關(guān)于中學生熱量和溫度前概念的調(diào)查研究

◆山東省大連市第七十六中學 王晶晶

關(guān)于中學生熱量和溫度前概念的調(diào)查研究

◆山東省大連市第七十六中學 王晶晶

文章通過對118名（13～16歲）初中生進行問卷測試和臨床訪談，以測試中的選擇題為研究內(nèi)容，從多個角度揭示了學生對熱量和溫度科學概念理解上存在的問題，發(fā)現(xiàn)在中學生的頭腦里，對熱量和溫度存在大量的前概念，并對如何讓學生建立科學概念提出了合理化建議。

熱量和溫度；科學概念；前概念

隨著對教學過程認識的不斷深入，人們逐漸重視學生已有認識經(jīng)驗的作用。初中物理知識來源于自然，來源于生活，貼近于生活。初中生也有相當多的生活經(jīng)驗，其中包含著大量與物理有關(guān)的現(xiàn)象、問題。這都決定了：在教學中要充分了解學生的想法，利用他們已有的經(jīng)驗，采取合理的方式來發(fā)展學生的原有概念，讓學生在解決問題時可以建立正確的思維模型。

根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：新教師在教學過程中，經(jīng)常抱怨不知道學生的想法，不能展開有針對性的教學，而熱量和溫度概念向來都是教學上的難點。由于學生有在生活中的經(jīng)驗，他們在這方面有很多前概念。這種前概念具有廣泛性、頑固性、負遷移性、層次復雜性的特征，從而成為學生學習物理的主要障礙。

Kesidou&Duit對34名10年級 （15～16歲）的學生進行了臨床訪談，得出學生存在的前概念有以下一些：①熱量可以輕而易舉地進入和離開不同的材料；②不同的材料吸收熱量或保持熱量的效果不同；③粒子與它極其近似的粒子也不是完全相同的。Thomaz等人的研究表明，對溫度與熱量的認識，學生的普遍錯誤表現(xiàn)在5個方面：①熱量是一種物質(zhì)；②不能區(qū)分溫度與熱量；③將溫度與對物體的感知覺混淆；④對物體加熱總會導致物體的溫度升高；⑤對相變時溫度與熱量的關(guān)系存在錯誤的理解。Mustafa回顧了對學生理解熱量和溫度的調(diào)查，提出了一項重要的研究結(jié)果，總結(jié)了迄今發(fā)現(xiàn)的有關(guān)熱量和溫度的前概念，并且指出了這些錯誤概念的可能來源，為從事科學或物理教育領(lǐng)域的研究人員和教師提供了幫助。

比如，張軍朋和茹秀芳對國外有關(guān)于學生對溫度和熱量概念的研究，分別從學生對于概念理解的特征、探究學生相異概念形成的機制、克服學生錯誤概念的教學嘗試3個方面進行了綜述，以期對我國熱量和溫度的教學產(chǎn)生影響。

一、前科學概念的定義

建構(gòu)主義認為，兒童的科學學習并不是從零開始，而是對原有知識經(jīng)驗進行建構(gòu)，通過新舊經(jīng)驗之間雙向反復的相互作用而實現(xiàn)的。兒童在接受系統(tǒng)的科學訓練前，日常經(jīng)驗使他們對客觀世界的各種自然現(xiàn)象初步形成了自己的看法和解釋，從而建構(gòu)了大量的自發(fā)概念。自發(fā)概念中那些與科學概念兼容，為以后接受科學知識打下基礎(chǔ)的部分，被奧蘇貝爾稱之為 “知識的固定點”或 “先前知識”；而另一些卻與科學概念相沖突，被稱為 “錯誤概念”。錯誤概念不僅在兒童中出現(xiàn)，也經(jīng)常出現(xiàn)在接受了正規(guī)科學教育的成人頭腦中，因為這些概念通常能“解釋”一些表面現(xiàn)象，符合直觀觀察，所以在他們的頭腦里是“合理的”。

