中學物理概念教學研究綜述

李 楨 董 慧

(1. 鄭州師范學院物理電子工程學院，河南 鄭州 450000;2. 陜西師范大學教育學部，陜西 西安 710000)

1 引言

物理概念在物理學習中有著非常重要的地位，也是學生學習的難點，因此物理概念教學一直是國內外學者研究的主題。筆者借助CNKI數據庫,檢索了近31年(1990—2020年)的“物理概念教學”為主題詞的所有文獻，共搜索到7102篇論文,從數量變化趨勢看，多年來一直是研究的熱點，且持續升溫，在2013年達到峰值，最近幾年略有下降(圖1)。說明物理概念教學研究已取得豐碩成果，但在教學實踐中仍存在很多有待解決的問題,“這些成果與一線教學實踐之間存在怎樣的鴻溝”“該話題還能否、怎樣繼續深入研究”是值得研究的問題。

圖1

2 物理概念教學的涵義

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質特征在人腦中的反映,是對客觀事物的抽象,是觀察、實驗和思維相結合的產物。物理概念教學指教師在了解學生已有學習情況的基礎上,根據課程標準要求、物理概念的特點、學生形成概念的認知特點等因素設計并完成課堂教學的過程。其內涵主要體現在學生的“學”上,即學生在已有認知的基礎上,在大腦中形成新的概念結構,該結構包括物理概念的內容和建立過程。其內容與物理概念的意義、內涵、外延、關聯四個維度相關，概念建構過程表現在兩個方面:一是學習主體對物理概念的心理表征,二是心理表征形成的過程(先后順序),可將其外顯化,用于物理概念建構過程的評價。

3 物理概念教學的相關研究

3.1 物理概念教學的發展研究

從20世紀70年代起,西方教育領域興起了概念教學研究的熱潮,主要集中于對學生前概念診斷及概念轉變的研究，隨后中國物理教育學者也不斷深入探討物理概念教學問題，早在30年前,王沛清先生曾在《物理概念教學》中就系統介紹了物理概念教學。閆金鐸先生也在《中學物理教材教法》中寫道：“講清物理概念和規律”。之后,越來越多的學者進行了更全面、深入的研究,研究內容十分廣泛,涉及物理學科的各個部分,如概念教學的要求、過程、方法、模式、效果等。[1]

3.1.1 研究對象和內容的拓展

20世紀80年代,美國的物理教育研究者開始了物理概念教學研究,如:Hestenes、Wells(1992)等人開發了力學測量量表(FCI),[2]并開展了學生對物理概念理解的實踐研究,內容涉及力、運動、能量、光、熱、溫度和簡單電路等概念,主要研究前概念及其對物理概念教學產生的影響,研究傳統教學與物理概念掌握的關系等。

物理概念教學研究歷經幾十年的發展,其研究對象涉及各個層面的學生，內容涵蓋了物理學科的各個方面，研究技術在不斷完善, 從最初的零散測試到系統量表診斷,從訪談到量表測試,從紙質量表到網絡技術的利用,從實驗呈現到計算機虛擬實驗創設問題情景，其主要研究結果也被廣大教育工作者所接受, 如:通過“創設情景—引起認知沖突—解決沖突”的前概念轉變的教學策略被推廣應用。[3]

3.1.2 研究方法發展的四個階段

第一階段主要是探明學生對物理概念本質的理解，不涉及公式運用及數學計算,因為研究者認為：“定量計算會掩蓋學生對概念內涵的理解”,[4]研究方法以訪談為主。如Clement(1980)研究學生對“力和運動的關系”的理解,在課前要求150名大學一年級學生針對單擺、拋硬幣、火箭等3個問題,畫出物體運動到某一點時的受力情況,后又訪談18名學生,確定了學生理解所存在的問題,總結出“運動需要力來維持”這種錯誤觀點的具體特征。這項研究不但測試出了學生有關“力和運動關系”的前概念,還細致地總結出前概念的表現特征。后來,Clement為了進一步研究課堂教學對前概念轉變的影響,又對學習過該內容的大二學生進行測試與訪談,發現效果并不明顯,學生的這種前概念仍然存在。因此,他認為對于大多數學生而言,“運動需要力來維持”這個錯誤觀點是很難轉變的,傳統的講座式教學方式不能將其轉變,學生之間的爭論對其有幫助,建議使用創新教育技術。

