力和运动关系的前概念形成原因及教学对策

王震 李雪

摘   要初中学生正式开始学习物理知识前，往往从自身生活经验出发对事物形成一定的看法和观点，即头脑中的“前概念”。前概念对学生科学概念的学习存在着消极或积极的作用。以学生对“力和运动”关系的认识为例，分析其中错误前概念的形成原因，并在牛顿第一定律的教学中实施教学对策，转变错误的前概念，构建科学概念。

关键词 力和运动  物理前概念  科学概念  教学对策

苏联心理学家维果茨基提出，学习者脑中的概念分为两类，“科学概念”与“日常概念”。“科学概念”是学生在科学实践活动中逐渐形成的，是科学教育或他人科学指导下的产物，往往经过实践的反复检验。另一类为“日常概念”，包括学生在以往日常生活实践和辨别学习得来的直观体验和感性认识。日常概念产生于科学教育之前，因此也称为“前概念”。前概念缺失较为科学、完全的理论基础，其中存在普遍认为合理的认识，也存在一些认识有偏差、错误的结论。

中学物理学习中，学生的感知多数来源于生活，由此产生的一些看法和观点影响着科学概念的学习。学生借助生活经验的积累时常会对物理现象产生错误的理解，错误前概念在头脑中留下痕迹，对科学概念学习产生不良影响。初中物理力学知识中的前概念在学生头脑中较为丰富，是值得我们探讨的内容。

一、物理学习中的前概念和科学概念

物理前概念是学生在物理情境中主观构建的产物，对物理学习产生的影响既有积极的也有消极的[1]。皮亚杰最早开展对前科学概念的研究，他在1929年出版的《儿童关于世界的概念》中有很多关于力学与力学前概念的详尽论述。皮亚杰认为学生对力有6种类型的认识，先于正式学习产生：力即运动;知道的东西才存在力，否则没有力;物体的轻重与力的大小有关;力是有目的有效的行为;能持久支持的物体就存在力;力是移动物体的动作[2]。

物理中的科学概念是经过多次实践检验、被广泛认可以及能较准确体现事物和现象本质的物理概念和规律。例如科学概念“力不会脱离物体存在”，但学生会存在“扔出的球仍然受到手对它的力”的日常概念。科学概念认为“力的作用不能传递”，一些学生却认为生活中使用工具的过程就是力通过工具传递到另一个物体上。这些认识构成了学生认知结构的一部分，由日常经验积累而来，影响着科学概念的学习。因而，我们有必要探寻形成前概念的原因，实施具体的教学对策转变学生头脑中错误的前概念。

物理力学前概念大都来源于学生对生活中物体移动、水中漂浮、拉、压等力学现象粗略认识以及经验积累。基于观察和切身体验，学生得到了一些碎片化认识，其中难免存在对事物的片面理解和主观认识，阻碍力学中科学概念的理解和运用。错误的物理前概念造成对物理事物的错误理解，得到错误的结论，进而影响学生科学物理概念的建构[3]。

二、力和运动关系错误前概念成因

1.日常生活的感知，形成错误前概念

学生通常将日常生活中获得的感知作为认识物理现象、物理事物和物理事实的基本材料。自儿童时期起，他们就接受来自外部世界的多种刺激：观察到事物发生的变化，书籍、电视媒体中的物理知识，别人的描述。刺激信号接收后，大腦做出相应反应，形成表象。这种直觉形成的表象具有模糊与易变的特点，干扰科学概念的形成。以错误表象为基础，很容易产生错误的物理前概念。

比如，学生日常会感受到奔跑速度越快越不易停下，认为“速度大的物体惯性大”。学生发现用很小的力推物体，物体静止或运动得很慢，较大的力推动物体，物体运动得快，形成“运动速度快的物体受到的力一定很大”的前概念。学生在生活中感知得出的结论仅依据少数物理现象，产生的错误前概念在头脑中先入为主，根深蒂固不易转变。

