基于POE 教学策略的高中物理力学迷思概念的转化路径

白 钰 程 琳

（渤海大学，辽宁 锦州 121013）

一、相关概念界定

（一）POE 教学策略

所谓“POE”教学策略其实是三个英文单词的首字母总称，“Predict”——预测；“Observe”——观察；“Explain”——解释，20 世纪80 年代时由美国匹兹堡大学研究而来。其本源是建构主义，并在概念转变、观察渗透理论等学术理论的基础上不断丰富，结合Champagne 与Anderson 的“DOE 策略”最终形成的一种演示策略［1］。其目的是使学生能深入地学习学习并运用科学的研究方法。POE 策略主要有三个阶段：一是预测。教师以问题创设情境，鼓励学生根据自身经验预测实验可能出现的变化及结果。二是观察。实验过程中组织学生观察现象，并进行记录。三是解释。如果预测结果与实验结果不完全一致，引导学生讨论、解释，通过认知冲突重建科学概念，错误的概念因此被改正了。

（二）迷思概念

“迷思概念”是一个由单词音译与意译结合而形成的词汇，将英文单词“misconception”分为两部分，取“mis”的音译、“conception”的内涵。“相异构想”是迷思概念最初的定义［2］，即学生获得错误认知的原因是他们在学习系统的知识之前，由于亲自观察与体验而形成与科学概念相悖的概念。而有些学者认为迷思概念就是前概念。事实上，不能模糊地将前概念指为迷思概念，“前概念”是指未经过专门学习，在与他人进行日常交际积累个人经验过程中掌握的概念［2］。

二、高中力学迷思概念分析

（一）高中力学典型迷思概念

时至今日，高中物理的力学部分迷思概念受到了国内外学者广泛的关注。通过阅读文献发现，高中学生在物理学习过程中存在的迷思概念主要体现在：直线运动、静力学、动力学、曲线运动等模块，笔者整理了高中物理力学中迷思概念，如表1 所示。

表1 高中力学典型迷思概念

（续表）

（二）高中力学典型迷思概念的成因

1.学生的感性经验与物理知识不一致

学生在实际生活当中会发现，当一个拉力作用在物体上，这个拉力指向哪个方向，物体运动的方向就会与之相同，这是常见的现象，像这种顽固的“直接经验”时常存在于学生的头脑中，就会导致学生在解决运动相关的题目时产生错误。对于物体的运动方向与受力方向的相关问题，学生总是主观地认为物体的速度方向与合外力的方向相同。例如，学生在做下面这道题时就会受到在日常生活中所得经验的影响。在一个光滑的水平面上静止一个物体，物体受到F 的作用开始运动，在时间t 内F 的大小保持不变，调整力的方向为反向，经过t 的时间，再将力反向……让学生尝试分析并解答物体的运动情形，学生能够轻而易举地回答出物体是往复运动的状态。学生错误的回答就是他们在日常生活中所得的经验而导致的，他们认为物体的运动方向总与外力的方向一致。而在解决这道题时，要运用图像法，即做出v－t图像（如图1所示），从图1 中可以看出，题目中所描述的过程中，物体的速度方向和位移方向始终没有改变，说明物体是向一个方向运动的，而不是做往复运动。

图1

2.教师的教学方式使用不当

如果由于教师的错误想法和不恰当的教学方式，过度强调某一现象和例子，就会导致学生产生迷思概念。很多有经验的教师会发现，学生在判断绳的拉力的方向和杆的弹力的方向时会产生迷思——绳的拉力不一定沿绳，杆的弹力方向一定沿杆。因此，有一些教师会列出如下两道习题，习题一关于绳的拉力，习题二关于杆的弹力。

［习题一］如图2 所示，一个小球悬挂在一个小车顶端。通过实验可以知道，小车做匀变速运动的过程中，悬线与竖直方向成某一固定角θ，而不是在竖直方向上，若小球质量为m，加速度为a，求悬线对小球的拉力为多少？

