運用概念變化策略，建構學生科學物理概念

以皮亞杰認知理論為基礎發展起的建構主義認為［1］：學生學習新的概念之前，頭腦中已經有大量的、在日常生活基礎上形成的相關知識經驗，這些知識經驗稱之為前概念；學生的學習過程就是通過新舊經驗的相互作用來建構自己的知識的過程。在促使學生建立科學的物理概念的教學中，教師應當關注學生的前概念，并采取適當的教學策略有效的促使學生建立科學的物理概念。“概念變化”正是基于此的一種教學策略，它通過對學生前概念進行發展、修正、改變等手段去建構完整的科學物理概念。其教學設計的一般流程如下［2］：

下面以高中物理［3］《波的形成與傳播》為例簡析如何運用概念變化策略運用于教學當中。

1本節教學主要內容

參照教材及近幾年的高考考試說明，本節教學內容中，學生要建構的物理概念主要有：

（1）在介質中，前面的質點帶動后面質點，后面的質點重復前面質的運動而形成機械波。

（2）機械波是機械振動在介質中的傳播，傳播的是機械振動這種形式，質點不會隨波遷移。

（3）機械波是大量質點的集體表現，是宏觀現象。

2學生的機械波前概念調查分析

實施教學內容之前，通過問卷的方式對學生的前概念進行調查，情況如下：

確定教學任務→了解學生前概念→分析前概念，確立概念變化的方式、途徑→建立物理概念

2.1教材中為引入課題所列舉機械波的現象中，大部分不會得到學生的認可

教材中回避了以給機械波定義的方式去開始講解機械波，而是通過一些具體的現象讓學生了解什么是機械波，之后再分析機械波是如何形成與傳播的。但是，通過調查發現書上的列舉的現象大部分得不到學生的認可。

如大部分學生不認為“五星紅旗迎風飄揚，是波在旗子上傳播”、“舞蹈演員舞動的長綢顯示了波的傳播情況”。不認可的學生前者約占85%，后者約占81%。同樣，也只有極少數人（6%左右）知道“地震對建筑物的破壞是通過地震波實現的”。但對于“水波是機械波”的說法大部分學生（74%）覺得可以理解，這可能與學生生活中經常接觸到“水波”有關系。

2.2對于機械波的形成與傳播過程，幾乎沒有學生能給正確的、全面的理解

學生中較為典型的錯誤認識是：

（1）介質中的質點會隨著機械波的傳播而遷移；

如認為聲音在傳播時把空氣傳播出去了、在池塘中激起的水波向岸邊傳播時也把水推向岸邊。

（2）一個質點也能形成機械波；

（3）機械波可以在真空中傳播；

當然學生認識中也有合理的成份：

（4）機械波是和機械振動相聯系的；

（5）機械波具有周其性；

另外，通過分析學生的前概念，發現還有以下特點：

2.3前概念中有合理的成份，也有不合理的成份

學生的某些前概念是與科學概念相一致的（前科學概念）。如：機械波是某種振動相聯系、波在傳播時具有周期性和水波是一種波等。

大多數前概念是不科學的（相異構想）。如機械波傳播時介質會隨波遷移、一個質點也可以形成機械波等等。

2.4不同學生的前概念不盡相同

如雖然大多數同學不認為五星紅旗迎風飄揚是波在旗子上傳播，但也有少部分學生卻認可。

2.5就學生個體而言，其前概念體系往往自相矛盾

如有的學生認為，水波傳播時會將水送到岸邊，但同時又認為聲音傳播時不會把空氣傳播出去。

上述特點和有關文獻中提出的前概念特點是一致的。

3教學策略設計及實施過程

3.1教學設計時需要注意的問題

根據學生具有的前概念及其特點，在實施概念變化策略時要注意以下幾點：

(1)要重視學生的前概念中的合理成分，以便在此基礎上進行發展以建構科學概念；

(2)針對學生前概念的自相矛盾之處，要巧妙設置物理情景，引發學生的認知沖突，將學生的錯誤前概念轉變科學的概念；

(3)由于不同學生間的前概念結構并不相同，在教學中注意加強學生間的交流的合作，促使學生團體共同建構一個科學的概念。

3.2教學過程

3.2.1從分析實例開始，發展學生“機械波”的概念

基于大部分學生都承認水波是機械波這一事實，教學之初從分析討論水波這一常見的現象對學生“機械波”概念進行發展。

演示：用光學投影儀、水槽、振動源演示水波現象（圖1）。

先提出一個總體性的問題：水波是如何形成的？然后層層設疑，將問題引向教學核心：水波是否與水做機械振動有關系？一個水分子是否可以形成機械波？

針對教師的問題，師生共同討論后得出這樣的認識：

①水波是大量水共同形成的，是大量質點的集體行為，是一種宏觀現象；

②水波和水上下振動有關。

3.2.2建立機械波傳播的物理模型，轉變學生機械波中錯誤前概念

（1）實驗演示現象，引發學生的認知沖突

由調查知道，不少學生認為機械波是由于介質不停的向前傳播而形成的。因此，首先通過實驗或生活中的例子讓學生看到實際情況并非如此，從而引發認知沖突。

演示：在水波中入一小的紙屑或泡沫，可以看到，紙屑或泡沫只是在上下振動，并沒有隨水波傳到盛水盒的邊緣（圖2）。

同樣的例子生活中也會遇到，當皮球、氣球、紙船、落葉等漂浮在水面中央上時，想把它弄到岸邊檢起來，若通過朝水中扔石子激起水波將東西送至岸邊的方法總是不奏效（這個現象也可以播放真實情況的錄像讓學生了解）。