第二階段主要是物理概念診斷量表的設計和使用。隨著研究的逐漸深入,研究者發現少量、零散的問題無法全面有效地考查學生對于物理概念的理解情況,于是Halloun和Hestenes(1985)設計了力的診斷測試量表(Mathematics Diagnostic Test,簡稱MD),[5]用于對牛頓力學概念理解的考查,早期的MD量表是開放性的,即要求被測試者寫出答案和推理過程。1992年Hestenes、 Wellshe和Swackhamer研究出了MD的改進版—力的概念調查表(Force Concept Inventory,簡稱FCI),[2]FCI把MD的問答題改為選擇題,共有29道題,每道題有5個選項,只有一個正確答案,與MD相比,它可以更方便、全面地考查學生對于力學概念的理解。Thornton和Sokoloff為了提高學生選擇正確答案的概率,設計了力和運動概念評價量表(The Force And Motion Conceptual Evaluation,簡稱FMCE),[6]FMCE共有43道選擇題,每道題有8個選項,只有一個正確答案,這樣增大了考查的范圍.在力學概念量表快速發展的同時,研究者也開始了其他主題量表的設計, 2001年Maloney等人結合電學和磁學評價量表,設計了電磁學概念調查表(Conceptual Survey of Electricity and Magnetism,簡稱CSEM),[7]CSEM共有23道選擇題,每道題有5個選項,旨在評估學生對電磁學主題知識的理解。

第三階段是基于二元概念認知量表的測試。隨著概念量表的廣泛使用,研究者發現僅以選擇題形式的量表不能顯示學生的推理過程。為此,量表測試需結合訪談技術,然而訪談過于繁瑣,需要耗費大量的時間和精力,且實施范圍較小,于是在1995年,Odom和Barrow設計了二元認知量表(Two-Tier Diagnosis),該量表的每一道題都有兩部分組成,一是四個選項的單項選擇，二是選擇該選項的理由。只有兩者都正確了,才可認為學生真正掌握了該概念。二元認知量表有效地克服了傳統量表和訪談的缺陷,使學生的推理過程外顯化。[3]

第四階段是將計算機技術廣泛應用于學生物理概念學習的研究中。主要被運用在物理問題場景的創設和對學生概念理解的考查中,利用電腦軟件測量、分析學生對物理概念的理解。如Thornton在主動學習策略的研究性課程中,使用MBL電腦工具,這些工具包括“運動和力的科學思維”和實時力學實驗課程,測試結果顯示：在這兩種情況下概念學習效果有顯著改善。[8]

3.2 國內外物理概念教學的實踐研究

3.2.1 研究的具體性與實用性

物理概念教學實踐一直以來備受國外學者的重視,如在國外的《The Physics Teacher》 《American Association of Physics Teachers》 《Am. J. Phys》《Physics Today》等雜志中,收錄了很多相關文章,多是以概念轉變理論為基礎,診斷前概念為前提,針對存在的問題有針對性地設計課堂教學,比較注重實驗研究,而且實驗過程非常科學,近幾年對“元概念干預教學”研究也有突出的成果，如Chinyere的工作。[9]除此之外,有許多研究采用教學實驗的方式,從某一概念的教學方式給出自己獨特的見解,比如Reichert采用模型建構方法,用清晰的圖示和形象的實例,針對摩擦力的產生條件、方向的判斷、大小的計算等提出了獨特的見解。[10]

國內的物理概念教學實踐研究主要是從不同的角度選擇理論基礎,結合學生的概念學習現狀、概念特征等因素,建構物理概念的教學模式,并選擇典型的物理概念,進行教學實驗研究，以完善其教學模式(表1)。

