运用四阶段干预模式转变错误的物理前概念①——以“牛顿第一定律”教学为例

王慧娟 张金良 周鹏

(1. 扬州大学物理科学与技术学院,江苏 扬州 225000;2. 江苏省扬州中学,江苏 扬州 225000)

1 物理前概念与科学概念

根据心理学的观点,学习者头脑中的概念可以分为两类:科学概念与日常概念。科学概念是学生通过科学实践,经过教师的科学指导形成的正确概念,这一类概念通常是前人经过细致观察、大量实验以及逻辑推理而形成的概念,条理清晰、逻辑严密,经得起实践的反复检验。日常概念又称为前科学概念或前概念,是学生在系统学习科学概念之前,在日常生活中通过辨别学习、经验积累而形成的概念。

个体学习概念的方式主要为概念同化和概念形成，在物理教学中,科学概念是以科学实验、下定义等方式向学生揭示概念的内涵、特点、适用条件等,在此过程中学生将根据原有的认知结构,通过同化和顺应来理解和掌握新概念。而学生的前概念是在日常生活的实践体验中,通过自发归纳事物的共性而获得的概念,具有自发性。只要学生有机会观察、体验生活现象,就会产生前概念，学生的物理前概念具有以下特征：

(1) 复杂性。学生的前概念一般受其生活环境和思维方式等影响,不同学生的生活背景不同,将直接经验内化为概念的思维方式也因人而异,正如莎士比亚所说：“一千个人眼中有一千个哈姆雷特。”不同的学生对于同一个物理概念的前概念也有所区别。如对于惯性概念的理解,有部分学生认为物体质量影响其惯性大小,也有学生认为速度越大的物体惯性越大,还有少部分学生认为物体形状、运动状态等也是影响惯性大小的因素。

(2) 顽固性。学生的前概念是长期生活经验积累的结果,并在日常生活中不断强化,根深蒂固。不少学生即使在课堂上学习过正确的物理概念,依然无法扭转头脑中的错误前概念,如有些学生经过几轮学习之后依然认为惯性是一种力。

(3) 内隐性。物理前概念是学生潜移默化形成的,平时不会显现出来,但会对新的物理概念的学习产生较大影响。

(4) 双重性。学生学习物理概念之前就已经形成了丰富的前概念,这些物理前概念中有些是正确的,有些是片面的、甚至是错误的。正确的前概念有利于学生同化新的物理概念,错误的前概念则会阻碍学生建构科学概念。

2 错误的物理前概念的成因

导致学生产生错误的物理前概念的因素有很多。从学生方面看,其一是学生以偏概全的思维方式和先入为主的生活经验。学生往往是从生活中的某一片段的直接经验获得前概念,比如从“石头下落得比羽毛快”的现象得出“物体越重，下落越快”的错误前概念,这就是缺少严密的理论分析和逻辑推理,忽视了石头和羽毛受阻力作用的结果。其二是与其他概念联系失当，比如学生极容易将“惯性”与“力”建立不当联系,将“惯性”视为一种力。

从教师方面看,不管是职前教育还是职后培训,注重的都是教育学、心理学理论知识以及教学实践方面的技能,而对学生前概念的研究较少。部分教师对科学概念的理解也不到位,或者在讲解概念时采取了错误的方法,比如在讲解“电流”概念时类比“水流”概念，而不关注两个概念间的区别。在教学中,不少教师自然能意识到学生头脑中存在着错误的前概念,但在教学方式上往往采用“压制”或者简单地以科学概念“替代”前概念的方式,这样的做法不利于转变学生错误的前概念。

从教材方面看,现有的教材基本上只呈现科学概念,而对学生的前概念鲜少涉及。在解释科学概念时选取的例证也较为片面,如高中物理教材中对滑动摩擦力方向的表述为：“与相对运动方向相反”,但示例中大多是与物体的运动方向相反,这就容易使学生强化本来就有的“摩擦力的方向总是与物体的运动方向相反”的错误前概念。

3 四阶段干预模式简介

为了转变学生的前科学概念,北京师范大学丛新、曾琦在维果斯基、奥苏伯尔和皮亚杰等前概念研究的基础上,提出了“外显—冲突—澄清—练习”的四阶段教学干预模式，笔者尝试将该模式运用于高中物理教学，旨在转变学生错误的物理前概念。

第一阶段：外显。教师通过提问、实验等多种方式让学生积极讨论、交流,使学生错误的物理前概念充分暴露出来。这一阶段是针对前概念的内隐性和复杂性提出的,正是由于学生的前概念不容易暴露,所以教师才要通过多种方式使学生的各种错误前概念外显,继而进行后续的教学。

