高中學生物理運動學“迷思概念”的研究
——以高中物理必修1運動學為例

張昉璇

(東莞市東華高級中學 廣東 東莞 523000)

1 引言

運動學是學生接觸高中物理的開端，同時也是動力學學習的基礎.在具體的學習過程中，大多數學生由于受到初中物理學習思維模式和習慣的影響，對概念理解不清導致運用和拓展方面存在極大困難，即存在“迷思概念”.“迷思概念”是指學習者頭腦中局限的片面的、模糊不清的概念和錯誤概念[1]，它的存在貫穿于學生學習系統科學知識前后.在學生學習過程中，這些“迷思概念”嚴重干擾學生對于概念的理解，進而影響物理核心素養的提升，所以轉變學生頭腦中的“迷思概念”勢在必行[2].

國外已有FCI和CSEM等關于研究動力學和電磁學概念轉變測試量表，但在運動學模塊的研究相對來說比較少.而運動學在高中學習階段的引領性和基礎性決定了其重要地位.基于我國學生學習高中物理的實際情況，對運動學“迷思概念”的研究亟需深入探討[3].

2 對學生在運動學學習中出現的“迷思概念”的研究

2.1 “迷思概念”出現原因

通過對學生課堂中的表現以及作業情況，總結出學生頭腦中“迷思概念”形成的原因大致有以下幾點：

(1)日常生活中的現象并非事物的本質特征.比如在自由落體運動的學習中，學生通過日常現象的觀察，容易將現象總結為：物體越重下落越快.

(2)學生原有認知的思維慣性干擾其形成新的認知思維.比如慣性思維會讓學生認為加速度如果是正值，物體做加速運動，相反加速度是負值，物體做減速運動.

(3)學生原有認知對科學概念的學習產生負遷移.比如之前學習過的路程-速度關系式，學生會有隨著時間的變化，路程為零，速度也為零的印象，所以就會產生位移為零的想法，或速度為零，加速度為零的想法.

(4)數學中的慣性思維模式.比如在數學中學習的“平均”的概念，就會影響平均速度與速度的平均概念及公式之間的區分.

(5)易將概念名稱理解成其表面的意思.例如加速度容易被理解成是使物體速度增加的物理量.

(6) 高中物理概念多數都很抽象，導致學生不易理解，且部分學生感覺到高中物理的難度，畏懼思考或不情愿獨立思考，從而影響“迷思概念”的轉變[4].

(7)一些學生注重物理多模型、多概念的認知，但是忽略了概念與概念之間的聯系.

(8)學生不清楚一些概念引入的原因，從而影響了更深層次的思考.

(9)物理問題中隱含條件的忽視和多余條件的干擾.

(10)教師在課堂教學中過于注重教材中知識的講解，忽略了各個方面資料的整合.

(11)教師對教學內容的錯誤理解、教學思路混亂或沒有從學生的角度思考教學，影響教學效果，從而影響學生“迷思概念”的轉變.

2.2 對運動學中出現的“迷思概念”的收集

根據學生課堂表現、學生作業及學生測試情況，筆者整理以下對應知識點的高中物理必修1中運動學“迷思概念”，如表1所示.

表1 高中物理運動學“迷思概念”

由表1可見，學生對勻速直線運動、勻變速直線運動等方面的知識的理解存在誤區，且大量、零散地存在于學生的頭腦中.這些“迷思概念”嚴重影響著學生對于科學概念的理解和運用.運動學是高中物理的基礎內容，與后續內容聯系密切，因此，必須對學生的這些“迷思概念”及時糾正，為后續課程內容打好基礎.

3 構建轉變“迷思概念”模型

根據皮亞杰發生認知論、建構主義學習理論、奧蘇泊爾有意義學習和概念轉變理論綜合分析，學生對于新知識的學習流程如圖1所示.學生頭腦中原有認知結構大多數是不完整、不系統的甚至是錯誤的，所以就前人經驗來講，行之有效的方案就是要讓學生在學習過程中形成認知沖突，以此轉變頭腦中的“迷思概念”.如圖2所示是“迷思概念轉變模型”，其中包含四大環節要素：引發、事件+分析、轉變、鞏固與提升.