2.主观构建概念，形成错误前概念

科学研究过程需要用已知的正确理论验证结论，初中生思考问题往往缺少严谨的推理过程。他们对接触到的物理现象充满好奇心，渴望寻找一个观点说明眼前的现象。例如，学生认为A车处于静止状态，B车运动与A车相撞，B为“主动施力”物体，施加给A的力要大于A给B的力，主观构建错误的前概念，即“主动施力的物体施力更大”。又如，学生学习牛顿第一定律前，解释“踢出的足球能够继续运动下去”，主观推断足球仍受到力，只是力越来越小，直至消失，才会慢慢停下来。学生利用主观论断解释物理现象，形成错误前概念。

3.与其他概念联系失当，形成错误概念

认知主义观点，一个新的认知的形成必须以个体原有认知结构为基础，学习即认知结构不断建构更新的过程。科学概念的形成必须要与原有认知结构中概念建立联系，学生在学习科学概念的过程中更有亲切感，主动把新概念同已有概念建立必要的联系，但有时候联系失当就会形成错误前概念。学生初学力的知识，容易将惯性与力联系起来，认为惯性也是一种力，这种关联是不恰当的。这类由于不当联系形成的前概念很难消除，教师要有意识地去引导学生认识到他们主观意识上存在的错误认识。

4.原前概念未处理，形成错误前概念

建构主义以为，新知识的学习过程是对所获得的信息的加工、整合与改造，这个过程建立在原有经验基础上，却不是知识间的简单叠加。学生先前积累的知识经验无疑会对新的学习起到积极作用，但学生的原有经验同样包含着错误前概念。前概念具有隐蔽性，学生先前的学习中如果没有显露出来，就会一直潜藏在头脑中。学生在原有错误前概念基础上建构对事物的理解，会再次产生新的错误前概念。比如，人站在匀速行驶的车中，很多学生认为人处的状态是因为受摩擦力，或者认为受惯性力，学生有“力维持着物体运动”的错误前概念，同时还形成了“惯性力”这个错误的物理概念。

物理科学概念的学习基于物理现象和物理事实，前概念普遍存于现象之中。要明确学生头脑中原始前概念，预估可能产生的错误前概念，有针对性地实施教学，促成科学概念的形成。

三、转变错误前概念的教学对策

学生对力和运动关系的认识存在着错误前概念，教师设法利用和转变学生的错误前概念，在牛顿第一定律的教学中实施教学对策。

1.优先捕捉前概念，基于已有经验进行教学

学生头脑中大多数前概念都是从日常生活的感知逐渐产生的，往往以一种隐性形式存在，不轻易暴露出来。教师首先要捕捉这些前概念，才能以学生已有经验为基础有效开展转变错误前概念的教学。

牛顿第一定律教学中，教师引导学生利用身边物体，施加一个力使物体运动，撤去力后再观察物体运动状态。学生发现停止施加力，物体也会停下来，生活中有很多类似的情境。学生回顾自身生活经验自然地认为物体运动需要力的作用，如果撤去这个力，物体立即停止运动，力维持着物体的运动，教师指出亚里士多德的观点也是如此。

2.创造问题情境，引发认知冲突

为引发学生认知矛盾，教师须创设符合学生认知规律的问题情境，让学生感知到自己前概念中的谬误，意识到要解决冲突必须重新建立科学概念，同时加深对正确概念的理解。

教师让学生继续加强体验，快速推动小车，手突然停下观察小车运动情况。学生发现小车与手分离之后并没有马上停下来，仍然向前运动，只是运动越来越慢，直至停下来。教师再问：小车离开手，推力还起作用吗？学生之前关于运动的认识，知道离开施力物体，力不会存在。教师再追问：小车都不再受到推力了，怎么还在向前跑？环环相扣的问题，触动学生的思维。接着，教师演示小球惯性的实验，拨动簧片将小球与底座之间的垫片快速击出，一些学生猜想垫片随小球飞出，结果小球保持原有运动状态（静止），实验现象与猜想产生了认知上的冲突。

