對物理錯誤前概念特點的探究

摘 要:教學實踐證明，學生頭腦中錯誤的前概念嚴重干擾物理教學，是導致物理難學#65380;學生怕學的一個十分重要的原因#65377;研究學生的這種前概念的形成及特點，有助于預測它對教學的干擾并有利于尋找解決問題的有效策略，對于走出物理教學的困境#65380;提高物理教學效益，將會產生積極的作用#65377;

關鍵詞:前概念 廣泛性 頑固性 隱蔽性 特異性

引言

1903年，美國的霍爾啟動一個計劃，調查兒童對自然現象如熱#65380;霜和火的觀念，這是最早提出前概念的研究[1]#65377;20世紀70年代中期，西方國家一些從事科學教育的學者對學生的前概念迸行了大量的調查研究，取得了豐富的第一手資料和研究成果#65377;研究報告大多數來自美國#65380;英國#65380;法國#65380;以色列#65380;新西蘭#65380;澳大利亞及香港地區等[2]#65377;在上世紀80年代，前概念研究迅速擴展，1986年，德國不萊梅大學物理教育研究所的Horst Schecker做了“學生對力學的相異構想”#65377;這一時期還召開了多屆有關自然科學與數學教育中學生的錯誤觀念的國際研討會[1]#65377;在上世紀90年代后期，物理前概念的研究不斷發展#65380;不斷完善，尤其在分析#65380;研究學生在各個課題上的前概念方面已趨于成熟#65377;文章根據前人的研究成果，研究了學生的錯誤前概念的特點，這有助于預測錯誤前概念對教學的干擾并有利于尋找解決問題的有效策略，對于走出物理教學的困境#65380;提高物理教學效益，將會產生積極的作用#65377;

一#65380;關于“前概念”

現代教育學認為，不論是教師還是學生，在進行教學活動時，頭腦里并不是一片空白，他們通過以往的教學實踐或日常生活(例如初中學習#65380;影視#65380;書報#65380;與同伴交流#65380;親身實踐等)積累了很多感性知識與理性的認識，歷史地形成了對于教學諸多問題的思維方式和基本看法，無形中他們養成了獨特的思維方式#65377;有時這些思維方式和基本看法與正確的科學概念并無沖突[3]#65377;在物理學習中，這種獨特的思維方式作為一種“資源”，既可以成為錯誤概念產生的“溫床”，也可以成為科學概念形成的“胚胎”#65377;近些年，對于這種獨特的思維方式的定義(也就是所說的前概念)雖然討論較多，但對這一思維方式的定義卻不盡相同，至少存在狹義和廣義兩種理解#65377;狹義的理解是指當代著名建構主義認知心理學家奧蘇貝爾提出的“相異構思(二中擇一結構)”[4]，即學生在接受正規的訓練或學習以前就已經形成的錯誤的觀念或認識[5]#65377;也有研究者稱之為“民間概念(人們觀念)”#65380;相異概念#65380;相異構想#65380;錯誤概念或者日常概念[6]#65377;這種理解也常見于近年來有些已公開發表的文章中，它明顯地表明前概念都是錯誤的[7]#65377;廣義的理解由德國多特蒙德大學的D.K.Nachtigall教授提出[8]，他在《規范與前概念》一文中是這樣定義的:“前概念是學生在沒有接受正式的物理教育以前，對所感知的現象#65380;生活中的常識與經驗進行總結加工所得出的認識和理解#65377;后一種理解要廣泛得多，它不僅包含片面的#65380;錯誤的觀念或認識，還包含有科學的成分#65377;”目前，教育界普遍偏重于這種定義#65377;然而，后一種定義也不十分恰當#65377;時間狀語“在沒有接受正式的物理教育以前”似有不妥，按照這樣的定義，學生在接受正式的物理教育后，從生活中#65380;經驗中得出的理解和認識就算不上是前概念了#65377;結合中國現行的教育制度，學生一般從初一開始接受正式的物理教育#65377;根據上文兩種的定策，引入“前概念”這個名稱的目的是為研究它們在教學中所起的積極或者消極的作用，以便在教授與“前概念”相對應的科學概念時，采取適當的方法與策略#65377;因此，把“前概念”按下述定義應更為合理:前概念是學生在習得某個具體的科學物理概念之前，通過自己的觀察#65380;體驗與思考，對該概念的理解和認識#65377;應該指出的是，同那些含義與科學物理概念內涵基本一致的前概念相比較，研究相異概念對指導物理概念的教學具有更大的意義，因此人們常說的前概念往往指的是相異概念#65377;其核心特點是[9]:(1)是學生頭腦中強烈具有的一種穩定的認知結構#65377;(2)不同于專家的概念#65377;(3)會對學生如何理解自然現象并做出科學的解釋產生重要影響#65377;(4)必須被克服#65380;避免或消除，以使學生接受科學的理解#65377;例如，在學習“牛頓第一定律”前，很多學生認為物體只有受力才會有速度，不受力便沒有速度，物體的自然狀態是靜止的，物體只有在力的作用下才能運動，并且運動快慢與力的大小有關;落體的快慢與物體的重量有關，物體越重，落得越快#65377;

