浅谈针对物理前概念的“对话式反思教学策略”

周中森（连云港市教育局教研室 江苏 连云港 222006）

学生在接受正规物理教育之前，通过自己的观察和体验已经形成了对某些物理现象的认识和理解；这些认识和理解是学生学习物理之前用来认识周边世界、理解日常现象的策略，有时和科学概念并无冲突，但很多时候却不相容，甚至相悖.认知心理学派代表奥苏贝尔将它们称为“前概念”或“相异构想”.研究前概念的目的和意义就在于发现学生形成各种前概念的原因，明确学生学习相关知识所存在的困难，充分利用它的积极作用.

1 “物理前概念”的基本特征及其形成原因分析

物理来源于生产、生活，来源于科技；生活处处皆物理.正因为物理与生活中常见的现象紧密相连，儿童从一出生就接触到这些物理现象，但直到初二年级十二三岁时才第一次受到正式的物理教育.在这段时间里，由于多种物理现象对儿童感官的刺激，随着年龄的增长，儿童大脑便逐渐形成了对各种事物、各种现象的感知，即形成了很多与物理现象相对应的“物理前概念”；但这些感知是从表象中形成的，很多没有抓住问题的实质，所以形成的认识往往是表面的，甚至是错误的.

1.1 物理前概念的基本特性

根据物理前概念的形成原因分析，前概念主要表现出以下特性.

普遍性：物理前概念代表学习物理之前绝大多数“自然人”（包括学生）的当然想法.几乎出现在物理学力、热、光、电、磁等各个领域.

顽固性：这些物理前概念是学生从小时候开始，长期以来通过观察、感悟形成的，在学生认知结构中先入为主而且根深蒂固，不容易被解构.如果教学中只是把正确的概念强加给学生，他们只能暂时接受，经过一段时间后，又会回到原有的前概念上去.

隐蔽性：由于学生大脑中的前概念是潜移默化形成的，因此它以潜在形式存在，平时并不表现出来.然而在物理教学中学习有关概念时，学生马上就会联想到他们头脑中的前概念.当让学生用物理概念去解释问题时，前概念也会马上表现出来.

两面性：虽然大部分物理前概念和科学的物理概念冲突、矛盾，必然会成为科学的物理概念学习的障碍，还可能形成新的错误认知、概念，但前概念是他们思维的产物，是属于学生个人的精神财富，对物理学习又有它的特殊意义.在教学过程中教师应注意到物理前概念的特征，尽量发挥它在物理教学中的积极作用，减少其不利影响.

1.2 常见的物理前概念及形成原因分析

错误的物理前概念产生的主要原因包括跟着感觉走，只看到表面现象，看不到现象的本质.试举例如下.

前概念之一：运动需要力来维持.

表面现象：用力推物体，物体才会前进，停止用力，物体就会停下来.

形成原因：人们对力的最初认识是通过人的“推、拉、提、压”等开始的，而对于自然产生的、看不见的滑动摩擦力、静摩擦力、空气阻力等则无视其存在.

现象本质：在有阻力的情况下，要想让它运动起来并继续运动下去，需要外加推力维持.

前概念之二：重的物体落得快，轻的物体落得慢.

表面现象：苹果比树叶落得快，铁球比乒乓球落得快……

形成原因：只看到了物体重力不同的表面现象，没有注意空气阻力的作用.

现象本质：在有空气阻力的情况下，若物体形状大小相同，密度越大的物体所受空气阻力与其重力的合外力较大，就会落得更快.

以上两个前概念是影响物理学发展时间最长的经典前概念.2 000多年前亚里士多德把运动分为“自然运动”和“强迫运动”.他认为重物下落，天上星辰围绕地心做圆周运动是自然运动；而要让物体做强迫运动，必须有推动者，即有施力者.力一旦去除，运动即停止.若你看到一个东西在移动，你就会寻找一个推动它的东西（像是我们的手、身体）.当没什么东西推它时，它就会停止移动.而这种推动一个推着一个，向上追溯“必然存在第一推动者”那就是上帝.既然重物下落是物体的自然属性，物体越重，趋向自然位置的倾向也就越大，所以下落速度也越大.于是从亚里士多德的教义出发，就必然得到物体下落速度与物体重量成正比的结论.因为这一观点与“自然人”的感性认识相符，再加上符合罗马教会的教义，近2 000年的时间内被全世界的人们所接受.直到伽利略的理想斜面实验和牛顿运动定律的建立才使运动和力的科学概念得以建立.

前概念之三：把看到的“白气”当成水蒸气.

表面现象：烧开水时，会向上冒热气；冬天，人呼吸时会呼出白气……

形成原因：过分相信自己的眼睛.以为这些看的见的“白气”当然是水蒸气.实际水蒸气也和空气一样，无色无味，是看不见的.

