情境策略转变学生物理前概念

朱喜香

(怀化学院物理与信息工程系 湖南 怀化 418008)

学生在接受正规的科学教育之前所形成的概念称之为前科学概念或前概念.前概念常指那些对事物含糊的、不完善的或者是错误理解的错误概念，与科学概念不明显冲突，又不明显一致的相异概念，还有需要用科学语言规范的前科学概念等.大量研究表明，学生头脑中的前科学概念有着广泛的来源：日常生活经验的影响、知识的负迁移、对语词的曲解或错误理解、进行不当的类比、教师、教材的误导、社会媒体的传播等.前概念存在自发性、广泛性、顽固性、隐蔽性、负迁移性等特点， 对学生科学概念的形成有很大的影响.

波斯纳(Posener)等人1982年提出概念转变的条件必须是学习者对当前的概念产生不满，同时发现新概念的可理解性、合理性和有效性.个体只有看到新概念对自己的价值，它能解决其他途径所难以解决的问题，并且能向个体展示出新的可能和方向. 才有可能放弃由来已久、根深蒂固的前概念.为实现前概念转变的条件，教师必须在充分了解学生相关学科的原有知识经验背景的基础上，创设新、旧认知相互冲突或新旧概念相互联系的情境，让学生观察或动手实验，引发学生认知建构的同化和顺化机制，解决前概念与科学概念之间的矛盾冲突，主动舍弃前概念中错误的、不合理的、有待改善的成分，积极转变前概念为科学概念.

1 创设错误概念与科学概念冲突的情境

单纯证实假说的事实证据还不能够引起学生原有概念的改变，即使他们正确预测到某个因素的结果，并看到这一预测得到证实，他们仍然不愿放弃原有的信念；而只有当矛盾的证据增加并且变得不再可以忽视，且在他们能够形成一个替代的理论以解释这些证据的时候，他们才真正接受这些证据，才能够形成一个可对出其意料的观察结果加以解释的新理论[3～4].

关于浮力，学生常具有大量的错误前概念.文献[5]对五年级和初一年级学生的浮力概念进行调查显示，百分之六七十的学生会根据浮体的材料、轻重、空实心、形状、压强多少来判断一个物体是否沉浮.这与刑红军教授调查学生对浮力存在的前概念一致:一块长方体垂直放入水中，比横着放入水中所受的浮力小(状态差异)；大小一样的实心铁球和空心铁球放在水中所受的浮力不同，空心铁球受到的浮力大(空实心差异)；物体浸泡越深受到的浮力越大(压强差异)；浸没于盛有水的容器底部的物体不受浮力；同样大小的铁块和木块完全浸没于水中，木块受到的浮力大(材料差异).

学生对浮力的前概念尽管丰富多样、策略各异，但不难发现这些概念全都来自于对生活经验的片面理解和不完全概括得出的结论.生活中人们通常认为漂浮在水面的物体是木块、空心(或变得空心)等较轻的物体，而石头、铁块等较重的物体会沉入水底.实践发现，直接采用阿基米德原理溢水杯探究实验，也很难让学生理解物体受到的浮力涉及液体和物体的密度、物体的体积和排开液体的体积等关键因素.因此，设置突出这些关键特征且与学生的简单策略明显矛盾的实验情境，让学生逐一改变错误的浮力概念.

图1 两块外形相同木块的沉浮

(1)首先选择两块同样大小，而密度不同的木块，让同学们感受到两块木块的差异.实验发现密度较小的漂浮在水面，密度较大的却沉入水底.学生会发现木块也会下沉，而且木块的沉浮与木块横、竖放置无关.让他们发现实验证据与木块总是漂浮相冲突(图1).

(2)接下来为了突出轻重策略的矛盾，教师可以演示鸡蛋沉浮实验.把鸡蛋放入清水中，鸡蛋是沉入水底的，但在水中加入食盐后，发现鸡蛋又浮上来了.这样学生发现同样轻重的鸡蛋在不同的液体里有不同的沉浮状态，说明单方面考虑物体的轻重是不对的(图2).

图2 鸡蛋在清水与盐水中的沉浮

(3)为了把学生心里矛盾焦点转移到物体受到的浮力与排开液体的体积有关，让学生观察在鸡蛋浮出水面以后，教师继续往水里加盐的过程中，应引导学生观察鸡蛋露出水面的体积与浸入水中体积的变化，引导学生发现同一个物体在不同液体里受到同样大小的浮力，不仅与浸入水中(露出水面)的体积有关还与液体的密度有关.

(4)为了帮助学生得到定量的分析，让学生自己用弹簧测力计称量铁块在空气中的重量，实验并记录铁块逐渐浸入水中不同体积时的示数，得到物体浸入水中排开液体的体积越大，弹簧测力计示数越小，浮力越大.

(5)最后，为了得到排开水的重量与浮力大小相等关系的假设，提供给学生教材上溢水杯等实验器材，为了突出浮力变化的过程，还要提供学生天平，让学生记录铁块浸入水中不同位置时出溢出水的质量，让溢出水的(重)量与弹簧测力计示数变化(浮力大小)建立一一对应关系，是让学生逐渐归纳发现溢出水的重量与铁块受到的浮力相等的结论，而不是由一、二个数据作为检验假设的依据(图3).

