國外學生力學概念的研究

摘 要：國外在物理概念研究方面取得了頗有價值的研究成果。本文介紹、分析了國外學生力學概念的研究內容和結果，以期對我國的物理概念教學及改革有一定的啟示作用。

關鍵詞：國外；力學概念；前概念

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2007)8(S)-0003-4

1 引言

物理概念是客觀事實的物理共同屬性和本質特征在人們頭腦中的反映，是物理事實的抽象。物理概念是整個物理學知識體系的基石，而“牛頓力學是整個物理學的基礎，因此學生對于牛頓力學概念的理解是學好物理的關鍵”。上世紀二十年代，皮亞杰開創了對兒童物理概念研究的先河，他偏重于研究年幼的孩子對于力和運動概念的理解。更多的物理教育研究者從八十年代開始了大規模對學生物理概念的研究，其內容涉及到力、運動、能量、光、熱、溫度及簡單電路等，但其中大部分研究集中在力學領域。現就國外學生力學概念的研究內容和結果進行分析，以期對我國物理概念教學及改革有一定的啟示。

2 國外學生力學概念研究的內容

2.1 運動學概念研究

運動學體系是整個牛頓力學的基礎，而時間、位移、速度、加速度又是運動學體系的基本概念，因此學生對于這幾個概念的理解會直接影響其牛頓力學的學習。華盛頓大學教育研究小組從80年代初就開始研究學生對于運動學概念的理解。他們主要通過實驗創設問題情景，然后結合訪談考察學生對于加速度、速度概念的理解。首先，選取一些學生，他們都學過速度、加速度的概念，并都知道速度、加速度的公式；其次，讓他們觀察實驗：將兩個相同的小球放在兩個傾斜度相同的“U”槽軌道上(注：兩個軌道的形狀并不一樣，從而導致兩個小球具有不同的加速度)，球A放在球B后幾厘米處，先無初速釋放球A，當球A向下運動了幾厘米后(仍處于球B后方)，會碰到一個觸動開關，從而無初速釋放球B，兩個球會同時到達軌道底端并具有相同的末速度；最后，對學生進行訪談：兩個小球加速度大小是否相同。研究發現學生存在著很多關于運動學概念的錯誤理解，可歸結為以下三種類型：(1)思維定勢，有學生認為兩個小球具有相同的加速度，“因為兩個軌道具有相同的傾斜度，所以兩個球的加速度相同。”這主要是因為學生經過長期常規斜面問題訓練形成了思維定勢，從而忽略了“U”槽軌道的特殊形狀。(2)速度與加速度不分，有學生認為A、B兩個球或許具有相同的加速度，“因為相對于球B，球A在較長的時間內，運動了較長的距離”；也有學生認為球A具有較大的加速度，“從球B開始運動算起，在相同的時間內，球A的運動距離更長”；(3)缺乏公式運用能力，有學生認為球B具有較大的加速度，“因為球B在較短位移內，其速度變化和球A是一樣的”，這些學生對加速度有一定的感性認識，但不會應用所學加速度公式進行推理。

2.2 牛頓運動定律的研究

牛頓第一、第二、第三定律構成的牛頓運動定律，毫無疑問是整個牛頓力學體系的核心。研究者也非常關注對牛頓運動定律的考察。Halloun和Hestenes(1985)在前人研究的基礎上設計了力的診斷測試量表(Mechanics Diagnostictest，簡稱MD)，其主要作用是全面、系統的考察學生對牛頓力學概念的定性理解，并不涉及公式運算。早期的MD是開放性問題，要求學生寫出答案及其原因，然后研究者對錯誤答案及原因進行總結、歸納、分類，并最終使其成為MD選擇題的一些選項，其實這些錯誤答案是學生前概念最真實的反映。所謂前概念(preconception)是指學生長期日常生活經驗的積累以及辨別式學習而形成的對事物非本質的認識，也稱相異概念或大眾觀念。Hestenes等人于1992年推出了MD的改進版：力的概念調查表(Force Concept lnventory，·簡稱FCl)，FCI共有29個題目(新版本有30題)，每個題目5個選項，其中有16個題目針對牛頓運動定律。Thornton和Sokoloff于1997年設計了力和運動概念評價量表(The Force And Motion Conceputal Evalution，簡稱FMCE)，相對于FCI，FMCE有幾點變化：增加了題目，FMCE共有43個題目，其中有36個題目針對牛頓運動定律；每個題目有8個選項，減低了誤選的可能性；增加了考察方式，有些題目以s-t、v-t、a-t圖像方式呈現。