前概念，即前科學概念，我國學者傾向于認為，前科學概念指學習者在接受正式的科學教育之前，在現(xiàn)實生活中通過長期的經(jīng)驗積累與辨別式學習而獲得的一些感性印象、積累的一些缺乏概括性和科學性的經(jīng)驗，是一些與科學知識相悖或不盡一致的觀念和規(guī)則。在理論上，前科學概念指的是學習者將科學概念的內(nèi)涵增加、減少或替換，導致外延擴大、縮小或移位的概念。在教育研究和實踐中，前科學概念指的是學習者擁有的與科學概念的涵義不一致甚至相反的概念，是學習者形成某一科學概念之前所擁有的概念形態(tài)。

二、中學生熱量和溫度前概念分析研究

1.調(diào)查研究方法

本研究在前人對前概念與物理模型研究的基礎(chǔ)之上，將兩者結(jié)合起來進行研究，選取物理學中熱學的內(nèi)容作為測試的內(nèi)容，主要是因為在日常生活中，涉及熱量和溫度以及吸熱、放熱的情境無處不在，學生感覺非常熟悉，為它們構(gòu)建了許多簡單的解釋，其中反映出學生頭腦中存在的前概念。

研究對象：選取XX市一所城市學校初中二年級兩個班的學生，一所郊縣學校三年級一個班的學生，共計118人。

研究方式：采用了問卷、測試、訪談的形式，測試是以問卷的形式出現(xiàn)，其中的選擇題是用來測試學生頭腦中存在相關(guān)的熱學前概念；訪談是為了了解學生建立不同物理模型的原因，從多個角度揭示了溫度和熱量概念理解上的問題。

2.結(jié)果與分析

通過選擇題目分析可以看出學生頭腦中是否存在與問答題目暴露出的相應的前概念。

（1）玲玲用沸水煮熟雞蛋后，將雞蛋放進冷水里，請選擇下面哪一項是雞蛋的冷卻過程？ （ ）

圖1 被試對煮雞蛋問題回答的情況

A.溫度從雞蛋傳遞到冷水中

B.冷氣從冷水中傳遞到雞蛋上

C.熱的物體會自然地變冷

D.熱量從雞蛋傳遞到冷水中

從結(jié)果可以看出：選擇A的學生占總?cè)藬?shù)的19.5%，學生無法區(qū)分溫度和熱量的概念，認為熱傳遞的是溫度而不是能量，或者根本就無法區(qū)分熱量和溫度，認為熱量就是溫度；選擇B的學生占總?cè)藬?shù)的17.8%，在這部分學生的前概念里認為熱量有兩種類型：冷的熱量和熱的熱量。冷與熱是相反的，物體變冷的原因不是失去能量，而是吸收了冷；選擇C的學生只占了5.1%，說明大部分學生是知道物體變冷是有條件的，但仍有6名學生選錯，經(jīng)過訪談知道，他們認為熱的物體會自然變冷，但是冷的物體變熱、升溫卻是需要加熱等條件的；選擇D的學生占總?cè)藬?shù)的57.6%，僅從結(jié)果看，大部分學生還是掌握了相關(guān)知識的。

（2）小華從冰箱里拿出前一天晚上放進去的一瓶罐裝可樂和一瓶塑料瓶裝可樂。他迅速地把溫度計插入罐裝的可樂瓶中，測得的溫度是7℃。那么塑料瓶和塑料瓶中的可樂的溫度分別最有可能是多少呢？ （ ）

圖2 被試對可樂和可樂瓶問題回答的情況

A.它們的溫度都低于7℃

B.它們的溫度都等于7℃

C.它們的溫度都大于7℃

D.可樂的溫度是7℃，但可樂瓶的溫度大于7℃

這個題目暴露的問題比較嚴重，學生回答正確的百分比僅是18.6%，對熱平衡問題，學生存在很大的疑惑，學生對于這個問題有各種各樣解釋的模型，比如，一個初三學生的模型，他認為可樂放在冰箱里，溫度是從內(nèi)向外依次升高的，他認為液體的溫度最低，之后才是瓶子的溫度。

（3）小明從外面拿進房間兩瓶裝有20℃水的玻璃杯，一個用濕毛巾包住，一個用干毛巾包住，20分鐘之后，用濕毛巾包的那杯水的溫度為18℃；而用干毛巾包的那杯水的溫度是22℃，那么房間內(nèi)的溫度最有可能是： （ ）