第二阶段：冲突。当学生错误的物理前概念充分暴露之后,教师有针对性地采取措施使其得到转变。前科学概念与科学概念之间有较大的矛盾冲突,而教学中的矛盾冲突往往能加深学生的印象,引发学生的思考。因此教师可采用与前概念相矛盾的反例，激发学生的认知冲突。

第三阶段：澄清。引发认知冲突不是目的,通过认知冲突引起学生对错误的物理前概念的质疑,接着通过实验、学生讨论、教师点拨等,让学生深刻认识到前概念中的不合理地方,澄清前概念，建构科学概念。

第四阶段：练习。最后，针对错误的物理前概念的顽固性,教师需要通过变式训练、情境模拟等方式,鼓励学生结合生活实例，解决多样化的问题,巩固和深化学生对科学概念的理解。

4 转变学生错误的物理前概念的教学案例

对于牛顿第一定律，学生在日常生活的经验中已经形成了顽固的前概念。在教学中,教师可以运用四阶段教学干预模式,转变学生错误的前概念,建构科学概念。

4.1 外显阶段

先让学生轻轻推动水平桌面上的文具盒并提出问题：“当有力作用在物体上时,物体的运动状态如何?当作用在运动物体上的力突然撤去时,物体的运动状态又将如何?”

接着利用多媒体展示亚里士多德的观点：“物体运动需要推拉等一些外界力量的支持,如果没有力作用在物体上,物体就会停下来”。

通过推文具盒的小实验，介绍亚里士多德的观点，让学生“有力作用在物体上,物体就会运动;没有力作用在物体上,物体就会静止”的错误前概念充分暴露出来。

4.2 冲突阶段

在这一阶段,先让学生推动水平桌面上的小球,比较与推文具盒实验的异同,再通过视频展示冰壶运动。被推动的小球即使撤去外力还是会继续向前滚动,运动的冰壶脱离运动员的手之后还能在冰面上运动一段距离。

推小球实验和冰壶运动的现象都与推文具盒实验现象有较大反差,这样的反差能够引发学生对“力与运动”的认知冲突,从而让学生对“有力作用在物体上,物体就会运动;没有力作用在物体上,物体就会静止”的结论产生质疑。

4.3 澄清阶段

充分暴露学生的错误物理前概念并引发学生对错误前概念的质疑之后,教师重现伽利略斜面实验(图1、图2)。让小球从左侧斜面某一高度下落,小球会滚上右侧斜面,如果没有摩擦,小球将到达同一高度。不断减小右侧斜面的倾角,小球仍然到达同一高度,但运动的距离不断增大。接下来引导学生进行合理的推断：“当右侧斜面变为水平面时,小球运动的距离将无限大,而不需要任何外力的维持。”通过“理想实验+合理推论”，推翻了学生头脑中“有力作用在物体上,物体就会运动;没有力作用在物体上,物体就会静止”的错误前概念。

图1

图2

接着教师通过多媒体展示笛卡尔的观点：“如果物体没有受到力的作用,它将继续以同样的速度沿着同样的直线一直运动下去,既不会改变速度的大小,也不会改变速度的方向。”

通过笛卡尔观点的介绍,进一步加深、强化学生的正确观点,并为牛顿第一定律的学习打基础,同时让学生充分了解前人探索自然的历程,从而培养学生敢于质疑权威、勇于探索真理的科学精神。

然后通过讲授法介绍牛顿第一定律：“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。”

最后解释推文具盒和推球实验现象出现反差的原因,在推文具盒实验中存在摩擦力,当撤去推力的一瞬间,摩擦力阻碍文具盒的运动,使文具盒的运动状态发生了改变;而推球实验中,摩擦力很小,可以忽略不计,撤去推力后,可近似认为小球在水平方向上不受力,将继续以这一速度作匀速直线运动。用科学的解释澄清了学生头脑中错误的物理前概念,说明了前概念的错误所在。

4.4 练习阶段

当学生建立正确的物理概念之后,引导学生总结亚里士多德、伽利略、笛卡尔、牛顿等物理学家的观点,并以微信群聊的方式(图3)让学生理清物理学家的观点,巩固认知。再通过两道变式训练,巩固学生对牛顿第一定律的掌握。

图3

5 结论

通过“外显—冲突—澄清—练习”四阶段教学干预模式,能够比较清晰地发现学生已有的错误物理前概念,并针对前概念制造认知冲突,使学生对自己的前概念产生质疑,再讲清正确的概念并解释错误前概念的不合理所在,最后通过总结练习等巩固学生对科学概念的认知。