教师继续创设情境，播放公交车突然刹车，车内乘客身体和物品向后运动，百米赛跑运动员冲过终点线后不能立即停下来的视频。抛出伽利略观点：运动不需力来维持，与亚里士多德的观点相悖，引发学生思考。学生在思考与比较中意识到先前的认识是错误的。至此，教师自学生常有的错误前概念出发，制造认知矛盾，对比推出与之相反的结果[4]。

3.注重实验探究，丰富感性体验

教师引导学生进一步分析小车与手分离后的受力情况，水平方向小车只受到摩擦力。在此基础上，教师让学生思考假如物体不受任何阻力，又会怎样运动呢？师生共同探究摩擦力对物体运动距离的影响，实验中三层相同的斜面均连接着水平木板，由上至下表面分别为木板（较光滑）、毛毡（较粗糙）和毛巾（很粗糙）。三节电池同时从每层斜面同高度处静止释放，在不同的平面上运动，最终停下来。尽管是一个传统的演示实验，但是学生直观地观察到了三节电池受到摩擦力与运动距离的关系。得出电池在木板上运动距离最远，其次是毛毡，毛巾上的电池运动距离最近。保证其他条件相同时，摩擦力越小，物体在平面上运动距离越远。教师提问，“如果平面足够光滑，电池将如何运动？”因势利导，学生大胆分析，若无摩擦，电池会一直运动。此时，学生自身真正地经历了建立科学概念的过程，实现了错误前概念“力维持物体运动”的完全转变。

4.展开概念剖析，區分混淆概念

“物体具有惯性”学生容易理解为惯性是作用在物体上的力。教师要注意进行概念辨析的训练。教师可利用学生已了解的力的性质，让学生尝试找出惯性的施力物体。假想惯性是一种力，可这个力却没有施力物体，认知冲突再一次出现。教师又创设了一次认知冲突，引导学生彻底地认识了惯性概念和力的概念：（1）概念内涵不同。惯性为物体本身的固有属性，是物体具有的保持原有运动状态的性质。力是物体间的相互作用，不同力的存在需要不同的条件。（2）概念属性不同。惯性只分大小，没有量度和单位，更没有方向，任何情况下都存在。力则是一个有大小、方向的物理量，作用点不同也会影响力的作用效果。（3）概念外延不同，比如惯性与物体的运动状态无关，物体不论是静止的、还是运动的都不会影响其自身的惯性，物体具有这种保持原有运动状态的性质，而力则改变物体的运动状态。

5.提高学生思维能力，理清概念间联系

教师要善用思维方法加深概念理解，明确物理概念之间的联系，培养学生思维能力。教师可利用归谬法，首先假设前概念观点正确，即“物体运动得越快惯性越大，速度小则惯性小”。那么当物体速度为零（静止）时，惯性应最小。事实上，比如大型轮船启动是非常困难的，它静止时速度为零，但惯性却很大，直接说明了学生头脑中关于惯性与物体运动状态有关的认识是错误的。教师引发学生思维上的“自相矛盾”，令其看清物理规律的本质，即物体的质量决定惯性大小。

为此，物理前概念产生的原因各不相同，教师应采用有效的对策转变学生头脑中的错误认识，有效提升初中学生的认知水平，促进科学概念的构建。

参考文献

[1] 陈庆军，吴能平.物理前概念研究，对构建科学概念的启示[J].物理教师，2011（05）.

[2] Piaget J.The childs conception of physical causality[M].London：Routledge Paul K，1930.

[3] 刘胜华.物理教学中转变前概念、建构科学概念的策略[J].物理教师，2009，30（08）.

[4] 周洪池，管光华.高中学生物理前概念中相异构想的成因及矫治策略[J].物理教师，2017（12）.

[作者：王震（1975-），女，吉林省吉林市人，辽宁师范大学物理与电子技术学院，副教授，硕士;李雪（1995-），女，辽宁阜新人，福建省厦门第一中学，中学二级教师，硕士。]

【责任编辑  孙晓雯】