积累形成的一种概念,而错误前概念往往是学习者潜意识中的与科学理论相违背的部分,在物理学习中有负迁移作用.笔者就下列几种学生中常见的错误前概念类型为例,探讨如何智慧突破错误前概念,从而提高物理教学效果.

1 思维方法型

图1

案例1.如图1所示,用两根细绳AB和AC系一重为G的重物,两绳和水平线的夹角分别为α和β,其中α=30°,β=60°,求绳AB和AC的拉力F1和F2各是多少?

出乎意料的是,即使学生已经掌握了力的图示,对力的平行四边形法则也有了前期的学习,但学生脑海中潜意识里的前概念负迁移还是导致了多种意想不到的错误.

图2

图3

错误2:仍旧直接将绳长当做绳子拉力的大小,并“生硬”地作出所谓的平行四边形(如图3),再根据“平行四边形法则”以及几何关系，求解得F1=Gcosα，F2=Gcosβ这样的错解.

原来,大多数学生为了凑成一个平行四边形而盲目地构造矢量关系,出现这种问题的根源在于多数初学者都存在一些固化的思维方法型前概念错误,学生没有准确把握矢量思维和平行四边形法则,抽象思维薄弱,想当然地根据自己的潜意识理解解题,并且在分析问题时试图用模糊的前概念理解来填补自身能力上的缺失,从而造成认知偏差.

此时,教师应进行引导突破:大家都将AB和AC的绳长当作拉力F1和F2的大小,这样对吗?

学生甲:细想一下,感觉不对，假如保持其他量不变,增加绳长使B点无限向左侧移动,则绳AB将趋于无穷长,而根据生活经验,绳子的拉力根本不会无穷大.

学生乙:虽然绳AC较短,但感觉承受的拉力反而较大,若图1中绳AC趋于竖直,则重物重力将全部由绳AC承担.

教师实验突破:按图1结构准备实验装置,其中细绳AB和AC由承受力较弱的较细棉线充当,重物G由小沙桶代替.

教师缓慢向桶中注入细沙,学生凝神屏息、聚精会神地注视着实验进程,细绳AB和AC好比心弦一般扣动着学生好奇心,短的细绳AC突然断裂的一刹那,随着全班学生“啊!”的一声惊叫,“绳长当做拉力的大小”的错误认识顿时烟消云散.

图4

此时教师乘势分析：本案例为力的平衡中应用平行四边形法则解题,贴近我们的日常生活,对重物进行受力分析，根据三力平衡,F1、F2的合力与重物重力G等大反向,运用平行四边形法则(如图4),即可求解两绳上的拉力大小,即F1=Gsinα，F2=Gsinβ.由于有了先期的思维辨析和实验演示,学生对于此正确方法的理解掌握就显得易于接受,对于“绳长即为受力大小”的前概念错误突破也就水到渠成了.

教师在课堂上应重视学生将“绳长即为受力大小”的错误前概念,认真分析学情,用耐心和责任心去帮助学生克服局限的潜意识,不断创设思考讨论、情境实验等多种方式,引导学生逐渐适应矢量思维方式,帮助学生完成矢量思维这个华丽的转身.[1]

2 生活经验型

案例2.观看过山车视频(图5)——过山车是一项深受青年人喜欢的娱乐项目,相信不少学生也体验过过山车的惊险和刺激.视频结束后,学生意犹未尽,教师及时拿出好比是过山车轨道的实验装置(如图6),小球相当于过山车,现将小球从A处释放,让大家猜测一下小球能否到达与A点等高的B处?

图5

图6

过山车是学生感兴趣的内容,课堂结合过山车的视频及实验模型,有利于吸引学生对于问题的注意力,学生对感兴趣的问题自然会踊跃地表达自己的观点,这为问题的讨论做了很好的铺垫,大家讨论积极踊跃.

学生甲:小球在下滑的过程中机械能守恒,当小球达到最高点时动能为0,因此可以达到相同的高度.

学生乙:由于实际存在空气阻力,所以小球有能量损失,因此到达的高度比B处略低,但也相差不多.

