運用四階段干預(yù)模式轉(zhuǎn)變錯誤的物理前概念①
——以“牛頓第一定律”教學(xué)為例

王慧娟 張金良 周鵬

(1. 揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚州 225000;2. 江蘇省揚州中學(xué),江蘇 揚州 225000)

1 物理前概念與科學(xué)概念

根據(jù)心理學(xué)的觀點,學(xué)習(xí)者頭腦中的概念可以分為兩類:科學(xué)概念與日常概念。科學(xué)概念是學(xué)生通過科學(xué)實踐,經(jīng)過教師的科學(xué)指導(dǎo)形成的正確概念,這一類概念通常是前人經(jīng)過細(xì)致觀察、大量實驗以及邏輯推理而形成的概念,條理清晰、邏輯嚴(yán)密,經(jīng)得起實踐的反復(fù)檢驗。日常概念又稱為前科學(xué)概念或前概念,是學(xué)生在系統(tǒng)學(xué)習(xí)科學(xué)概念之前,在日常生活中通過辨別學(xué)習(xí)、經(jīng)驗積累而形成的概念。

個體學(xué)習(xí)概念的方式主要為概念同化和概念形成，在物理教學(xué)中,科學(xué)概念是以科學(xué)實驗、下定義等方式向?qū)W生揭示概念的內(nèi)涵、特點、適用條件等,在此過程中學(xué)生將根據(jù)原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu),通過同化和順應(yīng)來理解和掌握新概念。而學(xué)生的前概念是在日常生活的實踐體驗中,通過自發(fā)歸納事物的共性而獲得的概念,具有自發(fā)性。只要學(xué)生有機會觀察、體驗生活現(xiàn)象,就會產(chǎn)生前概念，學(xué)生的物理前概念具有以下特征：

(1) 復(fù)雜性。學(xué)生的前概念一般受其生活環(huán)境和思維方式等影響,不同學(xué)生的生活背景不同,將直接經(jīng)驗內(nèi)化為概念的思維方式也因人而異,正如莎士比亞所說：“一千個人眼中有一千個哈姆雷特。”不同的學(xué)生對于同一個物理概念的前概念也有所區(qū)別。如對于慣性概念的理解,有部分學(xué)生認(rèn)為物體質(zhì)量影響其慣性大小,也有學(xué)生認(rèn)為速度越大的物體慣性越大,還有少部分學(xué)生認(rèn)為物體形狀、運動狀態(tài)等也是影響慣性大小的因素。

(2) 頑固性。學(xué)生的前概念是長期生活經(jīng)驗積累的結(jié)果,并在日常生活中不斷強化,根深蒂固。不少學(xué)生即使在課堂上學(xué)習(xí)過正確的物理概念,依然無法扭轉(zhuǎn)頭腦中的錯誤前概念,如有些學(xué)生經(jīng)過幾輪學(xué)習(xí)之后依然認(rèn)為慣性是一種力。

(3) 內(nèi)隱性。物理前概念是學(xué)生潛移默化形成的,平時不會顯現(xiàn)出來,但會對新的物理概念的學(xué)習(xí)產(chǎn)生較大影響。

(4) 雙重性。學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念之前就已經(jīng)形成了豐富的前概念,這些物理前概念中有些是正確的,有些是片面的、甚至是錯誤的。正確的前概念有利于學(xué)生同化新的物理概念,錯誤的前概念則會阻礙學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念。

2 錯誤的物理前概念的成因

導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生錯誤的物理前概念的因素有很多。從學(xué)生方面看,其一是學(xué)生以偏概全的思維方式和先入為主的生活經(jīng)驗。學(xué)生往往是從生活中的某一片段的直接經(jīng)驗獲得前概念,比如從“石頭下落得比羽毛快”的現(xiàn)象得出“物體越重，下落越快”的錯誤前概念,這就是缺少嚴(yán)密的理論分析和邏輯推理,忽視了石頭和羽毛受阻力作用的結(jié)果。其二是與其他概念聯(lián)系失當(dāng)，比如學(xué)生極容易將“慣性”與“力”建立不當(dāng)聯(lián)系,將“慣性”視為一種力。

