從物理學習的認知過程看物理實驗研究

易其順

(廣西民族師范學院物理與信息技術系,廣西崇左532200)

1 引 言

物理實驗是物理教學的基礎,因此物理實驗研究一直以來都是物理教育研究的熱點,然而,目前關于物理實驗研究過多地注重技術和方法,而忽視學生知識學習的認知過程分析,因而所開發出來的實驗往往看起來比較好,其實與教學實際相去甚遠,沒有發揮物理實驗應有的價值和功能.因此,有必要從學生對物理學習的認知過程這一角度來審視物理實驗研究,讓廣大教師明確各種物理實驗研究所努力的方向.為此,本文從物理學習的認知過程來看物理實驗研究.

2 物理學習的認知過程

不同物理知識的學習有不同的認知過程,有的知識通過感知物理現象之后,經過簡單的科學抽象就可以理解,而有的知識通過感知物理現象之后,必須通過認知結構的轉化或調整才能理解.為了讓大家知道到底哪些知識的學習需要認知的調整和轉變,哪些不需要,筆者對物理學習的認知過程進行如圖1所示的分類.從圖1中可看出物理知識按學生認知特點可分為4種不同的過程.對于沒有相關經驗的知識的學習,必須通過實驗來創設物理學習的情境,增強學生的感性認識,才能理解,這類實驗稱為增強感性認識實驗.而對于學生已有相關經驗且這些經驗與科學知識完全相同時,只要喚起學生頭腦中的感性認識,就可以順利地理解.對于已有經驗與科學知識部分相同的知識學習,必須通過實驗來促進學生認知的調整才能理解,這類實驗稱為認知調整實驗.對于已有經驗與科學觀念相違背的知識學習,必須通過實驗來促進學生認知的轉變才能完成,這類實驗稱為認知轉變實驗.

圖1 物理學習的認知過程

3 物理實驗研究

從上面的分析可知,不同知識的學習有不同的理解過程,需要不同類型的實驗,因此物理實驗研究應該根據不同類型實驗的作用來確定努力的方向.接下來從3種不同類型的實驗的研究進行介紹.

3.1 增強感性認識的實驗研究

感性認識是物理學習的基礎,在學生對所學的知識沒有相關的經驗時,必須通過實驗創設物理情境,增強學生的感性認識.因此這些實驗應力爭作到直觀明顯,突出物理的本質.對于增強感性認識的實驗研究一般有以下幾種.

3.1.1 疑難實驗研究

所謂疑難實驗研究是指在物理教學過程中難以操作,很難成功的實驗.這種實驗研究的目的是使疑難實驗不再疑難,將直觀明顯的實驗現象呈現給學生,增強感性認識的效果,以促進學生形成概念和掌握規律.因此研究的方法都是分析疑難的原因,尋找突破疑難的辦法.最典型的例子就晶體的熔化實驗的研究.晶體的熔化和凝固一直以來都被認為是中學物理實驗中最難的實驗之一,之所以難,是因為該實驗中采用的晶體是熱的不良導體,加熱時試管壁的晶體溫度已經達到熔點了,而溫度計附近晶體的溫度還低于熔點,它們的溫差在2℃左右,而一旦試管中晶體開始熔化,變成了液體后,導熱性大大加強,使得剩下的晶體很快就熔化,結果得不到理想的溫度保持不變的過程,也就很難得出晶體熔化時溫度保持不變的規律.針對這一點很多物理教師都在不斷地改進,已經取得很大的進步,但是目前效果還是不夠理想,仍需繼續努力.

