“先學后教”消除中學生物理思維定勢的實驗研究

(廣西壯族自治區南寧市第三中學,廣西 南寧 530021)

在實際教學中常發現：教師上課講過的內容學生仍會出錯，學生中存在驚人相似的思維定勢，這直接影響了學生對物理情景的正確判斷、問題解決的準確性，無法很好地實現物理核心素養的提升。因此教師需對學生在物理概念學習中產生的思維定勢做深入的探討，認真分析其成因，提出克服這些思維定勢的對策。

物理概念和規律的運用是一個靈活分析、解決問題的過程,而學生在學習物理時常常根據習慣來認識問題,先入為主。對有些物理現象只記結論，不善于分析；一些教師在講解習題時，也習慣用常見的、典型的思路來分析,使學生形成了物理學習中的思維定勢。

學生一旦形成某種思維定勢，易造成思維方式的僵化，不利于思維的發散,缺乏創造性，學生很容易把頭腦中已有的、習慣了的思維方式不恰當地運用到新的物理學習中去，不善于變換思考問題的角度，不善于改變解決問題的方法，所以常常出現思維錯位、運算困難，使問題難以得到解決。在建立概念和規律時,學生因未真正理解其內涵和外延,便會造成“定勢錯覺”，且極易遷移到應用中去。例如：在物體慣性問題的認識上，學生總認為運動得快的物體慣性大，運動得慢的物體慣性小；在運動和力的關系上，常常會認為力是物體運動的原因，物體受力才能運動；對于摩擦力，則認為摩擦力的方向總是與物體運動的方向相反，摩擦力總是阻礙物體的運動等等。

學生思維定勢的產生，一方面受日常生活中積累的知識和經驗、類似物理概念等的影響。而另一方面，教師對概念的內涵和外延詮釋得不透徹，使學生只關注現象，不注重本質，使學生形成思維定勢。可見正確選用教學方式，有利于引導學生學會思考，避免思維定勢的形成，或是破除已經形成的思維定勢，培養發散、創新思維。筆者以“先學后教”的教學方式，進行了破除學生思維定勢的實驗研究。

1 實驗目的

比較不同教學方式對學生物理思維定勢的破除情況，進一步考察這些教學方式在破除思維定勢中的成效。

2 實驗方案

2.1 設計

本實驗采用等組后測實驗設計，自變量是物理教學方式，因變量是學生思維定勢負效應的減少。

2.2 被試選擇

選擇南寧三中2011級(4)班為實驗班、2011級(10)班為對照班。參考入學成績以及高一歷次考試成績進行高二平行分班，經過一年學習后，根據平時測試和觀察，兩個班的數理成績水平相當，并對高二實驗前成績進行了獨立樣本t檢驗，表明結果差異不顯著(Sig<0.05)。

2.3 實驗工具

教學內容：動力學、能量、圓周運動等力學知識。

前后測：在北京師范大學張萍教授編制的《力學專題》前概念測試題的基礎上，結合高考題編制測試題。

2.4 實驗安排

實驗班和對照班都由筆者執教，在常規教學中進行實驗，且學生不知道在進行實驗，有效控制了一些無關變量的影響。

實驗班的教學采用“先學后教”教學方式，即學案自學→任務驅動、討論→錯例剖析→反饋。對照班的教學采用傳統教學方式，即：例題分析→練習→反饋。

3 案例呈現

對于物體和彈簧連接問題，學生的問題解決能力較為薄弱，表現為在對臨界條件以及過程的對稱性分析上存在思維定勢，認為原長是脫離的臨界條件。

3.1 前測

例1(2012年四川卷)：如圖1所示,勁度系數為k的輕彈簧的一端固定在墻上,另一端與置于水平面上質量為m的物體接觸(未連接),彈簧水平且無形變。用水平力F緩慢推動物體,在彈性限度內彈簧長度被壓縮了x0。此時物體靜止。撤去F后,物體開始向左運動,運動的最大距離為4x0。物體與水平面間的動摩擦因數為μ,重力加速度為g，則( )。

圖1

A. 撤去F后,物體先做勻加速運動,再做勻減速運動

答案為B、D。

前測情況如表1所示。

表1

3.2 對照班教學過程

圖2

變式訓練：如圖2所示，在勁度系數為k的彈簧下端掛一質量為m的物體，物體下有一托盤，用托盤托著物體使彈簧恰好處于原長。然后使托盤以加速度a豎直向下做勻加速直線運動(a