以上的實驗和例子說明，機械波的形成與傳播，并非因為介質向前運動．介質僅在原來的位置附近振動。

此時學生頭腦中就產生了強烈的疑問：機械波到底是如何形成的？

（2）通過實驗，建立正確的機械波形成與傳播的概念

為了便于分析機械波是如何形成與傳播的，必須建立波傳播的簡化模型：一維波傳播模型。該模型不能從水波直接建立，通過下面過程逐步進行：

①演示“繩波”（直接用軟繩演示效果不好，可用裝滿鋼珠的乳膠管代替軟繩演示［4］）如圖3：上下振動，可以看到一孤立的向上凸起的波向前傳播，水平振動，可以看到連續完整的波向前傳播（圖4）。

②比較繩波與水波，找出二者共同點：介質各部分均振動、均形成凹凸相間的形狀向前傳播。最后得出結論：繩中傳播的是機械波，它的形成與傳播原理，就是所有機械波的形成與傳播的原理。

③建立物理模型．將軟繩簡化為若干質點連接而成（圖5）

④利用箱式橫波演示儀演示機械波是如何形成與傳播的（圖6）。

通過以上教學過程，學生建立起如下概念：

①在介質中，前面質點振動，帶動后面質點也跟著振動，但時間上有延遲，大量質點相互“配合”形成機械波；

②質點只是在各自的平衡位置附近振動，不會隨波遷移；機械波傳播的是“機械振動”這種運動形式。

（3）學生親自參與模擬機械波的形成與傳播，促使科學概念的形成

根據多元智力理論，學生參與模擬機械波的形成與傳播有利用于他們對科學概念的建構。

如圖，讓十幾個學生站成一排，讓學生依次蹲下、站起，頭頂形成機械波。

比較摸擬的現象和真實機械波形成與傳播過程，如下：

①后面的同學看到前面同學蹲下、蹲起后重復前面同學的動作前面的質點帶動后面的質點，后面質點重復前面質點的運動情況；

②每位同學只是在原位置蹲下、站立，同學們傳遞了蹲下、站立這種運動形式質點只是在平衡位置附近振動，不會隨波遷移，機械波傳播了機械振動這種運動形式；

②頭頂形成“波”的形狀是多個同學相互配合的結果機械波是大量質點的集體行為。

（4）解釋現象，解決認知沖突

學生對于機械波的形成與傳播有了科學的認識后，接下來讓學生解釋前面遺留的問題：水面上的紙屑為什么不會隨水波向前傳播？

至此，學生對機械波的形成與傳播概念有了較為科學的理解。但這種理解，建立在對機械橫波的分析上。因此還需分析機械縱波的情況對該概念拓展深化。

3.2.3進一步發展科學概念，讓科學概念理解更全面深刻

前面所分析的機械波均屬于橫波，對于一個完整科學的概念而言，還需分析縱波的情況：

①演示彈簧中傳播機械波的情況（圖8，上圖是裝置圖，下圖表示縱波在傳播）；

②分析此現象，讓學生明確該現象傳播的也是一種振動形式，是機械波，并給出橫波與縱波的概念；

③借助箱式縱波演示儀說明縱波是如何形成與傳播的；

④總結對機械波的形成與傳播概念的理解，如下：

不論是橫波還是縱波，均有：

理解1，機械波的形成是因為前面的質點帶動后面的質點，后面的質點重復前面的質點運動；

理解2，介質中的質點并不隨波遷移，只是在各自的平衡位置附近振動；

理解3，機械波是大量質點的集體行為，機械波傳播的是振動這種形式

4結束語

運用概念變化策略促使學生建構物理概念，最重要的環節就是準確了解學生前概念和現有的知識水平。由于學生個體不同、生活環境不同均會導致學生前概念的不同，因此，運用此策略時要充分考慮不同班級學生、不同學生個體的具體情況。

由于教學內容的不同，采取的教學策略也會不相同，“概念變化”策略并不排斥其它策略，甚至是同一堂課的教學設計，也有可能會多種教學策略并用。但是，關注學生原有的知識經驗，采取恰當的教學策略有效促進學生對物理概念的理解，是每一個教師應當具備的教學理念，這也正是新課程中所提倡的，“概念變化”教學策略恰好反映了這一要求。

參考文獻：

［1］張建偉、陳琦. 從認知主義到建構主義. 北京師范大學學報（社科版)， 1996， 4: 75-82．

［2］P. H. Scott ， H. M. Asoko ， R. H. Driver 著 郭玉英、盧俊梅譯.“為概念轉變而教”策略綜述.物理教師，2003，Vol.24 No.5

［3］人民教育出版社物理室編著.全日制普通高級中學教科書（必修加選修） 物理（第二冊） .北京：人民教育出版社出版，2003

［4］劉偉．繩波的演示．物理實驗．.2004.vol24 No．11

（欄目編輯羅琬華）