從教師方面看,不管是職前教育還是職后培訓(xùn),注重的都是教育學(xué)、心理學(xué)理論知識以及教學(xué)實踐方面的技能,而對學(xué)生前概念的研究較少。部分教師對科學(xué)概念的理解也不到位,或者在講解概念時采取了錯誤的方法,比如在講解“電流”概念時類比“水流”概念，而不關(guān)注兩個概念間的區(qū)別。在教學(xué)中,不少教師自然能意識到學(xué)生頭腦中存在著錯誤的前概念,但在教學(xué)方式上往往采用“壓制”或者簡單地以科學(xué)概念“替代”前概念的方式,這樣的做法不利于轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤的前概念。

從教材方面看,現(xiàn)有的教材基本上只呈現(xiàn)科學(xué)概念,而對學(xué)生的前概念鮮少涉及。在解釋科學(xué)概念時選取的例證也較為片面,如高中物理教材中對滑動摩擦力方向的表述為：“與相對運動方向相反”,但示例中大多是與物體的運動方向相反,這就容易使學(xué)生強化本來就有的“摩擦力的方向總是與物體的運動方向相反”的錯誤前概念。

3 四階段干預(yù)模式簡介

為了轉(zhuǎn)變學(xué)生的前科學(xué)概念,北京師范大學(xué)叢新、曾琦在維果斯基、奧蘇伯爾和皮亞杰等前概念研究的基礎(chǔ)上,提出了“外顯—沖突—澄清—練習(xí)”的四階段教學(xué)干預(yù)模式，筆者嘗試將該模式運用于高中物理教學(xué)，旨在轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤的物理前概念。

第一階段：外顯。教師通過提問、實驗等多種方式讓學(xué)生積極討論、交流,使學(xué)生錯誤的物理前概念充分暴露出來。這一階段是針對前概念的內(nèi)隱性和復(fù)雜性提出的,正是由于學(xué)生的前概念不容易暴露,所以教師才要通過多種方式使學(xué)生的各種錯誤前概念外顯,繼而進(jìn)行后續(xù)的教學(xué)。

第二階段：沖突。當(dāng)學(xué)生錯誤的物理前概念充分暴露之后,教師有針對性地采取措施使其得到轉(zhuǎn)變。前科學(xué)概念與科學(xué)概念之間有較大的矛盾沖突,而教學(xué)中的矛盾沖突往往能加深學(xué)生的印象,引發(fā)學(xué)生的思考。因此教師可采用與前概念相矛盾的反例，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。

第三階段：澄清。引發(fā)認(rèn)知沖突不是目的,通過認(rèn)知沖突引起學(xué)生對錯誤的物理前概念的質(zhì)疑,接著通過實驗、學(xué)生討論、教師點撥等,讓學(xué)生深刻認(rèn)識到前概念中的不合理地方,澄清前概念，建構(gòu)科學(xué)概念。

第四階段：練習(xí)。最后，針對錯誤的物理前概念的頑固性,教師需要通過變式訓(xùn)練、情境模擬等方式,鼓勵學(xué)生結(jié)合生活實例，解決多樣化的問題,鞏固和深化學(xué)生對科學(xué)概念的理解。

4 轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤的物理前概念的教學(xué)案例

對于牛頓第一定律，學(xué)生在日常生活的經(jīng)驗中已經(jīng)形成了頑固的前概念。在教學(xué)中,教師可以運用四階段教學(xué)干預(yù)模式,轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤的前概念,建構(gòu)科學(xué)概念。

4.1 外顯階段

先讓學(xué)生輕輕推動水平桌面上的文具盒并提出問題：“當(dāng)有力作用在物體上時,物體的運動狀態(tài)如何?當(dāng)作用在運動物體上的力突然撤去時,物體的運動狀態(tài)又將如何?”