2.2.1 牛頓第一定律的研究

Clement于1982設計了三個問題，分別是：單擺問題、拋硬幣問題、火箭軌跡問題，這些題目經過修改后被FCI所采用。它們只是定量地考察學生，并不涉及公式運用及數學計算。其中拋硬幣問題極具代表性，實驗要求被試在忽略空氣阻力條件下，用箭頭表示硬幣被拋向空中時，上升和下落階段各自的受力情況。研究發現“運動意味著力”這一與牛頓第一定律相矛盾的前概念廣泛存在于學生頭腦中，其主要表現集中在以下兩個方面：(1)運動方向上肯定有力的存在，有些學生認為上拋的硬幣受到兩個力：一個是重力，一個是拋力。上拋時拋力大于重力，下降時重力大于拋力；(2)隨著速度的變化，力是會“耗散”或者“恢復”的，有些學生認為力開始作用的瞬間很“強”(當它離開手時)，它隨著球的上升而逐漸減弱，運動停止時(瞬間)，力也就消失了，然后引力使球降落。

2.2.2 牛頓第二定律的研究

FCI對于牛頓第二定律的考察，不是局限于學生對于公式F=ma的記憶，更重要的是考察學生在具體情景中的應用。如：一女士以恒定的的力推一個箱子，箱子以恒定速率V在水平地板上運動，當該女士用兩倍的水平推力推箱子，則箱子會怎樣運動?在測試中發現很多學生認為箱子將會以2V的速率運動，即速度和施加的力成正比。這主要是由日常生活經驗造成的，即“越用力推物體，物體就走得越快”，使得學生特別容易混淆速度與加速度的概念。

2.2.3 牛頓第三定律的研究

FCI和FMCE的量表中有很多碰撞類的題目考察學生對于牛頓第三定律的理解，可歸結為以下三種類型：第一、一輛大卡車和一輛小汽車相互碰撞，它們之間相互作用力的大小；第二、小汽車推著熄火的大卡車向前加速或勻速運動時，它們之間相互作用力的大小；第三、兩個質量不一樣的人坐在椅子上，然后各自朝對方的椅子用力，在推椅子的動作進行及兩學生仍然接觸期間，它們之間相互作用力的大小。學生的錯誤理解可以總結和歸納為兩個方面：(1) “沖突原則”，學生把相互作用力看成是“兩個相反力的斗爭”，且越有力的物體施加的力越大，這里“越有力”可以看作“體積越大”“質量越大”或者“更積極”。(2)力的疊加與作用力、反作用力相混淆，尤其在第二類題目中，很多學生認為：“小汽車推著大卡車加速運動，那么小汽車對大客車施加的力肯定大于大卡車對小汽車施加的力。”

2.3 運動的合成與分解

平拋運動是牛頓力學中最重要的一種曲線運動模型，對平拋運動的研究方法是運動合成與分解的典范，因此通過對學生平拋運動理解的考察，可以了解學生對于運動的合成與分解的掌握情況。FCI中考察學生對于平拋運動理解的題目主要有兩類：

(1)常規平拋運動：不考慮空氣阻力，正在飛行中的飛機丟下物體的運動軌跡。學生錯誤理解主要有以下兩個方面：(1)參考系選擇錯誤，有些學生選擇了從飛機上觀察小球運動；(2)沒有建立慣性的概念，有些學生認為小球離開飛機就沒有水平速度了。

(2)類平拋運動，如下題：

一枚火箭在外部空間由“a”點橫向漂移至“b”點。該火箭不受任何外力作用。在“b”點時，火箭的引擎發動并產生一恒定的推力(作用在火箭上的推力)，方向與直線“ab”成直角。該恒定推力一直保持到空間中一位置“c”(圖1)。問下列哪一路徑最能表示火箭在“b”與“c”間的路徑?(圖2)

類平拋運動的理解需要以平拋運動作為基礎，因此學生的錯誤率比較高。選擇錯誤答案的原因主要集中在以下幾個方面：(1)A選項，力具有“耗散性”：力剛開始很大，則物體的運動軌跡就靠近力的方向，隨著力逐漸減小，物體的運動就偏向水平方向；(2)B選項，“最后的力決定運動”：物體只受到一個力的作用，那么物體就會沿著所受力方向運動；(3)C選項，沒有區分“持續力”和“瞬時力”；(3)D選項，“力具有延遲性”：施加的恒定推力會在水平運動一段時間后才顯現出來。