图3 记录弹簧测力计示数变化与溢出水的质量

2 创设相异概念与科学概念联系的情境

奥苏贝尔的有意义学习理论认为，有意义学习发生的关键前提是学习者的认知结构中必须有同化新知识的适当概念，有意义学习发生的过程就是新知识与学习者认知结构中已有的适当概念建立实质性联系.因而找到能与新概念发生关系的前概念，进行肯定和否定，能够成功获得科学概念.

在初二学生学习电学之前对他们进行的调查发现，他们具有一些简单的电学知识，使用频率较高的词语是电能和电流，很少用到电压、电功，且完全没有电阻的概念.由他们解释灯泡发光明暗程度原因的答案发现，他们对电能、电流、电压、电源和电量等概念都没有区分.对高一、高三的学生进行调查发现，他们虽然知道串联电路中电流处处相等，但在判断电流经过用电器后，流出用电器的电流是否与流入用电器的电流相等时，差不多有一半的学生认为电流经过用电器时被消耗掉了.这说明学生对用电器的工作原理并没有理解；对灯泡发光时用掉了某些东西，是电流，电荷量，电压，还是电能？他们也没有弄清楚.因此，在高中阶段学习这些科学概念时，建立简单电路中用电器(灯泡)与水流中叶轮的工作原理建立结构和功能相似类比模型，创设让学生区分这些概念的物理情境，是实现了解电流的微观机理及定义式的教学目标，获得电学科学概念的重要途径和方法[6].

如图4所示，水从高处流向低处，高速的水流推动叶轮旋转，电流通过灯泡发光发热，水流发生了什么改变？电流消耗了什么呢？水流下落时的动能转化为叶轮旋转的动能，叶轮带动机器做功，而水流的速度将减小.对应于电流通过灯泡，将电荷的电势能转化为光和热；水流经过叶轮水流量并没有减小，水量守恒，只是水位降低；对应电流通过灯泡电流也不会减小，电荷守恒，只是电荷的电势降低，电路中的电压降低；水位降低，重力势能减小，转化成了叶轮的机械能；对应电压降低，电势能减小，转化成为光和热.

图4 直流电路中的灯泡与水流中的叶轮

同时，结合串联电路中电流和电压特点的探究实验(图5)，用电流表和电压表分别测量流过两灯泡的电流和灯泡两端的电压，结果表明串联电路中流过灯泡L1的电流和L2的电流相等，说明电流经过用电器并没有被减小或被消耗掉；而灯泡L1和L2两端的电压都是左端比右端高，电流经过用电器后，电压逐渐降低了.同时，电源提供的电(势)能，也转化成为光和热，降低电压的同时消耗了电能.

图5 探究串联电路电流和电压特点

这样有针对性的具体情境将学生的新旧认识有机地联系起来，又形成了与电流被消耗相冲突的实验事实，既有“消耗了”的原认识，又有不一样的“消耗”的新概念，有利于学生主动放弃错误观点，有效区分电流、电压、电荷量和电能，并进一步对电路工作原理做出因果解释，实现对电路基本概念的理解.

3 创设前概念向科学概念过渡的情境

科学必须创造自己的语言和自己的概念，供它本身使用.科学的概念最初总是日常生活中的普通概念，但它们经过发展就完全不同，失去了普通语言中所带有的含糊性质，从而获得严格的定义，这样它们就能应用于科学的思维[7].因而我们要充分发挥日常生活中普通概念的积极作用，舍弃其中不需要的成分，而发展我们需要的、合理的成分.

功是力学中为了准确描述一个物体(或系统)机械能变化多少的一个重要概念，是为了量度物体在外力作用下机械能发生变化一个物理量.功的大小等于用作用于物体上的力和物体在这个力的方向上所发生位移的乘积，它包括两个必要因素：一是有力作用在物体上；二是物体在力的方向上发生位移.同学们日常生活的“功”是“功劳”“功绩”“贡献”的意思，指为实现某种目的而付出的体力或脑力劳动，具有工作的内涵；当涉及体力劳动时，与“力”有关，但与“在力的方向上发生位移”与否却没有关系，也就是说与“机械功”没有明显、直接的联系.教学中发现，影响学生获得机械功科学概念的前概念集中表现于“工作”对“机械功”的影响，以及功的内涵的确立.因此，创设情境引导学生由原有的功—工作—机械功—功的变化是学生正确理解“功”的重要途径.