當然,對于疑難實驗的研究來說,大家應學會用辨證的眼光來看待.找到突破疑難的辦法當然最好不過,可是有些實驗適當地留給學生一些疑難也是有好處的.比如說,目前在中學物理教學中,教師只做有把握的實驗,而對于沒有把握的實驗卻只字未提,結果給學生的印象是物理實驗都是很成功的,沒有什么坎坷.這無形中給學生傳遞這樣的信息:科學研究總是一帆風順的,沒有什么困難.這樣不利于學生對科學的本質的理解.相反,如果教師在晶體熔化等類似的教學中適當地留給學生一些疑難對學生是有幫助的.所以說,有的實驗讓學生經歷種種困難后得出接近理想的結果比因采用精密儀器和高新技術后輕而易舉地獲得理想的數據更有價值.

3.1.2 針對抽象的知識設計實驗

物理概念和規律都是在豐富的感性認識的基礎上進行科學思維的產物.然而中學生的思維水平如何呢?有研究[1]表明:我國初中學生的物理思維基本上還處于具體運算階段和前運算階段,高中學生的思維處于過渡期,即從具體運算向形式運算階段.這就說明中學生的物理概念和規律的學習還必須借助具體事物、現象的支持.因此作為物理教師要清楚,知識抽象之處就是學生理解困難之處.此時,針對這些難點設計實驗來架設思維的臺階是非常必要的.

比如在浮力的教學中,學生難以理解的一個問題是“沉底的物體也受到液體對它的浮力”.由于目前的教材沒有相關的實驗,所以很多教師在教學中,只能直接告訴學生“沉到水底的物體也受到水對它的浮力”,有的甚至在課堂上避而不談.給人的感覺就是教材和教師因找不到合適的實驗而特意回避,但是學生的思維并不因為這樣的回避而終止,相反可能因為回避而更加活躍,可惜這種活躍是一種困惑,甚至是一種混沌狀態.這樣的狀態如果不能及時指點迷津就會影響到后面的學習.因此設計實驗似乎是明智的選擇.為此可用如圖2的實驗[2],先將金屬塊和托盤一起掛在掛鉤上,并使它們完全沒入水中如圖2(a),記下此時彈簧秤的讀數 F1,先讓學生思考:如果將掛金屬塊的繩子解開,將金屬塊放在托盤上,彈簧秤的讀數將如何變化?為什么?然后再將掛金屬塊的繩子解開,將金屬塊放在托盤上,記下彈簧秤的讀數 F2,比較 F1和 F2的大小,最后讓學生思考為什么 F1=F2?這樣學生經過思考后就會悟出“沉底的鐵塊也受到浮力”.

圖2 演示浮力的實驗裝置示意圖

3.1.3 拓展感覺通道實驗研究

心理學的研究[3]表明:只從視覺獲得信息能夠記住大約25%,只從聽覺獲得信息能夠記住大約15%,若把視覺與聽覺結合起來使用,那么將會記住65%.這充分說明了綜合使用多種感官的重要性.況且有的信息對某種感官來說反應不夠靈敏,而對另外一種感官來說卻非常靈敏.因此可以利用這一原理來拓展感覺通道,加大信息刺激,增強感性認識,促進概念的形成.江西南昌市中學的黃恕伯老師1996年在桂林舉行的物理實驗教學高級研修班上介紹的利用耳朵來感覺加速度就是一個很好的嘗試.

大家都知道,加速度是表示物體運動速度的變化率.人們在判斷速度變化快慢時往往用眼睛觀察,可是當速度變化比較慢時人眼卻很難觀察得出來.然而,耳朵對聲音的頻率變化的感覺很靈敏(人耳聽覺的范圍16～20 000 Hz).為此,可以將速度變化轉變為聲音頻率地變化,然后用耳朵來感覺.比如在斜面上讓小車拉著磁帶往下滾動,磁帶又穿過錄音機磁頭,磁帶與磁頭摩擦,使磁頭產生聲音,由于速度在不斷變化,所以錄音機的聲音也在不斷的變化,這樣耳朵就可以聽出速度變化大小來.通過視覺和聽覺結合強化了感知的效果,促進學生對加速度概念的理解.

