對(duì)物理錯(cuò)誤前概念特點(diǎn)的探究

摘 要:教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生頭腦中錯(cuò)誤的前概念嚴(yán)重干擾物理教學(xué)，是導(dǎo)致物理難學(xué)#65380;學(xué)生怕學(xué)的一個(gè)十分重要的原因#65377;研究學(xué)生的這種前概念的形成及特點(diǎn)，有助于預(yù)測(cè)它對(duì)教學(xué)的干擾并有利于尋找解決問(wèn)題的有效策略，對(duì)于走出物理教學(xué)的困境#65380;提高物理教學(xué)效益，將會(huì)產(chǎn)生積極的作用#65377;

關(guān)鍵詞:前概念 廣泛性 頑固性 隱蔽性 特異性

引言

1903年，美國(guó)的霍爾啟動(dòng)一個(gè)計(jì)劃，調(diào)查兒童對(duì)自然現(xiàn)象如熱#65380;霜和火的觀念，這是最早提出前概念的研究[1]#65377;20世紀(jì)70年代中期，西方國(guó)家一些從事科學(xué)教育的學(xué)者對(duì)學(xué)生的前概念迸行了大量的調(diào)查研究，取得了豐富的第一手資料和研究成果#65377;研究報(bào)告大多數(shù)來(lái)自美國(guó)#65380;英國(guó)#65380;法國(guó)#65380;以色列#65380;新西蘭#65380;澳大利亞及香港地區(qū)等[2]#65377;在上世紀(jì)80年代，前概念研究迅速擴(kuò)展，1986年，德國(guó)不萊梅大學(xué)物理教育研究所的Horst Schecker做了“學(xué)生對(duì)力學(xué)的相異構(gòu)想”#65377;這一時(shí)期還召開(kāi)了多屆有關(guān)自然科學(xué)與數(shù)學(xué)教育中學(xué)生的錯(cuò)誤觀念的國(guó)際研討會(huì)[1]#65377;在上世紀(jì)90年代后期，物理前概念的研究不斷發(fā)展#65380;不斷完善，尤其在分析#65380;研究學(xué)生在各個(gè)課題上的前概念方面已趨于成熟#65377;文章根據(jù)前人的研究成果，研究了學(xué)生的錯(cuò)誤前概念的特點(diǎn)，這有助于預(yù)測(cè)錯(cuò)誤前概念對(duì)教學(xué)的干擾并有利于尋找解決問(wèn)題的有效策略，對(duì)于走出物理教學(xué)的困境#65380;提高物理教學(xué)效益，將會(huì)產(chǎn)生積極的作用#65377;

一#65380;關(guān)于“前概念”