图2

［习题二］如图3 所示，一根杆上面有一重物A，此时重物受几个力的作用？杆对重物的弹力方向是怎样的？

图3

学生通过做以上两道例题会产生迷思概念：绳的拉力一定沿绳，杆的弹力一定沿杆。那么在做习题一时，教师可以引导学生对小球进行受力分析，小球受到重力和绳对球得作用力，在水平方向上可得：

在竖直方向上可得：

由（1）（2）可得：

则绳对球得拉力与竖直方向的夹角：

由以上分析可知，不管小车的加速度多大，绳对球的拉力方向始终沿着绳收缩的方向。

而习题二中重物受到两个力的作用，竖直向下的重力和杆对重物的弹力，弹力竖直向上，这道题就会让学生误解：杆的弹力方向一定沿杆，学生头脑中就会产生迷思概念。而在其他情形下，杆的弹力的方向有可能不沿杆，如习题三：

［习题三］如图4 所示，一弯折硬杆ABC 放置在小车上，一质量为m 的小球被固定在杆C 端，已知θ 恒定，当小车水平向右做匀加速直线运动时，问：小球所收到的BC 杆对它的作用力方向。

图4

对于习题三，可进行以下分析：

对小球进行受力分析，受到重力G 和杆对球的作用力F，在竖直方向上：

在水平方向上：

由（6）式可知，当加速度a=0 时，水平方向上的力Fx=0，作用力F 为竖直方向，当加速度a 趋近于无穷大时，Fx也趋近于无穷大，作用力F 则近似沿着水平方向，能够知道当加速度改变时，作用力F 的大小、方向也会随之改变，所以由此题可知杆对物体的弹力方向不一定是沿杆的。

由这一案例可知，教师在列举例题时要做到全面，预想学生容易产生错误的前概念。这一案例恰好说明了教师不恰当的教学方式。

3.教材内容的呈现不尽全面

有意义学习理论中强调过，学生在进行有意义学习的条件和基础是有效的学习材料，因此教材在学生学习的过程中不容小觑，这其中就包含内容的编制和逻辑的条理性，教材呈现了学生对于物理知识的掌握的重要参考标准。如果教材没有将全部的内容展示出来，那么学生就容易产生迷思概念。在高中必修二匀速圆周运动这一课，教材中对匀速圆周运动的定义为：“如果物体沿着圆周运动，并且线速度的大小处处相等，这种运动就叫作匀速圆周运动。”［3］学生学习这一概念时，会错误地认为匀速圆周运动是速度不变的运动，而实际上匀速圆周运动是速度方向发生变化的运动。这会使学生产生迷思概念，为了避免学生产生迷思概念，教材在课后习题中应该列举对于匀速圆周运动概念的理解的相关习题。

三、基于核心素养的POE 教学策略在迷思概念转变教学中的优势

POE 策略在迷思概念转变的教学过程中尊重学生的主观能动性，让学生在物理学习的过程中形成适应个人终身发展和社会发展所需要的正确价值观念必备品格和关键能力［4］，提升了学生的语言表达能力、交流合作能力、观察分析能力，培养了科学思维以及创新能力，提升了学生的物理核心素养。采用POE教学策略转化迷思概念原因如下：

（一）形成科学物理观念

学生在学习科学物理概念时，是建立在现有的认知水平上的，并且会受到现有思维水平的制约，所以他们对某些概念的理解与科学概念多少会有些偏差。使用POE 教学策略进行教学时，能够让学生形成科学的物理观念，对于学生的物理学科核心素养起着促进的作用。让学生将在生活中由于感性认识产生的迷思概念转化为正确的科学概念，构建正确的物质观念、运动与相互作用观念以及能量观念，形成科学的物理观念。［4］

（二）注重学生探究能力

运用POE 教学策略来转化迷思概念时的首要环节就是要创设情境，有趣情境的创设、探究式问题的提出能够激发出学生的物理探究思维、培养学生的科学推理能力，在此过程中可以判断学生拥有什么样的迷思概念，学生验证性地进行观察和讨论，如果学生观察到的现象与自身的迷思概念冲突，在讨论环节，便是对迷思概念进行认知结构上的调整，进一步提高了学生的科学探究才能，使得学生们的物理学科核心素养也得到了良好的发展。