當然,對于促進感性認識的實驗研究來說,不應只停留在物理現象的呈現,而應該在此基礎上,想方設法通過現象激發學生積極、主動地進解新知識.對于這一點我們認為:對于某個新知識的學習不要在學生毫無思想準備時貿然地強加給學生,而應想辦法將意想不到的現象擺在他們面前,使他們的認知結構發生激烈沖突,在他們感覺到有尋找其他知識來解釋他們所面臨的現象的必要時,再開始新知識的學習.比如有關渦流的原理也是中學生要了解的內容,設計一個實驗幫助學生了解其原理非常必要.但若直接把渦流的現象原汁原味地演示,學生并無多大興趣,如果能把一種意想不到的現象擺在他們面前,讓他們思想發生矛盾,當他們設法尋找知識來解釋時再開始有關渦流的學習,這樣會更好.比如可以用如圖3所示的實驗[4]來實現.圖中為2個長度大小一樣、但傾斜度不同的鋁槽(裝飾用),讓同樣大小的圓形鐵片和圓形磁鐵分別從1和2兩個鋁槽滾下,實驗前不說明磁鐵和鐵的不同,讓學生預測哪個先到底端,學生會根據他們所熟悉的斜面越陡下滑越快的觀念來預測.可是到演示時卻發現越陡的反倒越慢,這樣學生認知結構就發生沖突,各種猜想會隨之而來.這時教師若指導得當,學生會自己找到是因為渦流的原故,渦流原理的學習也就水到渠成了.

圖3 渦流演示裝置

3.2 認知調整的實驗研究

當學習的知識在學生頭腦中已有相關的經驗,而且這些經驗與所要學習的知識部分相符,這類知識的學習必須通過實驗幫助學生進行必要的認知調整才能實現.那么如何才能促進認知的調整呢?根據奧蘇貝爾的概念同化可以得到啟發.他認為[5]:學生能否學得新信息,主要取決于他們認知結構中已有的有關概念;意義學習是通過新信息與學生認知結構中已有的有關概念的相互作用才得以發生的;由于這種相互作用的結果,導致了新舊知識的意義的同化.皮亞杰也認為這種同化只有在兒童積極參與建構時才可能發生,學習所關注的應該是兒童的心理建構活動.由此可見,認識的調整是認知的同化,而實現同化離不開學生積極的思維過程.因此作為促進認知調整的實驗應該在促進學生積極思維上下功夫.

比如阿基米德定律實驗研究就是典型例子.眾所周知,阿基米德原理是物體受到的浮力等于它所排開的液體的重力.學生在前面的學習已經知道“浸入液體中的物體受到的液體對它的浮力與排開的水的量有關”.因此如何使學生的“物體受到的液體對它的浮力與排開的水的量有關”的觀念調整為“物體受到的浮力等于它所排開的液體的重力”這才是阿基米德定律教學的重心所在,同時也是阿基米德原理實驗研究的重點.然而,現有的阿基米德實驗都是將精力集中在減少誤差,以便將“排開的水的重力等于浮力”這一事實直觀地呈現給學生.這種直觀得讓人一看就懂的教學實際上是用實驗來告訴學生“物體受到的浮力等于排開水的重力”,而阿基米德在探索阿基米德原理時所經歷的激動人心的認知的調整以及為尋找突破口苦思冥想的思維過程則不見蹤影,而這些恰恰又是最能體現科學探究本質的過程,同時也是認知調整所需要的.因此作為促進認知調整的阿基米德原理的實驗就不能缺少這樣的環節.比如可以采用如下的實驗活動來進行.

演示如圖4實驗.

師:學生彈簧秤讀數包括哪幾部分的重力?

生:包括鋁塊、小水桶和小水桶里的水.

師:如果讓鋁塊浸沒入桌面上小水桶里的水中,水面如何變化?彈簧秤讀數又怎么變化?

生:小水桶水面上升,彈簧秤讀數變小.

師:為什么?

生:因為鋁塊受到水對它的向上的浮力.