3.3 實驗班教學過程

教師提問：請說說你是怎么想的？

生1：我覺得應該m在平衡位置時脫離托盤。

生2：我覺得不是看具體位置，應該看支持力是否為零。先結合受力分析整個運動過程：m脫離托盤前，受到彈簧拉力、支持力和重力，保持勻加速直線運動，當拉力增大時，支持力減小。脫離時彈力為零，那么脫離位置應該是加速度為g的地方，相當于撤去F后，下面托盤以重力加速度g運動。

生3：題目說了是勻加速運動，加速度怎么會突變為g？我們可以繼續分析一下，在物體與托盤脫離前，物體受重力、彈簧的拉力和托盤的支持力的作用，隨著托盤向下運動，彈簧的拉力增大，托盤的支持力減小，但仍維持合外力不變，加速度不變，物體隨托盤一起向下做勻加速運動。當托盤的支持力減小為零以后，彈簧拉力的增大將使物體的加速度開始小于a，也就是此后物體追不上托盤了，由力和運動分析可知：物體與托盤脫離的條件是支持力FN=0。

師:所以分離的臨界條件必然在彈簧處于原長或者平衡位置嗎？

生:不是。應該要結合受力情況進行分析。

師:從力和運動的角度看,分離的臨界條件應該是什么？

生:兩物體間的彈力為零且加速度相等的時候。因為后來加速度不同,物體無法跟上托盤,只能分離。

3.4 后測

圖3

例2：如圖3所示，木板固定在勁度系數為k的輕質彈簧上，彈簧與地面連在一起。現把質量為m的木塊A放在木板上，并用力將木塊A向下壓，然后突然放手,木塊A隨即被彈射出去，則在木塊A脫離木板之前，木塊A的運動情況為( )。

A. 先作加速度減小的加速運動，后作加速度增大的減速運動

B. 先作加速度減小的加速運動，后作加速度減小的減速運動

C. 木塊與木板脫離可能是在彈簧恢復原長時

D. 木塊與木板脫離可能是在彈簧恢復原長之前或之后

解析：用手將重物向下壓縮彈簧到一定程度后，突然將手撤去，在開始階段，彈簧的彈力大于重物的重力,其合力方向豎直向上，重物向上做加速運動，彈簧彈力逐漸減小，所以加速度隨之減小；當彈簧的彈力小于重物的重力時，合力豎直向下，而速度豎直向上，重物做減速運動，但加速度越來越大。所以重物先作加速度減小的加速運動，后作加速度增大的減速運動，故A選項正確，B選項錯誤；當彈簧的彈力為零時，木塊只受重力做豎直上拋運動，木板此后受到彈簧彈力方向向下，加速度大于g，所以當彈簧恢復原長時，木板與木塊脫離，故C選項正確，D選項錯誤。

3.5 實驗結果

(1) 統計分析

后測情況如表2所示，對后測成績進行獨立樣本t檢驗，結果如表3、表4所示。

表2

表3 分組統計量

表4 獨立樣本檢驗

在分差的95%置信區間，即a=0.05。從方差方程的Levene檢驗都發現Sig值大于2a=0.1，選取假設方差相等，對應均值方程的t檢驗Sig值都小于0.05，可見，后測中對照組和實驗組存在顯著性差異，對照組成績不如實驗組。

筆者對男女生的后測成績也進行了獨立樣本t檢驗，結果如表5、表6所示。

表5 男女生統計量

表6 獨立樣本檢驗

在分差的95%置信區間，即a=0.05。從方差方程的Levene檢驗都發現Sig值大于2a=0.1，選取假設方差相等，對應均值方程的t檢驗Sig值也都小于0.05，可見男生、女生存在顯著性差異，男生成績明顯好于女生。

(2) 實驗結論

① “先學后教”教學方式能提高學生破除思維定勢的能力；

② 教學方式對男生的影響明顯大于女生。

4 結語

“先學后教”的教學方式讓學生在討論中暴露錯誤前概念，不斷實現知識的生成，通過充分透徹的討論思考及自主建構，能有效進行發散性思維訓練，清除思維定勢負效應，使得學生具有清晰、系統的物理觀念，能正確描述和解釋自然現象，靈活應用所學的物理知識解決實際問題。能根據解決問題的需要建構恰當的物理模型，在新的情境中對綜合性物理問題進行分析和推理，獲得正確結論并加以解釋。

以這個實驗研究為基礎，教師們可以將任務驅動法、前饋控制法、錯例剖析法、認知沖突法等結合起來，有效激發思維沖突，突破思維定勢，提升核心素養。

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