二#65380;前概念的特點

1. 廣泛性

廣泛性體現在三個方面#65377;第一，內容的廣泛性#65377;前概念所涉及的物理學內容十分廣泛，不僅對那些看得見#65380;摸得著#65380;日常生活中經常接觸的事物有較多的前概念，而且對于那些微觀的#65380;宇觀的和比較抽象的物理知識也存在不少的前概念#65377;如光學方面會觀察到平面鏡成像#65380;陰影#65380;太陽通過樹葉間隙的小孔成像#65380;筷子在水中的彎曲#65380;凸透鏡的聚焦和放大作用等#65377;力學方面如直線運動#65380;轉彎#65380;振動等;熱學方面如從區別熱水和冷水有了溫度概念的體驗，對雪的融化#65380;冬天搓手取暖#65380;夏天用涼水灑在身上會感到涼快等熱現象有大量的觀察和體驗;電學方面也觀察到大量的日?，F象，如閃電#65380;摩擦起電#65380;電燈泡發光#65380;電熨斗發熱#65380;電扇的轉動等等#65377;第二，前概念反映在不同層次的學生中[2]，不僅中學生有一定程度的前概念，大學生也同樣存在這一問題#65377;學生在建構對事物意義的理解時，總是以自己的知識經驗背景為基礎，因而不同學生看到事物的不同方面#65377;對相同的物理問題，不同年齡階段或同年齡階段不同層次的學生中，會產生不同形式的前概念#65377;如低年級的學生大多數會把電流類比成水流，而學過電學以后相當多的學生又把閉合電路中電子的定向移動等同于電磁波的傳播#65377;第三，就某一具體的物理前概念而言，它往往是學生中普遍具有的#65377;許多教師都有這樣的發現:很多同樣的問題會發生在同一地域的不同年齡的學生身上，他們對這些問題的想法幾乎是一致的[10]，甚至不同文化背景的國家對一些物理課題的相異構想也沒有多大差別[11]#65377;Viennot [12]以問題“六個小球自雜技演員手中投入空中，這六個球沿不同軌跡在某一瞬間恰好抵達同一高度，請受測試者回答在該瞬間六個球所受的力是否相等?”測試了法國的中學生以及英國#65380;比利時的大學生#65377;問題如圖一所示，研究結果顯示法國#65380;英國以及比利時分別有55%#65380; 42%#65380;54%的學生將速度與力結合在一起，誤認為因為六個球的速度不同，所以所受的力也應不同#65377;研究調查表明，學生均不同程度地存在著各種錯誤的前概念#65377;例如，認為“在空中飛行的子彈一定受到與運動方向相同的力的作用”的占40%;認為“坦克車用履帶來代替車輪是為了減小車對地面的壓力”的占38%;認為“人眼之所以能看到物體是由于人眼發出的光射到物體上”的占35%等[13]#65377;