2.4 重力概念的研究

Watts（1982)通過訪談一些中學生，發現了學生關于重力的幾個錯誤概念：(1)重力的作用需要媒介；(2)沒有空氣的地方就沒有重力：(3)重力隨著高度增加而增加；(4)重力從物體下落時開始對物體作用，當物體靜止在地面上時，就沒有重力；(5)物體越重下落越快。研究表明隨著年齡的增大，知識的積累，學生持有這些錯誤概念的比例不斷降低。然而這些錯誤概念真的已經被轉變了，還只是被隱藏起來了?FCI中為了考察學生對于“忽略空氣阻力，輕重物體下落速度一樣”這一概念的理解，重現了伽利略的比薩斜塔實驗：“忽略空氣阻力情況下，輕重兩個小球從同樣高度落下，是否同時落地?”，同時從不同的角度提出了新的問題：“讓這兩個小球以同樣的速度從水平桌面上滾下去，它們落地點離桌底的距離之間關系”。兩個問題的正確率有著天壤之別，第一個題目正確率非常高，而在第二個題目中，很多學生認為重的物體落地點離桌底遠，甚至有學生認為其距離與質量成正比。看來，“物體越重下落越快”這個自亞里士多德開始數千年被人們信奉為“真理”的誤解，今天仍然普遍隱藏在學生的頭腦中。

3 國外學生力學概念研究的結果

3.1 前概念、相異概念廣泛存在于學生頭腦中，并嚴重影響物理概念的學習

大量研究發現，學生或許可以熟記許多科學名詞、科學事實、科學理論等，但是對于這些名詞、事實、理論和概念并沒有真正理解，這是由于學生在學習物理之前，通過日常生活的種種渠道和自身的實踐，對客觀世界中的各種實物己形成了前概念。Heuvelen(1991)認為“擁有前概念的學生，他們看到的只是彈簧、繩子、斜面、滑車等問題中的實物，而不能像物理學家那樣看到問題背后的物理概念。由于不能對問題進行定量的分析，更不用說把物理過程用數學公式表達出來，學生只好不停的使用公式”。Hestenes、Wells(1992)等人也意識到“學生很多關于力學方面的前概念與牛頓力學概念是相矛盾的，這些前概念的存在使得學生聽不懂物理課，從而導致他們強行記憶一些沒有關聯的片段，做著沒有意義的作業，所以很多學生有厭學情緒”。

3.2 前概念與科學概念并存于學生的頭腦中

有研究者做了這樣的實驗：一個有點像干冰氣墊器的那樣圓盤，在幾乎是無摩擦的玻璃臺面上不停的運動。通過軟管打進空氣，打進空氣的數量和方向可由鍵盤控制。然后要求學生用這種盤——桌——管裝置模擬電子游戲機進行比賽：“使圓盤在桌面上以穩定的速度沿直線運動——圓盤出發后不加速也不減速”。測試的對象是即將進入名牌大學就讀的優秀高中畢業生。很多被測在實驗中為了維持圓盤的運動都在不停的按著鍵盤，但在游戲后的訪談中發現大部分的被試都知道圓盤的運動不需要力的維持。這說明學生解決問題存在兩種水平，在直覺判斷上使用錯誤概念，而在邏輯推理水平上使用正確的概念體系，即在學生頭腦中存在兩套系統并存的情況。Goldberg和Bendall(1995)認為：“傳統教學中，學生都把記憶性的、以公式為中心的問題解決方法作為學習物理的正統工具，他們缺少面對陌生環境利用所學的概念和定律進行推理的能力。因為他們的知識只是由零散的、少量的事實和公式組成，當遇到陌生的環境時，學生外顯的還是他們的前概念。”

3.3 傳統教學很難轉變學生的前概念，需要新的教學策略

Hestenes、Wells等(1992)對傳統講座教學方式下1500多名中學生以及500多名大學生進行了FCI測試，發現學生前后測試的分數提高并不明顯，同時還發現：前概念的轉變與學生的數學基礎沒有明顯關系，所在測試班級教師水平(達到合格以上)與測試的結果也沒有必然的聯系。有研究甚至發現，傳統教學之前有34．9％的學生認為恒定的力產生恒定的速度，但是學完課程后這部分的人數卻增加到了59．9％，也就是說，傳統教學沒有幫助學生理解概念，反而起了反作用。

國外研究者認為：“盡管教育者目前對于學生在各個學術和非學術領域所擁有的前概念知識以及怎樣在教學中與這些知識互動已經有了很多好的想法，但是，研究表明這些已有的概念在傳統教學中很難發生改變。這些研究發現向我們揭示了一個令人失望的局面，也就是說教學常常不能使學生放棄原有的知識、觀念而形成我們期望他們具備的知識。這一結果對教學的理論和實踐都提出了挑戰，促進我們重新評定教學目標、設計新的教學策略”。有研究發現：“體驗到認知沖突是影響概念轉變的重要因素”，因此有效的概念教學必須要讓學生產生認知沖突：首先創設一定的情境，使學生對一些現象所持的觀念明朗化，然后直接對其進行挑戰，從而引起認知沖突，解決沖突的嘗試為隨后的學習提供前提。同時有研究者認為：“當力學的精確數學表達式被看作教學唯一重點時，公式的死記硬背式學習就常常取代了對概念的理解，最好的預防措施就是教沒有數學的物理，至少在教學過程的初期應這樣”。

參考文獻：

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(欄目編輯趙保鋼)