解构“迷思概念” 建构科学概念<br/>——以《摩擦力》的教学为例

解构“迷思概念” 建构科学概念
——以《摩擦力》的教学为例

2023-06-01浙江省杭州市紫金港中学

教学月刊（中学版） 2023年13期

李成|浙江省杭州市紫金港中学

概念是科学教学的重要基石，但因为定义比较抽象、不能直观感受，学生往往会对其产生“迷思”。这种“迷思”会对概念的准确建构产生很大的干扰，而普通的概念教学方式却很难更新学生的“迷思概念”。因此，要将“迷思概念”转变为科学概念，教师就需要了解“迷思概念”的成因，再有针对性地使用合适的教学策略。下面，笔者以浙教版义务教育教科书《科学》七年级下册第3章第6节《摩擦力》的教学为例，探索解构“迷思概念”、实现概念转变、建构科学概念的策略。

一、“迷思概念”成因分析

在概念教学中，教师要根据学情对“迷思概念”产生的原因进行深入细致的剖析，如此才能采取合理的策略展开教学活动，使学生体会到新概念的合理性、可以理解以及确实有效，帮助学生解构“迷思概念”，从而建立起科学的概念。“迷思概念”成因如下。

（一）概念要素较为复杂

教材对“摩擦力”的定义是：当一个物体在另一个物体表面上运动时，在两个物体的接触面上会产生一种阻碍物体相对运动的力，这种力叫作摩擦力。同时，教材中设计了筷子提米实验，这表明两个相对静止的物体间也能产生摩擦力，即静摩擦力。因此，摩擦力的定义中应补充“相对运动趋势”这一条件。由上述分析可知，摩擦力概念中既包括“运动”“相对运动”“阻碍”三个要素，又隐含“滑动摩擦力”“静摩擦力”两个概念，而“运动”和“相对运动”需要选定参照物，对“阻碍”的理解又需要建立在能准确辨析前两个要素的基础上。因此，摩擦力是一个要素较为复杂的概念。

（二）概念定义过于抽象

“摩擦力的方向”在教材中的定义是：摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反。学生对运动和静止的理解停留在以地面为参照物上。何谓“相对运动”？“相对运动”应该以什么物体为参照物？对这些比较抽象的问题，学生不易理解。教材中没有给出“相对运动”的明确定义，因此学生也不容易厘清“与物体相对运动的方向相反”的这个摩擦力方向的判定。

（三）适用条件不够明确

通过实验，教材给出了“摩擦力大小”的定义：当一个物体在另一个物体的表面上滑动时，摩擦力的大小跟作用在物体表面上的压力有关，还跟接触面的粗糙程度有关，压力越大，接触面越粗糙，摩擦力越大。很多学生没有重视定义中的“滑动”这一条件，不清楚这一结论只适用于滑动摩擦力，而不适用于静摩擦力，在分析具体问题的时候也没有区分滑动摩擦力和静摩擦力的意识。

（四）生活经验和其他概念干扰

在学习摩擦力这个概念之前，学生已经学了机械运动、力的作用效果、牛顿第一定律、二力平衡等概念。机械运动一般选择地面为参照物来判断物体的运动状态，而摩擦并不是全都发生在物体与地面之间，那么应该怎样选择参照物呢？这个问题会困扰学生。学了“力的作用效果”，学生知道力是改变物体运动状态的原因。学了“牛顿第一定律”，学生又会知道运动是不需要力维持的。但是，在学生的生活经验中，并不存在“不受力的物体能一直运动”的情况。还有平衡力和相互作用力的辨析也是难点。这些概念都会对学生理解复杂的摩擦问题（如叠块问题）产生很大的干扰。如果没有厘清这些概念间的联系和差异，学生很难建构完整的摩擦力相关概念组。

由上述分析可知，引起摩擦力概念“迷思”的原因是复杂的，在教学过程中，教师只有准确辨识学生的“迷思”成因，并有针对性地使用适切的教学策略，才能帮助学生建构好摩擦力的科学概念。

二、概念教学框架建构

通过分析教材、课标、学情等明确了“迷思概念”的成因后，教师需要根据学情，对破除这些成因的难易程度作出准确的预判，将“生活经验和其他概念干扰”成因提前，再依次对“概念定义过于抽象”“适用条件不够明确”“概念要素较为复杂”等成因设计对应的突破性教学环节，以基于体验引发冲突、基于实验创设情境、基于问题链引导思辨、基于模型拓展应用等为策略，采用巧变生活情境、“直观”呈现概念、设置易错问题串、精选典型情境等方法，逐一破除学生的“迷思”，然后利用PTA量表对学生的学习效果进行检测。这既能为后续教学提供方向，也便于教师及时调整教学重点和教学方式。