（三）促进学生全面发展

学生在日常生活中会产生许多错误的前概念，并且非常隐蔽地存在于头脑中，所以在使用POE 教学策略的过程中，学生不仅要学会自我反思，认识科学本质，还要在进行小组讨论的解释环节，让思维得到碰撞，让真理越辩越明，学生的语言表达能力以及思维水平也能够得到提升，形成探索自然的内在动力［4］，在此过程中，学生形成带有物理学科特性的品质，得到全面的发展。

四、POE 教学策略对力学迷思概念的转化路径

在学习物理时，在不知不觉间学生就形成了迷思概念，这不但会影响学生形成科学的物理概念，而且长此以往迷思概念会不断增多。将迷思概念转变为科学的物理概念的方法就成了研究的重点，笔者认为，可以根据POE 教学策略来帮助学生转变。

（一）预测迷思概念

学生是带着对于物理现象的想法在课堂上学习物理知识的。但是高中阶段的学生思维能力不足，在观察现象时往往具有片面性，因此其在学习相关概念时并不能充分理解。

1.预判断了解常见迷思概念

在备课过程中，教师应对学生易出现的迷思概念进行预判。首先教师可以参考考纲中的考点；其次，也可回顾以往学生常在哪些知识点的学习上出现问题；最后，结合本班学生学习的实际情况进行重点备课。例如，在学习地球赤道上的物体运动特点时教师对学生可能会迷思的知识点进行了预判断：赤道上的物体只受到万有引力，不受到其他力的作用。实际上，赤道上的物体还受到地面的支持力。

2.利用导学案分析易错知识点

教师为了准确地考查学生，可以将知识划分为许多部分，形成一个能达到预测效果的导学案，教师可以通过审阅学生导学案的完成情况，评估每一小块的正确率以及完成情况，来判断学生是否做了充分地准备来学习本节课，找到已存在的迷思概念，从而有效转化学生迷思概念的方法就能被教师通过课前了解而找到。

3.制作概念图分析知识构建

学生可以在教师的引导下制作相关知识点的概念图，在概念图中能够发现出学生的知识构建情况。比如：如果概念图中没有体现出来的知识点，则说明学生对该知识点的科学概念没有掌握或忽略了。如果概念图中的知识点发生混淆，则说明学生在此处迷思了。此时，需要教师对学生进行引导，指导学生将知识点之间的逻辑关系梳理清楚，核心概念的迷思从而得到解决。

（二）观察实验现象

大量概念转变为教学存在于高中物理教学中，当教师和学生的所坚持的理念彼此不同时，就能使学生产生对原有概念进行进一步开发的想法，从而实现概念转变。学生了解对已有概念替换或调整的充分性会促进他们更加有效地转变迷思概念。

1.进行演示实验产生认知冲突

学生可以直接观察实验过程中的变化，并记录下变化，以此带来视觉冲击。当学生发现实验结果与预测不相匹配时，他们就会产生更加强烈的认知冲突，从而激发出探索意识，确立正确的科学概念。例如，在自由落体运动的学习中，有部分学生会结合在生活中的感性经验知道“重快轻慢”这个结论是错误的。即使已知其概念错误，学生依然会迷思，比如在人们的印象中，铁和羽毛的质量差距很大，便认为铁下落的速度一定大于羽毛的速度。此时，牛顿管这一演示实验可以引导学生形成正确的概念。引导学生观察当管内接近于真空时，二者的下落速度近似相同的。以上实验可使学生产生认知冲突，结合实验现象，使学生构建正确的自由落体概念。

2.创设问题情景产生认知冲突

学生的相异构想也大都来自生活的感性认识，比如学生通过拔河比赛就会认为若一方的拉力F1大于另一方的拉力F2，则F1一方就会获胜，所以想要改变学生头脑中的顽固的错误概念，就要让学生处于生活环境的情景中，并通过分析拔河的两边整体所受到的两个力，即两边的拉力和脚所受的摩擦力，而且要让学生知道一根绳上的两个拉力是相等的，那么在拔河比赛中，若一方A 所受到的摩擦力大于另一侧B 的摩擦力，则A 获胜，以此增加学生的切实感受与感性认识，加深学生的印象，让学生头脑中形成正确的科学概念。

