“相异构想”的矫治策略——以初中物理为例

周洪池 唐登研

“相异构想”的矫治策略
——以初中物理为例

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初中生物理“前概念”中的“相异构想”是造成物理难学的主要因素，分析它，对物理教学有重要的意义。通过借鉴物理学家认知物理知识的历程，对比物理学史中物理知识的发展过程，探索矫治物理“前概念”中“相异构想”的策略，其中，实验和科学的思维方式是矫治物理“前概念”中“相异构想”的两条路径。

前概念；相异构想；矫治策略；物理教学

初中学生在新旧知识交织、固有的思维方式与科学的思维方式相互混杂的背景之下容易产生各种偏离科学概念的“相异构想”。笔者在教学中发现，产生“相异构想”有两种情况，一种是源于日常生活中的经验，无意间形成的错误“前概念”；另一种是在接受科学教育过程中由于缺少科学活动的情景，没有形成足够的感性认识，这种情况多数出现在学习抽象的科学知识时。矫治这种现象是初中物理教师面临的一个重要话题，我们可以从物理学史中获得一些启示。

以人类对光的本性的认识为例。17世纪开普勒开启了对光的本性研究，英国物理学家牛顿认为光是由运动的微粒组成的，而荷兰物理学家惠更斯则认为光是一种波。这两种代表性的学说是关于光本性的两种截然不同的观点，二者对光的认识都符合机械论的解释方式，也解释了差不多同样范围内的光学现象，但都不能解释当时所有与光有关的光学现象，从此拉开了两种学说的历史大讨论。1801年英国物理学家托马斯·杨成功地做出了双缝干涉实验，有力地支持了“波动说”理论。1818年法国物理学家菲涅耳用半波带法定量地计算了圆板障碍物产生的衍射花纹，并戏剧性地观测到“泊松亮斑”，给了“微粒说”沉痛的一击。1868年英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，并从理论上推导出电磁波的传播速度就是光速，认为光是一种电磁波，把原来相互独立的电学、磁学和光学结合起来。1888年，赫兹从实验上证实了电磁波的存在。至此，“波动说”在论战中占据了全面优势地位。但1900年普朗克提出了能量子假设，爱因斯坦利用光量子假设，成功解释了光电效应现象，说明光有粒子性的一面。到了20世纪，科学界认为光既具有波动性，又具有粒子性，具有“波粒二象性”。

从上述对光的本性认识的历程中可以看出，站在认识前沿的科学家，对科学的认识也有各自不同的“相异构想”，他们提出自己的观点都是从他拥有的认识开始，利用独特的思维方式建立模型，构建自己的理论，而不是凭空捏造出一种理论。如果要推翻旧的观点建立新的理论，必须要有强有力的事实。因而，我们从中得到启示：要想矫治“相异构想”，实验和科学的思维方式是两把利器。

一、实验是矫治“相异构想”的基础

瑞士心理学家皮亚杰的发生认识论指出：认知冲突是人的原有图式与新感受到的事件或客体之间的对立性矛盾。因此，要设计实验让学生的“相异构想”受到冲击，动摇错误“前概念”，形成正确的认识。

首先，直观感觉是形成“相异构想”的原因，消除直观感觉造成的“相异构想”，最好的办法是还原事实的真相，并做出合理的解释。

冬天碰到铁时感觉冷，而在同种环境下碰到木头时并不冷，于是形成了“同一环境下铁比木头的温度低”的“相异构想”。为此我设计了如下实验：在环境温度为5℃的情况下，将两个测温探头紧贴楼梯扶手的木质部分和铁质部分，然后一手握铁管处探头，另一手握木扶手处探头。在计算机上描绘出两个温度随时间变化的图线（如图1所示）。图1中下面一条图线显示用手握铁管时，测量出的温度迟迟没有达到人体的体温，而上面一条图线显示用手握木扶手时，温度很快达到人体的体温。由此可知，上述“相异构想”的形成原因是不同物质热传递的快慢造成的错误感觉，事实上铁管和木头的初温是相同的，并不存在温度更低的状况。

图1

其次，在学习抽象概念时，学生往往因为先入为主的想象形成了“相异构想”，为深入教学带来了极大的阻力。设计相似的实验可以帮助他们形成感性认识，通过类比使得抽象概念得到同化。

例如，初学电学时，不少学生认为“越靠近电源正极处的电流越大”。为了克服学生对电流的认识上的“相异构想”，我们先设计了一个水流的实验，选取三只相同的水表，用自来水管将三只水表串联，水管一端接位置较高的水杯，打开阀门让水通过三只相同的水表流入到较低位置的水杯中，如图2-1所示。当观察到三只水表示数变化相同时，学生认识到在串联的水管中水流量是相等的。

图2-1

图2-2

如图2-2所示。将三只电阻串联，再用三只相同规格的电流表分别串联在电阻之间，电流表A1靠近电源的正极，电流表A3靠近电源负极，接通电源时，观察到三只电流表中的读数是相同的，从而引导学生认识到串联电路中各处的电流强度相等的结论。