A.26℃ B.21℃ C.20℃ D.18℃

這個題目選擇C的學生比選擇正確答案A的人多，經(jīng)過筆者的訪談，了解了學生產(chǎn)生錯誤的原因是：不知從何下手，很多人認為將 “18+22”再求平均數(shù)就是20攝氏度，根本就沒有使用科學的方法進行推理得出，經(jīng)過教師對一些問題的引導以后，一些學生推出了正確答案。例如，筆者問他們： “濕毛巾包的塑料瓶為什么溫度會降低呢？”學生回答： “因為濕毛巾比較冷，塑料瓶吸收了濕毛巾的冷，所以溫度降低了。”暴露了他們許多的前概念。之后筆者又提問： “那為什么干毛巾包的溫度會上升呢？而且比毛巾的溫度還高呢？”有些學生相信用毛巾包的物體溫度會升高，但他們卻不相信物體用毛巾包過以后會比毛巾自身的溫度還高，這次他們就要思考一下熱量的來源了，熱量不是來自毛巾，也不會是來自冰塊，那肯定是來自空氣了。經(jīng)過這樣的推導過程，學生大多都能得出正確的結(jié)論。

4.為什么在寒冷的冬天，我們要穿毛衣？ （ ）

A.防止冷空氣進入，把冷空氣阻止在外面

B.會產(chǎn)生熱量，使人變得暖和

C.會減少熱量的損失

D.以上三種說法都正確

對于這個題目，很多學生會選擇D這一項，他們認為以上三項都是正確的，我們可以清晰地看見學生在前幾題出現(xiàn)的前概念問題在這一題目中暴露無遺。前面很多學生認為毛巾會使包住的物體升溫，但他們不知道熱量的來源，并且不承認是毛巾本身產(chǎn)生和釋放的，但在這個題目中他們的意志被動搖了，選擇了衣服會產(chǎn)生熱量，使人的身體變暖這一結(jié)論是正確的。

我們應該要看到學生存在的這些潛在的前概念，他們雖然嘴上會說毛巾不會產(chǎn)生熱量，但卻一直使用毛巾生熱的模型來解釋問題，這就需要教師徹底轉(zhuǎn)變學生的前概念，讓學生們知道熱量的真正來源是空氣而不是衣服本身，只有這樣才能有助于學生形成科學的概念。

三、結(jié)論

本文的研究表明：當學生在日常生活中看到的、感覺到的與科學概念的結(jié)果不一致時，部分學生會堅信他們的感覺，甚至寧愿改變自己所學習的科學概念，堅持使用前概念來解釋與科學概念相沖突的現(xiàn)象。因此，筆者認為，教師在教學當中的首要任務不是對知識的講授，而是徹底轉(zhuǎn)變學生頭腦中的前概念。因為有前概念的存在，學生就很難真正地接受并理解科學概念，當在具體的環(huán)境中，他們依舊會選擇使用前概念對問題進行解釋。認知沖突是轉(zhuǎn)變學生前概念的有效方法。教師可以通過教學實驗討論過程制造認知沖突，讓學生的前概念與科學概念處于一種交鋒的狀態(tài)，使他們在解釋的過程中處于自相矛盾之中，那么他們就會選擇各種方式進行改變，最終把他們的前概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W概念。

[1]張軍朋,茹秀芳.溫度和熱量的相異觀念：一項問卷調(diào)查[J].物理教學,2006.

[2]張軍朋,茹秀芳.國外關(guān)于學生對溫度和熱量概念理解研究進展[J].物理教師,2004.

[3]Mustafa S?zbilir.A Review of Selected Literature on Students' Misconceptions of Heat and Temperature.Bogazi?i University Journal of Education,2003,Vol.20(1).

[4]牟毅,朱莉琪.兒童樸素物理學的錯誤概念及影響概念轉(zhuǎn)換的因素[J].心理科學進展,2006,14(5):697.

[5]李高峰,劉恩山.“前科學概念”的術(shù)語和定義的綜述[J].寧波大學學報(教育科學版),2006,(12).

（編輯：楊 迪）

圖3 被試對玻璃杯問題回答的情況

圖4 被試對穿毛衣問題回答的情況

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1671-0568（2015）33-0032-03