表1

國內的物理概念教學實踐研究方法大致分為三類:一是先測出相關物理概念的前概念,依據前概念和相關理論建構教學模型或提出教學策略,實施教學實驗。二是通過調查學生和訪談教師獲得影響概念(包括前概念)形成的因素,再依據相關理論建構教學模型,實施教學實驗。邱潔通過對初中生及物理教師的問卷調查,總結了影響力學概念教學效果的三個因素(前概念的影響、學生和教師),從概念教學的過程、引入方法及難點的突破方法等方面提出教學策略,初步建構概念教學的模式,并應用于實踐。[1]三是課后彌補,通過評價的方式,了解學生對本節概念的掌握情況,采用“矯正復習課”的形式,提出相關教學策略并實施。田燁關注學困生和學習難點,對力學重要概念進行問卷調查,找出學習難點,以布魯姆掌握學習理論為指導,針對學困生設計突破難點的教學并進行教學實驗,取得良好的效果。[18]

4 對物理概念教學研究的分析與反思

4.1 物理概念教學的研究成果

物理概念教學研究伴隨著教育的發展,任何時期都是教學研究的重點,也已取得豐碩成果,具體表現在三個方面:(1) 前概念存在于學生的頭腦中，并嚴重影響學生對科學概念的理解；(2) 傳統的教學方式很難改變學生的前概念；(3) 運用基于“小組合作互動”和“電腦技術互動”的教學模式，可有效轉變錯誤前概念。

4.2 關于物理概念教學的重要觀點

在目前物理概念教學的實踐研究中,基本都是采用前概念診斷量表,探明學生的前概念,基于物理概念學習的四個階段(感知——思維加工——概念形成——概念鞏固),從不同視角采取相應的教學手段組織教學。具體有兩種重要觀點,一是認為有些前概念是錯誤的,科學概念的建構就是對前概念的轉變,概念轉變依據“概念替換理論模型”,教學的主要方式是引發“認知沖突”,通過同化、順應建構新的認知結構。二是基于奧蘇貝爾的先行組織教學理論,不突出前概念,選擇合適的上位概念作為新舊知識之間聯結的橋梁,相當于給“新概念”提供了正確的“前概念”,適合于沒有前概念的情況。但根據建構主義理論,學生不是空著腦袋進教室的,在先前生活經驗中早已積累了相關概念。持這種觀點的學者認為：前概念必然存在,對新概念建構的影響或大或小,物理概念教學必須從“前概念”入手。

5 未來研究展望

5.1 突出“科學思維方法”在物理概念教學中的重要地位

物理概念教學的主要目的是促進學生深入理解概念的內涵,并能夠靈活運用、解決問題,為后續的學習奠定基礎。而物理概念的形成是一個極其復雜的過程,喬際平指出：為使學生形成物理概念,就要引導學生通過科學的思維,即運用比較、分析、綜合、判斷、推理、想象等方法,排除各種非本質的干擾,掌握物理現象的本質特征。[19]田世昆、胡衛平明確提出：任何物理概念的形成都離不開科學思維。[20]這些觀點都充分體現了科學思維方法在物理概念建構過程中的重要性。然而,在已有相關研究中,沒有體現出科學思維方法的突出地位,也沒有學者從科學思維方法的角度研究物理概念教學。因此,在物理概念教學中,突出科學思維方法,將其外顯化,以科學思維方法為中心建構物理概念教學模式。

5.2 加強對前概念調查、診斷的實踐研究

物理前概念對學生學習科學概念非常重要,錯誤的前概念會嚴重影響學生對科學概念的學習效果。因此,對前概念的準確診斷是概念教學的第一步,然而據調查,一線教師由于時間有限等原因很少對前概念進行專門的診斷,這樣勢必會影響教師對學生前概念的準確把握,影響教師的課堂教學設計.因此,加強對前概念的精準調查、診斷的實踐研究,可以幫助一線教師準確掌握學生前概念的狀況。