最后，“相异构想”具有顽固性，为此，可设计实验将原有经验和新信息进行对比、分析、批判、选择和重建，使得学生对相关信息经修正、重组后再吸收，形成科学的认识。

例如，在学习力与运动关系时，学生依据零碎的日常生活经验形成了“力是维持物体运动的原因”这个“相异构想”。在教学中我们设计了如下的系列实验。

如图3-1所示，用弹簧秤拉木块在水平面上运动时，弹簧秤上显示有拉力，说明物体在水平拉力的作用之下运动起来（符合直观认识，学生有亲和感）。

如图3-2所示，将木块放在水平的传送带上，事先将下面的传送装置遮挡起来，当传送带转动时，用弹簧秤拉住木块，弹簧秤上显示有拉力，但物体在水平拉力作用下处于静止状态（学生会感到疑惑，有迷茫感）。

图3-1

图3-2

如图3-3所示，将木块从圆弧面上的某一高度由静止释放，木块运动到水平面上时能滑行较远的距离才停止。如图3-4所示，在图3-3的水平面上铺垫一层薄纱布，将木块从图3-3中的同一位置由静止释放，木块在水平面上滑行距离比图3-3中的距离要小得多而停止。对比这4个实验，学生首先看到有力作用时物体才能运动的现象，这个现象与他们的经验相吻合。当看到物体在水平拉力作用下处于静止时便产生了困惑，会感到自己的经验可能是错误的。这激发了学生的探究欲望，促使学生初步形成“力不是维持物体运动状态的原因”的认知。通过物体以相同的初速度在不同水平面上运动距离的比较，得到“力是改变物体运动状态的原因”的结论。在上述认知过程中，发生了同化顺应、认知排斥、修正重组等思维活动过程，有效矫治了“相异构想”。学生能够领悟到力是改变木块运动状态的原因，而不是维持物体运动的原因。

图3-3

图3-4

学生的“相异构想”具有自发性、多样性、顽固性、隐蔽性、反复性的特点，在教学过程中应根据发现的“相异构想”设计不同的实验进行矫治，这是初中物理教师在教学过程中应思考和实践的重要内容。

二、科学的思维方式是矫治“相异构想”的重要方法

美国心理学家波斯纳的“观念转变”理论指出：对当前的观念不满意是产生观念转变的关键。思维是对事物的间接反映，它通过其他媒介认识客观事物，借助于已有的知识和经验，已知的条件推测未知的事物。科学的思维方式有分析与综合、比较与分类、抽象和概括等几个方面。基于学生的“相异构想”，顺应他们的思维过程进一步深入下去，直指他们的错误认知，可有效地矫治他们的“相异构想”。在教学实践中我们发现，对比、直觉和逻辑三种思维方式对矫治“相异构想”较为有效。

对比思维是对几种相同或是不同事物的某些方面进行比对，寻找事物的异同及其本质与特性。在教学中可以设计一个易错的情境，让学生暴露出“相异构想”，再通过这样的思维方式进行对比纠正，矫治“相异构想”。例如，在教授“霜的形成”时，学生从“下霜”两字认为霜是从天空中降落的，教师可以对比“下雨”“下雪”，分析霜的形成过程，进而矫治这一“相异构想”。

直觉思维是一种一次性猛然接触事物本质的思维，它需要在得出结论后再去论证自己的观念。这种思维需要平时有对事物本质认识的积累。直觉思维由“显意识→潜意识→显意识”构成一个动态整体结构，有整体性和跃迁性的特点，使用这种思维方式能使学生的“相异构想”受到强烈的冲击。例如在教授“惯性”时，学生总认为力越大物体惯性越大。教师可以做演示实验，将杯子放在纸条上，慢慢拉动（用力小）时杯子随纸条一起前进；当运动到桌子边缘时，猛地抽出（用力大）纸条而杯子没有随纸条掉落。通过这惊奇的一幕，有效地矫治了学生的“相异构想”。

逻辑思维，是从已有的概念出发推导出结果的过程。因为已有的概念中存在“相异构想”，所以经过推理后得到相互矛盾的结果，为了解决这个矛盾，学生不得不回头思考问题出在哪里，最终矫治“相异构想”。例如学生在学习物体的浮沉条件时，由于生活经验形成了“重沉轻浮”的“相异构想”。可以引导学生做如下思考：既然重的物体在水中下沉，轻的物体在水中上浮，如果用细绳将重物和轻物绑在一起它们更重了，再放入水中两个物体一定是下沉的，但事实往往并非如此。通过这样的逻辑推理，有效地矫治了这一“相异构想”。

矫治学生的“相异构想”是初中物理教学中的重要任务，有经验的教师有意无意地在做这项工作。矫治“相异构想”的策略不仅仅是回顾物理学史、设计实验和利用科学思维，还可以在教学过程中创设学生以前所未经历的情境来引发认知冲突；对某些顽固性的“相异构想”，可以多种手段并用，以强化认知冲突；对因字词生意的“相异构想”，要解剖其字词的多种意思及形成概念的原因，把握概念实质。

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［2］冯一冰，熊宝库.前概念对物理概念教学的影响及教学策略［J］.物理通报，2004（02）.

［3］李高峰，刘恩山.前科学概念的研究进展［J］.呼和浩特：内蒙古师范大学学报，2007（04）.

G633.7

A

1005-6009（2017）43-0018-03

1.周洪池，江苏省建湖县教育局教研室（江苏建湖，224700）物理教研员，正高级教师，盐城市学科带头人，全国模范教师；2.唐登研，江苏省建湖县城南实验初中（江苏建湖，224700）教师，高级教师，盐城市教学能手。