接著利用多媒體展示亞里士多德的觀點：“物體運動需要推拉等一些外界力量的支持,如果沒有力作用在物體上,物體就會停下來”。

通過推文具盒的小實驗，介紹亞里士多德的觀點，讓學(xué)生“有力作用在物體上,物體就會運動;沒有力作用在物體上,物體就會靜止”的錯誤前概念充分暴露出來。

4.2 沖突階段

在這一階段,先讓學(xué)生推動水平桌面上的小球,比較與推文具盒實驗的異同,再通過視頻展示冰壺運動。被推動的小球即使撤去外力還是會繼續(xù)向前滾動,運動的冰壺脫離運動員的手之后還能在冰面上運動一段距離。

推小球?qū)嶒灪捅鶋剡\動的現(xiàn)象都與推文具盒實驗現(xiàn)象有較大反差,這樣的反差能夠引發(fā)學(xué)生對“力與運動”的認(rèn)知沖突,從而讓學(xué)生對“有力作用在物體上,物體就會運動;沒有力作用在物體上,物體就會靜止”的結(jié)論產(chǎn)生質(zhì)疑。

4.3 澄清階段

充分暴露學(xué)生的錯誤物理前概念并引發(fā)學(xué)生對錯誤前概念的質(zhì)疑之后,教師重現(xiàn)伽利略斜面實驗(圖1、圖2)。讓小球從左側(cè)斜面某一高度下落,小球會滾上右側(cè)斜面,如果沒有摩擦,小球?qū)⒌竭_(dá)同一高度。不斷減小右側(cè)斜面的傾角,小球仍然到達(dá)同一高度,但運動的距離不斷增大。接下來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理的推斷：“當(dāng)右側(cè)斜面變?yōu)樗矫鏁r,小球運動的距離將無限大,而不需要任何外力的維持。”通過“理想實驗+合理推論”，推翻了學(xué)生頭腦中“有力作用在物體上,物體就會運動;沒有力作用在物體上,物體就會靜止”的錯誤前概念。

圖1

圖2

接著教師通過多媒體展示笛卡爾的觀點：“如果物體沒有受到力的作用,它將繼續(xù)以同樣的速度沿著同樣的直線一直運動下去,既不會改變速度的大小,也不會改變速度的方向。”

通過笛卡爾觀點的介紹,進(jìn)一步加深、強化學(xué)生的正確觀點,并為牛頓第一定律的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ),同時讓學(xué)生充分了解前人探索自然的歷程,從而培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑權(quán)威、勇于探索真理的科學(xué)精神。

然后通過講授法介紹牛頓第一定律：“一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。”

最后解釋推文具盒和推球?qū)嶒灛F(xiàn)象出現(xiàn)反差的原因,在推文具盒實驗中存在摩擦力,當(dāng)撤去推力的一瞬間,摩擦力阻礙文具盒的運動,使文具盒的運動狀態(tài)發(fā)生了改變;而推球?qū)嶒炛?摩擦力很小,可以忽略不計,撤去推力后,可近似認(rèn)為小球在水平方向上不受力,將繼續(xù)以這一速度作勻速直線運動。用科學(xué)的解釋澄清了學(xué)生頭腦中錯誤的物理前概念,說明了前概念的錯誤所在。

4.4 練習(xí)階段

當(dāng)學(xué)生建立正確的物理概念之后,引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓等物理學(xué)家的觀點,并以微信群聊的方式(圖3)讓學(xué)生理清物理學(xué)家的觀點,鞏固認(rèn)知。再通過兩道變式訓(xùn)練,鞏固學(xué)生對牛頓第一定律的掌握。

圖3

5 結(jié)論

通過“外顯—沖突—澄清—練習(xí)”四階段教學(xué)干預(yù)模式,能夠比較清晰地發(fā)現(xiàn)學(xué)生已有的錯誤物理前概念,并針對前概念制造認(rèn)知沖突,使學(xué)生對自己的前概念產(chǎn)生質(zhì)疑,再講清正確的概念并解釋錯誤前概念的不合理所在,最后通過總結(jié)練習(xí)等鞏固學(xué)生對科學(xué)概念的認(rèn)知。