现象本质：看见的“白气”是水蒸气遇冷后液化形成的小水珠或小冰晶.

前概念之四：冬天室外的铁块比泡沫塑料的温度低.

表面现象：冬天，手触摸室外的铁块感觉比木块凉，特别是手触摸泡沫塑料则感觉比较暖和.

形成原因：过分相信自己的感觉.人的皮肤对接触物冷热感觉不是简单地由温度决定的，而是与相同时间内皮肤接触处的热量传递的多少决定的.

现象本质：铁的导热性能比泡沫塑料好，所以手接触铁块时，相同时间内向铁块传递的热量比泡沫多，所以感觉铁块凉.与此类似的，手接触0℃的冰感觉比0℃的水温度低，是因为冰熔化时需要吸热，相同的时间手被冰吸的热量要比被水吸的热量多，所以感觉凉.相反，夏天感觉铁块比木块热，道理也是因为铁块的导热性好.

另外还有一些因为物理概念间的混淆，生活用语与物理用语的不统一等引起的物理前概念在这里就不一一列举了.

2 应对物理前概念教学的基本策略及案例设计

从人类认识的发展角度来看，前概念的产生是正常的、必然的，在科学发展史上科学家们的研究被“前概念”所蒙蔽的也屡见不鲜.前概念的产生正体现了人类认识发展的一般规律；我们应该充分利用而不是回避，把它作为建立新的正确概念的突破口.所以要想让学生学好物理，教师就必须充分了解学生头脑中的前概念，让学生在教师的引领下反思这些前概念产生的原因，从而建立正确的物理概念.

2.1 充分了解与教学内容相关的“物理前概念”

因为个体从出生就开始本能地探索环境，顺应环境的活动；在这种活动中，对事物形成了丰富的经验，并建构了个体特定的认知图式.所以建构主义者认为，学生不是空着脑袋进入教室的；即使有些问题他们从没有触及过，还没有现成的可以借鉴的经验，但是一旦新问题出现在他们面前时，依据他们的认知能力，基于过去的经验对新问题也会给以解释或提出假设，即建构起新的认知图式.认知心理学家奥苏伯尔说“如果我不得不把全部教育心理学还原为一条原理的话，我将会说，影响学习的唯一的最重要的因素是了解学习者已经知道了什么”.的确，在教授新概念之前，教师必须充分了解学生已有的认知情况，尤其是与新概念有密切关系的已有概念和原理的认识，才能选择有效的教学策略和方法进行有的放矢的教学.

2.2 培养学生透过现象看本质的“物理品质”

物理前概念的形成原因主要是跟着感觉走，只看表面，看不到问题的本质.所以物理教学要加强学生分析问题方法的培养.引导学生善于用“牛顿运动定律”来分析运动和力的关系；用“能量转化和守恒”的观点来分析能量问题，防止“永动机事件”的重演；善于用“动量守恒”的观点来分析相互作用问题.注重培养学生透过现象看本质的“物理品质”，吸取亚里士多德“跟着感觉走”的历史教训.努力把一群“负”起点的“自然人”转化成具有正确思维习惯的“正”的“物理人”.

2.3 善于利用“对话式反思教学策略”

正因为大部分前概念和正确的物理概念不相符合，所以中学物理教学是从 “负”起点开始，先要纠正这些“错误”的前概念，再建立正确的物理概念.这也是学生感到物理难学的重要原因之一.

笔者通过多年的研究反思，认识到利用物理前概念“对话式反思教学策略”是突破难点建立正确物理概念的有效途径.它主要包括以下几个环节，如图1所示.

图1 建立正确物理概念的有效途径

本策略是受伽利略《两门新科学》中对话的启发，通过设计对话式系列问题，引导学生对其已有的物理前概念进行反思.所设计的对话式系列问题一定要体现前概念与正确概念间的矛盾冲突，激活学生对前概念的反思.同时要针对前概念产生的原因设计问题，让学生充分认识到前概念产生的合理和片面性，以加深对新概念建立过程的印象.让问题在对话中解决，让正确概念建立在水到渠成之中.模仿伽利略在《两门新科学》中的对话模式，对几个教学片断做反思对话问题设计，举例如下.

案例1：“落体运动”教学对话问题设计

前概念：重的物体落得快，轻的物体落得慢.