圖4 演示阿基米德實驗的示意圖

(教師將鋁塊浸沒入水中,并讓學生觀察彈簧秤示數的變化.)

師:觀察到什么現象?

生:彈簧秤示數減少,桌面上的小水桶水面上升.

師:彈簧秤示數為什么減少了.

生:鋁塊受到浮力.

師:怎樣才能使彈簧秤的示數回到原來的讀數?

(引導學生向水桶加水)

師:往小水桶加多少水才能使示數回到原來的讀數?

生:加的水的重力等于鋁塊受到的浮力.

(教師向小水桶加水,指導學生比較兩水桶中液面上升多少.)

師:水桶1中加的水與水桶2中上升的水有何關系?

生:水桶1中加的水與水桶2中上升的水一樣多.

師:鋁塊受到的浮力與它所排開的水有什么關系?

生:鋁塊受到的浮力等于它所排開的水的重力.

師:這也只是猜想,現在大家設計實驗來驗證猜想.

(引導學生進一步拓展到“一切物體浸入液體里時,所受的浮力等于它所排開的液體的重力”.)

這樣的過程比起原來的實驗多花了不少時間,走了很多的彎路,可是這些彎路讓學生真正經歷了探究的過程,當學生因為體會到發現知識的樂趣而露出滿意的微笑時,有誰還去懷疑這些彎路的價值?

3.3 認知轉變實驗的研究

當學習的知識在學生頭腦中有相關的經驗,而且這些經驗與知識相違背,這就是平時所說的前概念.前概念有以下幾個特點:廣泛性、自發性、頑固性、隱蔽性.這些特點給出啟示是:前概念普遍存在,教師要隨時作好應對的準備;那些認為只通過正面的教學,或者草率地演示一通,再加上機械的強化就可以讓學生真正理解的想法是過于天真的.那么怎樣才能克服這一困難呢?大量的研究已經表明要想讓學生真正理解這些知識必須想方設法讓學生的認知結構發生轉變,即讓學生的前科學概念轉變為科學概念.那怎樣才能促進認知的轉變呢?我們從概念轉變的學習理論可以得到啟發.要促進概念轉變,必須使學生在一個具有挑戰性的情景中,解決他們已有的前科學概念與公認的科學概念之間的矛盾沖突,通過新舊經驗的相互作用,積極主動地構建新概念的意義[6].波斯納等人也認為[7]:概念轉變必須提供以下4個條件:1)學習者對當前的概念產生不滿;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.根據這樣的理論,要促進概念轉變,首先必須制造認知沖突的情景,能讓學生經驗與現實產生激烈矛盾;然后讓學生意識到自己觀念的不足;最后設法讓學生相信新的概念適應范圍更廣.根據這樣的思路來研究實驗可以達到很好的效果.

比如在機械波教學中,一個眾所周知的難點,就是不易使學生信服在波的傳播過程中媒質質點本身并沒有隨波遷移,傳播的只是振動的形式,究其原因,是因為在日常生活中的一些波動現象,如水波等,往往會給人一種有物質隨波向前移動的感覺,之所以會有這種普遍的錯覺,與人類視覺的局限性有關.若能設計一個實驗,讓學生意識到這種感覺的局限性,對他們克服機械波的學習困難應該是有幫助的.為此可用如圖5所示的實驗[8].在演示器面板上開有2排小孔,其中上面一排孔正對著孔裝有一排光源,下面一排小孔后只有1個可沿小孔橫向移動的光源,若一排光源依次發光,則對于面板正面的觀察者來說,就會得到有1個亮點沿小孔橫向移動的視覺效果.同樣,1個光源移動也是這種視覺效果,如果調節好一排光源依次發光的頻率和單個光源移動的速率,使二者同步,則在上下2個亮點移動中,觀察者將無法區分哪一個是由單個光源移動產生的,哪一個是由一排光源依次發光而產生的,這樣就說明了視覺的局限性.同樣在連續媒質中質點依次振動產生的效果被看成是質點向前運動的效果,也是由于視覺的這種局限造成的,單憑視覺無法直接區分振動狀態在連續媒質中依次傳播和單個物體連續運動所產生的效果.從而讓學生意識到自己的原有觀念存在不足,這樣便為觀念的轉變打下了堅實的基礎.