教师适时进行实验演示:请甲同学上来操作实验,检验实验结果是否与自己的预测相同.结果发现小球没到达最高点就掉下来了,学生们的反应都比较惊讶.

教师不急于指出问题症结所在,索性放慢教学进度,让学生进一步自由讨论.

学生丙:摩擦力的因素肯定有,但由于该装置的摩擦力很小,而实验现象中小球很早就脱离轨道了,说明摩擦力不是主要的原因.

学生丙:以前遇到的伽利略理想斜面演示器模型(如图7),由于斜面与平面均光滑,忽略能量的损失,从左侧斜面A处静止释放的小球是能够到达右侧等高处B的.

图7

教师拓展:现在要使小球可以到达圆轨道的最高点,请同学们计算一下小球的释放点在哪?

学生甲:根据机械能守恒及小球最高点的速度可得

教师:请你上来做一下实验,从你确定的释放点释放,观察结果.

学生甲:实验结果表明小球能到达最高点.

由于其产生原因的复杂性,对于“生活经验型”错误前概念,要改变它并不容易,但我们可以通过创设特定的情境,采用适当的教学方法与策略,使学生在认识到原有概念的错误后能接受新的概念,最终达到转化错误概念的目的,同时也使我们的教学更加生动有效.[2]

图8

3 实际应用型

案例3.如图8,装满水的瓶子水平放置,瓶子内有一气泡,当瓶子突然向前运动时,气泡相对瓶子将如何运动?[3]

错误认识:初中已经学过惯性概念,瓶中气泡由于惯性,要保持原来的静止状态而“留在原处”,因此气泡相对瓶子将向后运动.

对学生来说,已有初中“惯性知识”的储备,简单不过的物理情境,相当熟悉的生活经验(实际汽车突然启动后乘客也是向后倒)等,导致学生几乎千篇一律地给出如此“标准”的结论.

此时,笔者意识到,接下来对学生错误认知的释疑,若仅从教师层面向学生点出题目的关键点“气泡质量小惯性小”,而不加以重点突破理解的话,学生对“惯性”的本质认知可能会停留在囫囵吞枣、一知半解的尴尬境地.

于是,笔者不急于用“惯性知识”解释分析,而是先设问:本题中的“气泡”与以往相比有什么“玄机”?

大家把目光重新回到情境本身,或若有所思,或窃窃私语,或交互讨论,进而伴随着一段短暂的沉寂后,一些学生纷纷恍然大悟:“水中气泡”的密度比水要小.

教师乘势追问:那“气泡”密度小具体会有什么表现形式呢?

学生甲:同样体积的“水泡”和“气泡”,因为“水泡”的密度大、质量大、惯性大,更容易保持原来的静止状态而留在“原处”,而“气泡”就被“挤”到了前面,因此气泡相对瓶子将向前运动.

学生乙:分析得很有道理,我们还可以用自己带的水瓶来实际演示验证.

说完,大家也都纷纷就将自己随身携带的水瓶横在课桌上快速前推,果然清楚地看到了气泡的前移，将整个课堂气氛推向了高潮.

图9

此时教师再乘势拓展:如图9,一只盛水容器固定在一个小车上,在容器中分别悬挂和拴着一只铁球和一只乒乓球,容器中的水和铁球、乒乓球都处于静止状态.当容器随小车突然向右运动时,两球相对小车的运动状况是怎样的?

学生几乎都得出了“铁球向左,乒乓球向右”的正确结论.

学生自主地经历以上物理情境的分析和讨论探究过程,对“惯性”的认知理解,肯定会透彻到位,原理也一清二楚,而其中起关键作用的因素,正是其中涉及的对学生已有前概念认知的思考、突破,这比单纯地将“惯性”知识理论讲解,“完美”地给出标准答案,不仅更符合学生的认知规律、更符合教育的科学性,而且能使学生更能全方位、融会贯通地来突破“惯性”认知的前概念错误,达到了“懂了一道题,就懂了一类题”的良好教学效果.