当然，要确定概念教学的框架，教师除了要分析“迷思概念”的成因外，还需要引发学生的认知冲突，解构“迷思概念”，帮助学生解决认知冲突，实现概念转变，建构科学概念。波斯纳等学者给出了四个关于概念转变的基本条件：（1）对已有概念不满；（2）新概念的可理解性；（3）新概念的合理性；（4）新概念的有效性［1］。其中，对现有概念产生不满是概念转变的前提，只有当一个概念失效时，学生才会产生概念转变的动机［2］。笔者由此得到启发，设计了如图1 所示的由解构“迷思概念”到建构科学概念的概念教学框架。

图1 由解构“迷思概念”到建构科学概念的概念教学框架

三、概念教学实施策略

基于上述分析，结合具体的教学实践，在《摩擦力》的教学中，笔者采取了如下策略。

（一）基于体验引发冲突，解构“迷思概念”之不足

为了帮助学生建立正确的科学概念，教师应采取一定的方法，比如直接呈现反例法、演示法、合作学习法、探究性实验等，引发学生的认知冲突，瓦解学生错误的已有概念。比如，学习摩擦力之前，学生已经学习过重力、支持力、压力等概念，而摩擦力的学习是建立在这些概念的基础之上的，但是这些概念又会对摩擦力概念的建构产生一定的干扰。在教学中，笔者以实践法和直接呈现反例法相结合的方式，帮助学生意识到“迷思概念”的不足。

【教学片段1】活动：比一比谁的力气大

课前引入活动：有意识地选一位女生和一位较为强壮的男生进行提拖把比赛，事先在男生的拖把上涂抹洗洁精。要求只能用大拇指和食指将拖把提起悬空，谁能成功谁就赢。女生可以轻松提起，而男生却没办法提起。强烈的反差对比，让学生感受到提起拖把的力不是握力（压力）。随后，笔者告诉学生该男生提不起拖把，并不是握力（压力）不够，而是接触面有润滑剂，这使摩擦力减小了。

设计意图：通过活动，学生能意识到摩擦力和握力（压力）是有区别的，两个物体间有挤压、接触面粗糙是产生摩擦力的前提条件，摩擦力的方向和压力是不同的。这为摩擦力后续概念的学习奠定基础。

分析：学生混淆摩擦力和压力，是源于其生活经验（如认为是自己的握力把拖把提起来的），这是典型的因“生活经验和其他概念干扰”而产生的“迷思”。既然是来自于生活经验的“迷思”，自然应再次回归生活中去“释迷”。于是，笔者通过巧变某些因素（如对上述教学片段中的活动使用“减少摩擦”这一条件），让学生自己在生活中体会到“迷思概念”的不足，进而推翻自己原有的错误认知。教学完成后，教师可通过PTA 量表（详见表1）来检验学生的掌握情况，为后续教学提供方向。

表1 摩擦力概念掌握情况PTA检核量表

（二）基于实验创设情境，认识科学概念之合理

当新概念与学生原有认知不符时，教师若只是机械地灌输概念的定义及使用场合，则很难粉碎学生的错误认知。比如对于摩擦力方向的判定，教材的描述为“与物体的相对运动方向相反”。由于机械运动中通常选择地面作为参照物，而这对学生的具体学习会产生影响，因此教师需要创设适切的情境，在分析中帮助学生认识在摩擦力方向的判定中应怎样选择参照物，从而判断出相对运动的方向。

【教学片段2】活动：摩擦力方向的判定

师：将刷子轻压在平铺于桌面的毛巾上，左手持刷子保持静止，用右手向右抽出毛巾。观察刷毛的弯曲方向，判断刷子所受摩擦力的方向。

生：刷毛向右弯曲，摩擦力的方向向右。

师：假如改用右手持刷子保持静止，用左手向左抽出毛巾，那么摩擦力的方向向哪一边？

生：刷毛向左弯曲，摩擦力的方向向左。

师：在这两次操作中，刷子都是静止不动的，为什么会受到摩擦力，并且摩擦力的方向还不同呢？

生：说刷子静止是以地面为参照物的，但刷子相对毛巾则运动了。

师：非常好，那么请同学们总结一下，在摩擦力的问题中我们该如何判断相对运动，从而准确地判断摩擦力的方向。

设计意图：通过上述活动，让学生在自主归纳的基础上及时进行评价整理，厘清相对运动应该以摩擦力的施力物体为参照物，相对于该参照物，研究对象向哪一侧移动或者具有向哪一侧运动的趋势，即可确定摩擦力的方向，由此准确理解“阻碍”的意义。