圖5 演示視覺局限實驗裝置示意圖

上述的例子是從如何促使學生意識到自己觀念的不足這一角度來考慮的,實際上對于促進認知轉變的實驗研究來說最應該、也是最值得下功夫之處是如何激發學生的認知沖突,這才是觀念轉變的關鍵,同時也是教學過程中最精彩、最激動人心之處.比如物體沉浮條件的實驗,學生從小就觀察到物體的沉浮現象,對沉浮已有了自己的理解.學生會認為:重的物體會沉,輕的物體會浮;金屬物體會下沉;空心的物體會浮,實心的物體會沉;……,等等.因此物體沉浮條件的教學就應該想方設法讓學生的這些觀念轉變為物體的沉浮與物體本身的重力和所受的浮力大小比較有關,當重力大于浮力則下沉,當重力小于浮力則上浮.而要實現轉變首先必須創設能激發認知沖突的環境.比如可以用如圖6所示的實驗來進行.其中a和b都是啤酒瓶蓋,但b已經扭成一團,c,d,e和f體積相同,c和d形狀和質量都相同但放置方式不同,d和e質量相同但形狀不同,e和f體積及形狀都相同.先將6個物品放在桌面上,讓學生感覺它們的大小和輕重.然后讓學生判斷將這些物品放到水面時是沉還是浮,并說明理由(這個過程中學生會利用自己的前概念“成功”地解決問題).最后讓學生一個個驗證自己的判斷是否正確(這個過程學生會發現自己的觀念與實驗事實存在矛盾).通過這樣的活動來創設認知沖突的情境,使學生的原有觀念和現實產生不可調和的矛盾.在這樣的矛盾狀態下“決定物體的沉浮的因素是什么?”這樣一個科學問題就自然而然地被提出來.緊接著種種猜想也會隨著出現,如果教師指導得當,發現物體沉浮條件也就順理成章了.這個實驗還給我們的啟示是對于激發認知沖突的實驗并不需要多么昂貴、多么復雜的器材,相反那些取材于日常生活、以日常生活的方式呈現的實驗更容易激發學生的認知沖突.像這樣低成本高智慧的實驗應該成為物理實驗研究一個夢寐以求的境界.

圖6 物體沉浮實驗的用物品

4 結束語

物理學習不是由教師向學生傳送知識,而是學生根據外在的信息,通過自己已有的經驗來建構自己對知識理解的過程.因此,根據學生物理學習的認知過程來研究實驗可以使實驗真正成為能促進學生理解的活動,同時也為物理實驗研究提供了一個暫新的思路.

[1] 喬際平,邢紅軍.物理教育心理學[M].南寧:廣西教育出版社,2002:30.

[2] 易其順,蔣志年.物理學科中“浮力”實驗的教學研究[J].教學與管理,2006,(4):102-103.

[3] 梁樹森.物理學習論[M].南寧:廣西教育出版社,1996:113.

[4] 易其順.低成本物理實驗開發的研究[J].教學儀器與實驗,2004,(11):21-22.

[5] 施良方.學習論[M].北京:人民教育出版社,2003:233.

[6] Driver R,Guesne E,Tibergien A.Children’s ideas in science[M].UK:M ilton Keynes,1985.

[7] Posner G J,Strike K A,Hew son PW,et al.Accommodation of a scientific conception:toward a theory of con central change[J].Science Education,1982,66:211-227.

[8] 易其順,羅星凱.一個可用于機械波教學的人類視覺局限演示器的設計與制作[J].物理實驗,1998,18(6):35-36.