2. 頑固性

前概念是日常生活經驗對物理現象的直覺認識，是受到先期學習的影響，它們在學生頭腦中潛移默化地形成，在日常的生活中日積月累而形成，是學生頭腦中強烈具有的一種穩定的認知結構，不易消解，這就是前概念的頑固性#65377;前概念是學生生活中親耳所聞，親眼所見，長期積累并被認可的，因而在他們觀念中是根深蒂固的#65377;如調查中發現幾乎所有學生都認為“吊車將物體勻速吊起時，拉力大于重力，勻速下降時，拉力小于重力”，“同樣大小的一個木球和一個鐵球，木球入水則上浮，鐵球入水則下沉，說明木球受的浮力大，鐵球受的浮力小”#65377;經調查反饋后，仍有28%的學生持以上觀點#65377;物理前概念在學生正式學習物理前就已在頭腦中形成，學生往往是在自己親身體驗的基礎上得出來的結論，猶如一張白紙上的彩色畫，要想改變過來很不容易#65377;正如愛因斯坦認識到的:“假如一個物體處于靜止狀態，要改變這一物體的位置，需要給它施加力，比如說，推#65380;拉或提，也許要用到馬和蒸汽機#65377;我們會本能地把運動與推#65380;拉或提這些動作聯系起來，自己親自試過幾次后，更會認為，要讓物體運動得快些就要施加更大的力#65377;于是，很自然我們得出以下的結論:物體受的力越大，其速度就越大，用四匹馬拉車肯定比兩匹馬快……”[7]當面對一個新概念時，學生往往采取與既有概念相和諧的方式來整合#65377;一方面他們可能對新概念作出錯誤的診釋#65377;如羅星凱#65380;周忠權[14]的研究發現，學生雖然記住了慣性這一術語，并不再持有“外力一撤消，物體就立刻靜止”這一典型的亞里士多德式的運動需要力來維持的觀點，但是他們臆造了一個與運動相聯系的力，用這個力解釋為什么物體在脫離外力后仍然會繼續運動，而慣性被自然地拿來作為表達這個力的“恰當”術語#65377;這樣，雖然學生學習了慣性定律，但他們原來所持有的“運動需要力來維持”這一總的概念框架仍然沒有改變，而且也不必非要改變，因為在這一總的框架下，通過對慣性概念的曲解，就能夠自圓其說，能夠解釋所面臨的物理現象#65377;另一方面，學生可能忽略前后的矛盾，接受新概念的同時，保有一相沖突的相異概念而不自覺#65377;前概念含有兒童對自然界的先入為主的印象，又是自己“切身體驗”到的東西，同時前概念又是兒童認識世界所憑借的工具，兒童就是靠這種原始的認知結構來認識世界，并“成功地解釋”了一些現象，因此，兒童往往對自己的這些信念深信不疑，很難使其放棄[15]#65377;雖然教師在教學中非常準確清楚地交待了概念，但一些錯誤觀念在學生頭腦中仍占據一定的位置，一遇到機會就表現出來[16]#65377;如用吊車勻速起吊浸沒在水里的物體，在沒有露出水面的過程中，不少學生認為浮力是變化的，甚至一些大學生也認為如此#65377;學生頭腦中錯誤的前概念往往十分頑固，絕不是通過一兩次講解或討論即可解決的[17]#65377;

3. 隱蔽性

前概念是學生內隱的思維結果，是潛移默化形成的，因此，它以潛在的形式存在，平時并不表現出來[18]#65377;其表現帶有隱蔽性，不易被教師察覺，同時前概念有一種思維慣性，學生自己也很難發現[19]#65377;當學生對某一類物理現象形成觀念時，由于學生年齡和思維能力的限制，這種觀念通常處于一種模糊狀態，它是學生心靈深處的一種朦朧意識，學生往往難于用自己的語言表達清楚，但是它作為一種觀念仍有其實質性的內容，當教師講授某些知識時，如果不特別和學生的前知識聯系起來，進行揭示#65380;比較#65380;批駁，學生的頭腦中經常會出現兩種觀念“和平共處”的情況#65377;淺層是教師講的知識，而深層仍是學生的前知識#65377;前概念往往是因為暈輪效應任意擴大等因素形成的，缺乏嚴密的邏輯推演和實踐的證明，因而概括性和科學性都很差#65377;學生在復述概念以及解決較明顯的#65380;單線索問題時，都會應用所學的科學物理概念，但在解釋比較復雜的物理現象或在實際的新情境中，常常就會不自覺地用他們的前概念#65377;例如利用牛頓第三定律解釋拔河比賽甲隊為什么能戰勝乙隊，一部分學生便會脫口而出:“甲隊拉乙隊的力大于乙隊拉甲隊的力#65377;”有人曾做過這樣的測試，要求學生書面回答單擺擺球質量與單擺周期的關系，所有受測試者都回答擺球質量與單擺周期無關#65377;隨后讓他們做測定單擺周期的實驗，要求測一百次全振動的時間，這時很多學生為了快點測出結果紛紛選擇了質量大的擺球#65377;這就表明，在他們的認識中，實際存在著“擺球質量越大，周期越短”的前概念#65377;