模仿伽利略在《两门新科学》中关于落体运动的反思对话问题设计如下（萨：代表问题设计者伽利略，相当于教师；辛：代表一般自然人，相当于学生）

问题暴露

萨：如果我们取两个自然速率不同的物体，把两者连在一起，快者将被慢者拖慢，慢者将被快者拖快，您同意我的看法吗？（正确的知识、经验基础）

辛：毫无疑问，您是对的.（自然人都能理解）

引导反思

萨：但是假如这是真的，并且假如大石头以8的速率运动，而小石头以4的速率运动；两块石头在一起时，系统将小于8的速率运动.但是两块石头拴在一起更重了，所以更重的物体反而比更轻的物体运动慢，这个效果与您的设想相反，如图2所示.（合理推断）

图2 引导落体运动的反思

分析探究

萨：请做一个实验：两张相同的纸，把其中一张变成纸团，让它们一起从同一高处由静止落下，结果会怎样？这说明落体运动的快慢和什么有关？

辛：空气阻力是落体快慢的主要原因.

萨：一个大铅球（5kg）、一个小铅球（3kg）从同一高度同时下落，结果会怎样？

辛：……

萨：如果将铁片、羽毛放在抽成真空的管内，让它们从同一高度同时下落，结果会怎样？

辛：……

概念重构

经过对话和实验，萨和辛达成共识：在没有空气阻力的情况下，物体下落的快慢与物重无关.有阻力的情况下取决于阻力相对于重力的大小.

案例2：“摩擦力、二力平衡”教学片断

前概念：用水平力F推放在水平面上的物体而没有推动时，推力小于摩擦力.

问题暴露

师：如图3所示，用水平推力F推静止放在水平地面上的物体，结果没有推动，你认为这时的水平推力F与地面给物体的摩擦力f的大小有什么关系？

生：大部分学生会异口同声的回答F＜f.（这是学生的第一感觉，也就是“前概念”）

图3 用力推水平放置的物体

引导反思

师：若真是F＜f，物体还平衡吗？物体将会向哪运动？这可能吗？

生：大部分学生会回答不能平衡，会向推力的反方向运动，这不可能（进一步引起冲突和反思）

师：物体没有被推动，表示物体处于平衡状态还是非平衡状态？

生（大部分）：处平衡状态.（这是学生原有的知识基础）

师：既然物体处于平衡状态，水平方向的两个力F和f应满足什么关系？

大部分学生都应该知道F＝f.（和学生的原有概念产生冲突，引起学生反思）

师：你认为是F＜f，还是F＝f正确呢？

学生分为两部分，一部分认为是前者，也有一部分人认为是后者.（学生态度不坚决，进一步反思）

分析探究

师：当F＝1N时，如果还没有推动，根据平衡条件，这时f大小为多少？

生（大部分）：f＝1N.

师：当F增大时，如果还没有推动，f大小如何变化？f能不能无限制的增大？随着F不断增大，物体是否会被推动？

生：f大小会随之增大，f不能无限制的增大，随着F不断增大，物体会被推动（学生根据生活经验能理解）

概念重构

教师带领学生总结：因为f就是为了平衡F提供的.在没有被推动之前，f随着F的增大而增大.但f有一个最大值，物理学中称最大静摩擦，用fm表示（虽然初中不要求，但这样反思后学生是能理解的）.在没有推动之前，F＜fm，但由于平衡，一直满足F＝f.大家之所以第一感觉F＜f，是因为大家把f与fm混淆了.

结论：没有推动是因为F＜fm，但F＝f.

案例3：关于惯性的教学片断

前概念：速度越大，惯性越大.

关于惯性的量度，如果只是把“惯性只由物体的质量决定，与运动性质、运动快慢无关”强加给学生，学生是很难真正接受的.一般学生都认为：速度越大，惯性越大.

问题暴露

师：有一位同学根据日常生活经验知道，同一辆汽车，在相同的路面上，速度越大刹车后需要越长的时间才能停下来，滑行的距离也越远（这正是高速公路上限速的原因）.所以他认为速度越大，惯性越大，你认为对吗？

学生有两种观点，一种是看了书上说惯性只由质量决定，与其他无关；但另一观点觉得速度越大，惯性越大.（引起冲突，是书上说的正确呢，还是亲身体验正确呢？）

引导反思

师：物体惯性是反映物体保持原来运动状态本领的东西.物理学最重要的方法是控制变量法.用滑行时间来反映惯性大小的思路是正确的，但应比较速度改变量相同的情况下所需时间.如由1m／s减到零和由120m／s减到119m／s所需时间进行比较才有意义.你同意吗？

学生可能不能完全理解，但大部分学生对控制变量法是很熟悉的，基本能接受.（物体做功本领，应比较单位时间内做的功）

分析探究

师：可以介绍用牛顿第二定律和运动学公式来分析

当F，m，Δv相同时，Δt也相同.

概念重构

在相同的情况下，速度发生相同变化所需要的时间由质量决定，与当时的速度大小无关.

总之，物理前概念是客观、普遍存在的，教师要加强研究，充分了解，在教学中通过反思系列问题的引导，利用它的积极作用，克服其不利影响，使学生在反思中建构正确的物理概念.