高中物理天体运动中的迷思探究

汪力

摘 要：本文从建构主义理论入手，分析了学生在解决万有引力定律问题中的迷思概念和规律，给出了教材编制和教师观念方面的建议，有利于改进教学和提升学习效率.

关键词：迷思概念;万有引力定律;匀速圆周运动;天体运动

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2020）22-0085-02

由于缺少实际的感性体验和客观存在的观察障碍，以及空间结构本身具有的运动性和大尺度等特点，导致学生在学习天体运动时对空间观念的建构产生各类“迷思概念”（Misconceptions），即学生在学习科学概念之前已具有的直觉知识与科学知识不符的概念.只有真正调查清楚学生在天体运动中有哪些具体的迷思概念，才能让学生在这种抽象的科学思维下建构正确的“科学概念”，才能更加有效的提升学生运用天体运动规律解决问题的能力.为此，笔者对存在于学生中关于天体运动的迷思概念进行了调查研究.

一、天体运动中的迷思概念

1.万有引力和重力间的迷思概念

（1）学生在初中阶段接触重力的定义，调查发现初中的试题导向以及教师在教授过程中会强调以下三点：一是强调“由于吸引而产生”的因果关系，为后期的高中阶段学习进行铺垫，二是强调重力的数值与地球吸引力一般不相等，三是强调方向是竖直向下，不是垂直向下.以上问题由于学生知识能力的限制，在初中阶段得不到合理的解释，只能通过训练来强化记忆.当学生进入高中阶段，能够理解重力是万有引力的分力，但由于学生一直是在地球上研究问题，已经习惯了身边的空间尺度以及对水平面的直观理解（如图1所示）.而现在需要在更大的空间尺度上（如图2所示）进行研究，但是在图2中，学生无法根据现有知识区分水平面、竖直向下、该点的切线方向、指向圆心的方向、垂直向下等方向，无法在两幅图中找到初高中对于重力在不同空间尺度下的联系.根据构建主义理论，学生无法将新知识与已经获得的经验进行同化，这是形成概念迷思的重要因素.

（2）在受力分析方面，由于学生空间思维能力以及空间尺度变化后的相互切换能力差，在图2的空间尺度下，学生很容易漏分析支持力，这也是为什么学生分不清赤道上的物体和近地卫星两者的线速度等物理量的比较关系.其次，教材中首先是从天体运动开始引入，万有引力的大小和方向与重力相同，在运算中相互替代，所以在分析赤道上的物体跟随地球自转的题目时，学生一方面习惯了地球是惯性系的这种错觉，得出重力等于支持力的方程，一方面考虑到地球自转的匀速圆周运动，得出万有引力充当向心力，误认为两个方程各自成立，也是将随地球自转物体的运动速度错算成第一宇宙速度的原因.

例题：同步卫星离地心的距离为r，运行速率为v1，加速度为a1;地球赤道上的物體随地球自转的向心加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球的半径为R，则下列比值正确的是（ ）.

A.a1a2=R2r2B.a1a2=rR

C.v1v2=RrD.v1v2=Rr

错解 学生在思考本道题过程中容易犯思维定势的错误，对同步卫星、赤道上随地球自转物体和以第一宇宙速度运行的卫星均用公式Gm1m2r2=m1a=m1v2r进行分析.

点评 本题中的同步卫星和以第一宇宙速度运行的卫星满足万有引力充当向心力的规律，运用公式Gm1m2r2=m2a=m2v2r进行运算，得到v=Gm1r，所以v1v2=Rr;而赤道上随地球自转的物体除了受到万有引力的作用外，还受到地面对它的支持力的作用，两者的合力充当物体做匀速圆周运动的向心力，需要运用公式Gm1m2r2-N=m2a=m2v2r运算，题给条件无法通过这个方程求解，但是赤道上随地球自转物体与同步卫星的共同特点是转动角速度相同，可以运用公式a=rω2进行比较，故a1a2=rR.

2.两个距离间的迷思概念

人们对于相近或相似的东西，总是容易混淆，比如我们在语言的学习中，不可避免地发现有些语言在发音、字形或者文法上十分相似，这给我们在学习过程中带来了许多疑惑和困难，尤其是对于刚开始系统学习语言的学生，无疑是增加了不小的难度.

粤教版、人教版、教科版三种版本出版的《普通高中课程标准实验教科书·必修·物理2》教材中对万有引力定律的定义均用r或R表示两物体间的距离或者两质量分布均匀的球体球心间距离.以上三种教材中对向心力的定义亦是用r或R表示物体做圆周运动时圆轨道的半径.万有引力定律和向心力隶属于两个完全不同的系统，当它们出现在同一种物理环境中时，表示不同含义的相同符号将会严重影响学生的辨别能力，引起针对符号概念本身的迷思观点.

以卫星运动为例，教材中的大量例题和练习都是卫星围绕中心天体的匀速圆周运动模型，所以双星系统和多星系统的题目出现时，学生的错误率非常高.主要原因就是把万有引力定律中的距离和卫星圆周运动的轨道半径当成同一个物理量带入方程运算.类似的例子还比如电动势E和电场强度E在含容电路中也经常被混淆.

二、迷思概念转变的建议

1.教材编制

建构主义理论作为我国基础教育课程改革的重要理论基础，其思想在教科书中应该有所体现.教科书在教学中占有极为重要的地位，它不仅是教师教学时的依据，也是学生获取知识的主要来源之一.因此，教科书在编制过程中不仅要符合课程的要求，还要充分考虑学生的已有知识和经验，力求转变学生错误的前概念.建构主义学习观认为学习是在学生已有的知识和经验的基础上进行的，已有的经验往往使学生形成了前概念.对于学生错误的前概念，如果不能及时予以纠正，将会影响学生对新知识的同化和顺应，从而阻碍学生的学习.针对那些容易使学生产生迷思概念的主题或者多数学生含有迷思概念的主题，有必要在教科书的编制过程中引入概念转变的思想引导教学.

2.教师观念

《标准》要求：教科书应为学生的自主发展创造条件，教师应该努力促进学教科书的直接联系，在教师的影响下，发展和丰富学习的内容，从而使学生真正成为学习活动的主人，进入自主学习的境界.这就要求教师要在观念上进行转变.教师首先要重视迷思概念，认识到迷思概念的存在，要充分地了解学生已有的迷思概念，把学生现有知识经验作为新知识的生长点，引导学生从原有的知识经验中建构出新的知识.

参考文献：

[1]蔡铁权，姜旭英，胡玫.概念转变的科学教学[M].北京：教育科学出版社，2009：63，73，226.

[2]邵立娟.基于建构主义理论的高中物理教科书分析[D].西安：陕西师范大学，2014.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准实验[M].北京：人民教育出版社，2003.

[责任编辑：李 璟]