4. 特異性

每一個學生的生活環境#65380;活動范圍#65380;思維特點等的不同，對同一類事物和現象的認識#65380;感受也不完全相同，因而所形成的前概念就表現出特異性#65377;在實際教學中我們經常會看到不同的學生對同一現象的解釋是不同的#65377;這是因為不同的學生會以不同的方式轉化外部經驗來建構他們的思維體系，這種個體的方式會影響他們信息的獲得，因而影響學生理論的構想，他們的思維體系制約觀察現象#65377;如對“輕#65380;重物體哪一個下落得快”的認識，不同的學生就有不同的看法:有的認為輕的物體下落得快;有的認為重的物體下得快;有的認為有時重的物體下落得快，有時輕的物體下落得快;還有的認為物體下落得快慢與物體的形狀和體積有關，然而，幾乎沒有學生認識到這一問題會和空氣有關#65377;對于同一學生來說，在不同的發展階段上，物理概念的學習水平與內容是有差異的#65377;高中階段學生的認知能力的發展要比初中階段時接近于成熟，能運用抽象的形式邏輯的(演繹的或歸納的)推理方式去思考解決問題#65377;[7]同一學生學習不同學科的物理概念也有差異，這種學科差異來自力學#65380;電磁學#65380;熱學#65380;光學#65380;原子物理學等領域[20]#65377;它們各有自己的特殊性，因而在概念學習過程中必然會產生差異#65377;同時中學物理教材對力學和電磁學部分作了較詳細的討論，而對光學#65380;原于物理部分只作了簡單介紹#65377;中學物理各部分不同程度的準備當然也就對普通物理各分科的學習產生不同程度的影響#65377;同一學生對于同一概念的不同方式的學習也會有差異#65377;如鄭淵方[21]按學生的學習進度和認知發展情況將電路有關概念的發展過程分為五個過程，他通過對比傳統的講授——接受為主的教學方法和探究式教學方法的教學效果發現后者使學生概念發展水平顯著高于傳統的教學方式#65377;對于不同水平(主要指認知水平)的學生[22]，在學習同一物理概念時，表現出水平的差異，優秀生與學困生的學習之間有明顯的差異#65377;男生與女生在學習同一物理概念時表現出差異，由于男生與女生在生理與心理#65380;智力與非智力方面存在差異，在物理概念學習上的表現也不盡相同[23]#65377;

結語

對于學生頭腦中的前概念，我們不能把它和教好學好物理學對立起來，而應看到若能轉化得當，則在激發學生學習興趣#65380;促進學生思維#65380;加深理解#65380;鞏固知識等各方面會起到積極作用#65377;在物理概念教學中注意了解學生的前物理觀念是很重要的#65377;我們應該認識學生原有物理觀念的存在及其對物理學習的影響，要以學生原有的觀念作為出發點，對正確的觀念加以鞏固和提高，并進而發展成為概念和規律#65377;對錯誤的觀念，要弄清它的實質和形成的原因，采用適當的教學措施，幫助學生轉變原有的觀念體系[24]#65377;要鼓勵學生暴露他們原有的直觀觀念，不要害怕錯誤#65377;要讓學生探討錯誤觀念所引起的結果，并用正確的#65380;科學的概念加以對比[25]#65377;只有這樣，才能搞好物理概念的教學#65377;

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