分析：学生难以理解“摩擦力的方向”，是因其定义涉及“相对运动”，这是典型的因“概念定义过于抽象”而产生的“迷思”。教学抽象的概念时，切忌一开始就纯作理论分析，教师要巧用身边物体或探究实验，将抽象的概念转变为直观可见的事物，让学生“看到”这些抽象概念，再结合理论来分析，学生就能理解新概念的合理性。教学完成后，教师可通过PTA量表（详见表2）来检验学生的掌握情况，为后续教学提供方向。

表2 摩擦力方向的判定PTA检核量表

（三）基于问题链引导思辨，体会科学概念之本质

教材中安排了“探究影响摩擦力大小的相关因素”活动，但未对摩擦力作明确说明，实际上这只适用于滑动摩擦力。此外，教材中也简单提及了静摩擦，对静摩擦力也有一定的要求。学生不能有效区分滑动摩擦力与静摩擦力，这导致其在课本实验结论的使用上出现混乱。因此，教师可以创造条件，引导学生展开辩论，联系之前所学的二力平衡等概念，体会两种摩擦力的差异，明确课本结论的适用条件。

【教学片段3】问题链：对摩擦力影响因素的辨析

原问题：用5 牛的力推讲台，讲台保持静止，讲台所受的摩擦力是多少？

问题1-1：改用10 牛的力去推，讲台仍然保持静止，此时它所受的摩擦力又是多少呢？

问题1-2：压力和粗糙程度都没有变化，摩擦力怎么会变化呢？课本上的结论错了吗？还是你们错了？

问题2-1：在讲台上放一叠作业，仍用5牛的力推讲台，讲台保持静止，讲台所受的摩擦力是多少？

问题2-2：压力增大了，摩擦力怎么不变化呢？课本上的结论错了么？还是你们错了？

设计意图：创设两个真实的情境，引发学生的思考和辩论，使学生能够辨识压力和接触面粗糙程度的变化影响的是滑动摩擦力，而不会直接影响静摩擦力的大小，从而建立起任何科学原理和规律都需要在一定的条件和使用范围内才能成立的科学观念。

分析：学生在学完该课本实验后，会认为所有摩擦力大小都受压力和接触面粗糙程度影响，这是典型的因“适用条件不够明确”而产生的“迷思”。其实，很多科学规律需要在一定的条件下才能成立。教师需要巧设情境，从学生易错的角度出发，设置有效的问题或问题链，让学生在思辨中自己发现规律的局限性，进而理解规律所适用的条件和范围，建构正确认知。教学完成后，教师可通过PTA 量表（详见表3）来检验学生的掌握情况，为后续教学提供方向。

表3 摩擦力大小的判定PTA检核量表

（四）基于模型拓展应用，应用科学概念于实践

当摩擦力与物体的运动或作用力和反作用力相联系时，情况会比较复杂。解决此类问题，学生要能准确运用二力平衡或作用力和反作用力等概念。教师可通过一系列习题的剖析，使学生能合理地应用相关概念、步骤清晰地解决相关问题，并认识新概念的有效性、体会新概念的价值，进而主动地运用新概念去解决问题。

【教学片段4】叠块的受力分析

请分别画出如图2 所示的甲、乙两种情形中A、B 物块在水平方向的受力分析图。

图2 叠块的受力分析

设计意图：通过叠块问题的分析，让学生体会受力分析的难点在于摩擦力，帮助学生确定分析顺序，明确应根据已知力确定未知力，并且在切换受力分析对象时还要注意作用力和反作用力。如此，学生能更好地理解运动和力的关系、作用力和反作用力，知道摩擦力产生的条件之一是有相对运动或者运动趋势，从而不仅能从定义的角度认识摩擦力，还能运用二力平衡这个概念去解决摩擦力是否存在、摩擦力方向以及摩擦力大小等一系列与摩擦力有关的问题。

分析：多个物体的受力分析，往往涉及运动和力、相互作用力、摩擦力等多个概念的应用，比较复杂，学生普遍会感觉难以下手，这是典型的因“概念要素过于复杂”而产生的“迷思”。情况越复杂，越需要进行综合分析。这就需要教师精选某类习题或特殊情境，引导学生将已学过的相关知识应用于分析。在教学中，教师要关注学生的“迷思”点，给学生提供适当的支架，帮助学生在理解的基础上更娴熟地应用概念，进而促进对概念的深入理解。教学完成后，教师可通过PTA 量表（详见表4）来检验学生的掌握情况，为后续教学提供方向。