3.学生分组实验产生认知冲突

学生之间通过团队协作，齐心协力完成相互了解，达到交流的目的。合作学习方式其中之一就是学生小组，这一方式能够使学生们相互促进从而建构科学概念，因此教师在了解学生迷思概念的基础上，尝试将具有不同物理迷思概念的学生分到同一组，让他们进行小组实验，观察实验现象，得出结论，在整个实验过程中具有不同迷思概念的同学引发认知冲突，一起讨论。这个方法能使学生主动找到对原有概念的误解。

（三）解释认知冲突

1.学生解释找到问题突破口

在物理教学过程中，当学生遇到疑难问题时教师会向学生解释说明，实际上学生自己作出解释也是不可缺少的。当学习者遇到迷思概念时，教师可以引导学生自己采用解释的方法来找到构建概念时出现的问题，学习者就能发现攻破问题难关的方向，从而帮助学生解决迷思的知识，建构起科学的概念。例如，在学习“加速度与力的关系”的探究实验时，如图5 所示，当人施加一个拉力F 作用在物体A 上，分析绳的拉力，学生往往会认为物体A 所受到的绳的拉力就是所给出的拉力F，当用一个物体B 代替拉力F 的时候，学生往往会认为物体A 所受到的绳的拉力就是物体B 的重力。遇到这种情况，教师可以做如图6 所示的实验，学生可以观察到图6 的弹簧测力计的示数不等于物体B 的重力，可做如下分析：

图5

图6

由（7）（8）可得：

由以上分析可知，当用一个物体B 代替拉力F 的时候，两个物体同时做加速运动，物体A 所受到的拉力：

可见，不等于物体B 的重力。

因此当拉力F 被物体B 所代替时，两个物体同时做加速运动，物体A 所受到的绳的拉力不是物体B 的重力，此时预测结果与真实情况产生了“冲突”，这种“冲突”让他们产生质疑，经小组讨论并推导，调和冲突，逐渐转变顽固的错误前概念。最后教师再进行引导和解释，对概念形成正确的认识。

2.学生合作反思迷思概念

通过学生之间的合作学习，能够创设一个愉快的学习氛围，学生可以畅所欲言，相异的观点擦出火花。当某一同学所持的观点得不到其他人认可时，发言者就会对自己的解释或预测进行详细检查，依靠突破原本认知的观念获得新的知识、看法来获得学生们的赞同。在打破与重铸的过程中会让学生的思维一步一步发散，对固有的想法和理解进行自我修订，从而实现迷思概念的转变。

3.学生推理归纳构建科学概念

该方法需要学生具有较强的逻辑思维，教师可以用生活中的物理现象使学生的思维观点进行放大，思考为什么会产生迷思概念，从现象到本质，促进学生进行归纳、推理、反思，从而确立科学结论。例如，教学“力的合成与分解”时，学生会产生“合力一定大于分力”的迷思概念。教师可组织学生通过使用弹簧测力计进行实验，两个力大小相等，夹角为120 度，让学生利用平行四边形定则将两个力合成，学生合成后发现两个力的合力与两个分力大小是相等的，得出结论。此时实验结果就会与学生的生活经验产生冲突时，促使学生在观察、猜想、实验、验证的过程中掌握合力与分力之间的关系的科学概念。

五、结语

本研究在教学实践中，虽然对于高中生力学迷思概念的转化有一定的作用，对实践教学有一定的借鉴意义，但研究还存在以下不足：以POE 教学策略为根本，对高中物理中力学部分易出现的迷思概念制定了转化策略。但在实际的教学实践中会出现一些意外情况，比如，实验演示的过程操纵不当，抑或者可能学生不能客观地诊断自己掌握的知识导致他们在制作概念图的时候不能真实地反映他们的学习情况，这就导致教师在了解学生出现的迷思概念时具有片面性，因此就会导致教学效果不显著。基于以上问题，基于POE 教学策略对迷思概念的转化路径具有进一步研究与优化的空间。