圖1 學生認知結構變化過程圖

圖2 “迷思概念”轉變模型

3.1 引發

每一堂課在引入新的物理知識概念前，首先要引領學生進入問題情境，教師在給出情境后提出與情境相符合的，能夠引發學生思考并且與本堂課主要內容相關的問題，并讓學生說出對問題或概念的個人解釋，以引出學生在學習新知識前存在的“迷思概念”.為了實現這一目的，教師應在課前預設需引出學生怎樣的“迷思概念”，而設置怎樣的情境(此過程需教師對學生學情有所掌握，或咨詢有經驗教師或對學生進行訪談等).例如，在講解“自由落體運動”一節時，需引出學生“重的物體下落快，輕的物體下落慢”的迷思概念，可以設置“石頭和羽毛從同一高度自由下落的小實驗”，通過教師的演示實驗或學生自身的體驗，從而提出問題.在講解“加速度”這一節課時，需引出學生“速度越大，加速度越大”的迷思概念，可以設置“甲車由速度為零運動一段時間，速度達到100 km/h；乙車由速度為零經歷同一段時間，速度達到80 km/h.”提出“哪個車的加速度更大？”的問題.教師在設置情境時應多聯系日常生活實際采取逐步引導的方式，拒絕灌輸式教學[5]，能夠比較有效地激發學生的潛在知識，即學習科學知識前的迷思概念，也比較符合學生從感性理解到理性分析的學習順序[6].

3.2 事件+分析和轉變

“事件+分析”環節中的事件是教師提前準備的，可以通過演示實驗、實例分析、學生自主探究、小組討論、邏輯推理等方式進行.所分析的事件必須和上一環節主題一致，其關鍵在于對事件的分析，需要教師提出一系列引導性問題，從而引發學生的認知沖突.引發認知沖突在一定程度上可以激發學生的學習興趣以及求知欲，能夠更加有效吸收內化新知識.在此過程中，教師需要注意每個學生對同一事物理解的不同性與學生的主觀能動性，所以在教學的過程中切勿一概而論，要了解不同學生的不同情況，做到因材施教.

“轉變”是概念轉變教學的中心環節，也是能否達到預期教學目標的關鍵.轉變是一個過程，是通過上一個環節的事件和分析逐步發生認知沖突，再通過對事物本質的重新認識而發生轉變.

“事件+分析”和“轉變”的過程是一個有機整體，這種整體在多數情況下是一個循環的過程.比如在學習完“速度與平均速度”概念之后，會對“平均速度和速度的平均”作區分講解，對于這兩個概念理解，絕大多數學生受數學中“平均”概念的影響，會認為平均速度就是速度的平均.教師可以在課堂上設置問題，讓學生進行小組討論來解決，使學生達到有深度的概念學習.“(1)平均速度是如何定義出來的？(2)平均速度能描述運動的什么性質？(為什么提出平均速度)；(3)嘗試通過圖3中v-t圖像分析平均速度與速度的平均的不同點.”事件的形式多種多樣，教師可根據不同的實際情況靈活運用教學方法，有效刺激學生形成認知沖突，最終達到解決認知沖突的目的.

圖3 比較兩圖平均速度與速度平均的異同點

3.3 鞏固與提升

通過以上步驟，學生形成新的知識結構，但是這種新建構的知識體系并不穩固，需要通過重復記憶加深印象.而且構建復雜的知識結構網絡僅依靠線性的教學過程往往是不夠的.教師可以通過迷思概念和科學概念的舉例比較，讓學生反復辨析，或在解決具體問題過程當中應用學習的新概念，最后使學生能夠運用新知識進行遷移.比如學生在學習過位移概念之后雖然能夠說出“位移是有大小、有方向的，是能夠表示物體位置變化的物理量”，但依然存在“位移的大小就是路程”這樣的迷思概念.可以通過實例分析進行解決：提出“星期天當你乘坐出租車從家里回學校時，司機師傅是按照路程還是位移收費的？當你到學校時發現東西落在家里所以又趕回家，到家時整個過程的位移是多少？”等一系列問題讓學生做小結“物體運動的位移大小和路程是什么關系？什么時候位移的大小才等于路程？”鞏固與提升這一環節是任何教學過程中必不可少的一部分，一方面有助于鞏固或調整學生的新知識結構，及時檢測學習情況；另一方面有助于教師了解學生學習效果，及時進行相應的調整.

4 教學建議

根據對一些有經驗教師的訪談、調查研究和對學生情況的了解，筆者提出以下幾點建議供物理教師參考：轉變學生頭腦中的“迷思概念”應循序漸進；教師應合理利用學生頭腦中的“迷思概念”，而不是想盡辦法用科學概念取代它們；教師在幫助轉變學生“迷思概念”的同時，注重學生認知結構的整合；在選擇轉變策略的同時應注重學生的情感動機，預測轉變方法是否有效[7]；教師在課堂教學中應注意一些內容講解和操作，避免不當的內容與操作誤導學生，使學生產生新的“迷思概念”；及時運用科學概念，做好教學反饋；在轉變學生“迷思概念”教學中，教師有必要建立學習進階的思想；注意課后的及時復習.