例如，可以用ppt动画描述四个工人在建筑工地搬运货物的场景.第一个工人将箱子从肩膀高度，由一处扛到另一处；第二个工人将与第一个工人相同的箱子(以下同)，从一处水平推到另一处静止；第三个工人沿水平地面，将箱子推动，且速度越来越快；第四个工人将箱子沿光滑斜面从地面推到高处.这几个工人重复同样的动作，如果工作时间相同，他们的工作量也差不多，但他们在改变箱子的能量方面却有所不同.第一个工人将箱子的位置改变，但箱子的高度和速度都没有改变，即重力势能和动能与开始状态比较没有发生改变，也就说箱子的机械能没有改变.第二个工人要用力克服箱子与地面之间的摩擦，使箱子与接触的地面发热，增加了箱子与地表接触面的内能.第三个工人，将箱子推得越来越快，除了要用力克服箱子与接触面之间的摩擦，使箱子和地表接触面因摩擦而发热，增加了箱子与地表接触面的内能，还增加了箱子的动能.第四个工人，将箱子的水平位置提高了，改变了箱子的重力势能，增加了箱子的机械能.为了区分不同的工作在改变物体能量效果方面的差异，我们把如第二、第三、第四个工人那样有力作用在物体上，并使物体在力的方向上发生了位移，改变了物体的能量，称：这个人对物体施加的力对物体做了“功”.而那些没有力作用在物体上，或有力作用在物体上但物体的能量并没有发生改变的工作，如第一个工人所做的工作，虽然完成任务也有功劳，但我们依然说这种工作或力没有对物体做功.这样，学生不仅能将日常生活中熟悉的“工作”概念逐渐、有效地过渡到“功”的科学概念，同时，突出了功的两个因素，以及功是物体能量大小改变量度的本质内涵.

惯性也是一个由生活概念发展到科学概念的典型.学生生活经验中的惯性是:静止的物体没有惯性，运动的物体才有惯性，且物体运动的速度越大惯性越大.大家生活中熟悉的事例包括：汽车刹车时，踩了刹车，车还会往前行驶一段；电风扇停电以后不会马上停下来；百米跑到终点时，还要再往前冲两步；骑自行车上坡时速度越大，上坡时惯性越大就越能冲上去；下坡时坡度越大，惯性就越大[8].为了将惯性的前概念顺利过渡到科学概念，情境要突出几点：

(1)静止的物体也会表现出惯性；

(2)惯性只与物体的质量有关与物体的速度大小没有关系；

(3)惯性是当物体的运动状态发生改变时，物体表现出来的保持原来状态的性质.

首先，要求同学们列举出他们生活中发现物体惯性的事例，如汽车刹车却停不下来等大家熟知的经验事实，分析这些运动物体很难静止下来，承认他们认识中的合理成分.接下来，要求学生们列举生活中静止物体表现出惯性的事例，如坐在公共汽车上，当汽车发动时，身体往后倒；衣服的灰尘，可以通过拍打衣服，让灰尘与衣服脱离.

静止的物体也有保持它原来静止状态的性质，惯性的大小与速度无关.但生活经验却觉得，速度越大，运动状态越难改变.可以让同学们讨论：一辆汽车速度很快时确实很难停下来，刹车了还要滑行一段相当长的距离；但当汽车静止时，要让它启动，由静止加速到很快的速度也一样困难.相反，让速度比汽车大得多的子弹停止下来相对要容易得多.一块厚木板能够让子弹静止，却不能阻止运动的汽车，说明惯性不仅与物体的速度有关，且与物体的质量有关.把同学们关注的焦点由单一的速度转移到物体的速度和质量.

接下来创设突出质量因素的情境，让同学们讨论：为什么方程式汽车要设计得很轻巧，火箭发射过程中要抛弃掉燃烧完的燃料仓？简单的讨论不难得到：质量越大的物体运动状态越难改变，即物体的质量是物体惯性大小的量度.

最后引导同学们反复观看，汽车刹车和启动时的录像：发现惯性只有在物体运动的状态发生改变时，才会表现出来，尤其是当汽车由运动变静止时，会在马路上保持运动(原来)状态一段距离，现象十分明显；但当汽车发动时，也会保持静止(原来)状态一段时间，但由于汽车没有发动和发动了一段时间内都是静止状态，因而其保持原来静止状态的现象不明显，很难引起我们的注意.从而最终放弃运动物体有惯性而静止物体没有惯性的前概念.

实践证明，了解学生相关的前概念、创设与前概念相联系的情境、创设新旧概念冲突的情境有助于学生获得准确的科学概念；积极主动并有针对性地创设物理情境是物理概念教学的一种有效策略.

参考文献

1 李高峰，高恩山.前科学概念的研究进展.内蒙古师范大学学报(哲学社会科学版)，2007，7(4)

2 袁维新.西方科学教学中概念转变学习理论的形成与发展.比较教育研究，2003，4(4)

3 J·H·弗拉维尔，等著.邓赐平，等译.认知发展.上海：华东师范大学出版社，2002.206

4 罗星凯.有理的科学知识被无理地“验证”.人民教育，2007(7)

5 罗海军.中小学对沉浮现象及其原因理解的案例研究.广西师范大学硕士论文，2004

6 朱喜香.中学生电学概念理解类比策略的案例研究.广西师范大学硕士论文，2005

7 爱因斯坦，英费尔德.物理学的进化.上海：上海科技出版社，1962.8

8 江昕，苏纪玲.初中生物理前概念调查.教育研究与实验，2007(2)