現(xiàn)代教育學(xué)認(rèn)為，不論是教師還是學(xué)生，在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)時(shí)，頭腦里并不是一片空白，他們通過(guò)以往的教學(xué)實(shí)踐或日常生活(例如初中學(xué)習(xí)#65380;影視#65380;書(shū)報(bào)#65380;與同伴交流#65380;親身實(shí)踐等)積累了很多感性知識(shí)與理性的認(rèn)識(shí)，歷史地形成了對(duì)于教學(xué)諸多問(wèn)題的思維方式和基本看法，無(wú)形中他們養(yǎng)成了獨(dú)特的思維方式#65377;有時(shí)這些思維方式和基本看法與正確的科學(xué)概念并無(wú)沖突[3]#65377;在物理學(xué)習(xí)中，這種獨(dú)特的思維方式作為一種“資源”，既可以成為錯(cuò)誤概念產(chǎn)生的“溫床”，也可以成為科學(xué)概念形成的“胚胎”#65377;近些年，對(duì)于這種獨(dú)特的思維方式的定義(也就是所說(shuō)的前概念)雖然討論較多，但對(duì)這一思維方式的定義卻不盡相同，至少存在狹義和廣義兩種理解#65377;狹義的理解是指當(dāng)代著名建構(gòu)主義認(rèn)知心理學(xué)家?jiàn)W蘇貝爾提出的“相異構(gòu)思(二中擇一結(jié)構(gòu))”[4]，即學(xué)生在接受正規(guī)的訓(xùn)練或?qū)W習(xí)以前就已經(jīng)形成的錯(cuò)誤的觀念或認(rèn)識(shí)[5]#65377;也有研究者稱(chēng)之為“民間概念(人們觀念)”#65380;相異概念#65380;相異構(gòu)想#65380;錯(cuò)誤概念或者日常概念[6]#65377;這種理解也常見(jiàn)于近年來(lái)有些已公開(kāi)發(fā)表的文章中，它明顯地表明前概念都是錯(cuò)誤的[7]#65377;廣義的理解由德國(guó)多特蒙德大學(xué)的D.K.Nachtigall教授提出[8]，他在《規(guī)范與前概念》一文中是這樣定義的:“前概念是學(xué)生在沒(méi)有接受正式的物理教育以前，對(duì)所感知的現(xiàn)象#65380;生活中的常識(shí)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)加工所得出的認(rèn)識(shí)和理解#65377;后一種理解要廣泛得多，它不僅包含片面的#65380;錯(cuò)誤的觀念或認(rèn)識(shí)，還包含有科學(xué)的成分#65377;”目前，教育界普遍偏重于這種定義#65377;然而，后一種定義也不十分恰當(dāng)#65377;時(shí)間狀語(yǔ)“在沒(méi)有接受正式的物理教育以前”似有不妥，按照這樣的定義，學(xué)生在接受正式的物理教育后，從生活中#65380;經(jīng)驗(yàn)中得出的理解和認(rèn)識(shí)就算不上是前概念了#65377;結(jié)合中國(guó)現(xiàn)行的教育制度，學(xué)生一般從初一開(kāi)始接受正式的物理教育#65377;根據(jù)上文兩種的定策，引入“前概念”這個(gè)名稱(chēng)的目的是為研究它們?cè)诮虒W(xué)中所起的積極或者消極的作用，以便在教授與“前概念”相對(duì)應(yīng)的科學(xué)概念時(shí)，采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄅc策略#65377;因此，把“前概念”按下述定義應(yīng)更為合理:前概念是學(xué)生在習(xí)得某個(gè)具體的科學(xué)物理概念之前，通過(guò)自己的觀察#65380;體驗(yàn)與思考，對(duì)該概念的理解和認(rèn)識(shí)#65377;應(yīng)該指出的是，同那些含義與科學(xué)物理概念內(nèi)涵基本一致的前概念相比較，研究相異概念對(duì)指導(dǎo)物理概念的教學(xué)具有更大的意義，因此人們常說(shuō)的前概念往往指的是相異概念#65377;其核心特點(diǎn)是[9]:(1)是學(xué)生頭腦中強(qiáng)烈具有的一種穩(wěn)定的認(rèn)知結(jié)構(gòu)#65377;(2)不同于專(zhuān)家的概念#65377;(3)會(huì)對(duì)學(xué)生如何理解自然現(xiàn)象并做出科學(xué)的解釋產(chǎn)生重要影響#65377;(4)必須被克服#65380;避免或消除，以使學(xué)生接受科學(xué)的理解#65377;例如，在學(xué)習(xí)“牛頓第一定律”前，很多學(xué)生認(rèn)為物體只有受力才會(huì)有速度，不受力便沒(méi)有速度，物體的自然狀態(tài)是靜止的，物體只有在力的作用下才能運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)快慢與力的大小有關(guān);落體的快慢與物體的重量有關(guān)，物體越重，落得越快#65377;

二#65380;前概念的特點(diǎn)

1. 廣泛性

廣泛性體現(xiàn)在三個(gè)方面#65377;第一，內(nèi)容的廣泛性#65377;前概念所涉及的物理學(xué)內(nèi)容十分廣泛，不僅對(duì)那些看得見(jiàn)#65380;摸得著#65380;日常生活中經(jīng)常接觸的事物有較多的前概念，而且對(duì)于那些微觀的#65380;宇觀的和比較抽象的物理知識(shí)也存在不少的前概念#65377;如光學(xué)方面會(huì)觀察到平面鏡成像#65380;陰影#65380;太陽(yáng)通過(guò)樹(shù)葉間隙的小孔成像#65380;筷子在水中的彎曲#65380;凸透鏡的聚焦和放大作用等#65377;力學(xué)方面如直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)#65380;轉(zhuǎn)彎#65380;振動(dòng)等;熱學(xué)方面如從區(qū)別熱水和冷水有了溫度概念的體驗(yàn)，對(duì)雪的融化#65380;冬天搓手取暖#65380;夏天用涼水灑在身上會(huì)感到?jīng)隹斓葻岈F(xiàn)象有大量的觀察和體驗(yàn);電學(xué)方面也觀察到大量的日常現(xiàn)象，如閃電#65380;摩擦起電#65380;電燈泡發(fā)光#65380;電熨斗發(fā)熱#65380;電扇的轉(zhuǎn)動(dòng)等等#65377;第二，前概念反映在不同層次的學(xué)生中[2]，不僅中學(xué)生有一定程度的前概念，大學(xué)生也同樣存在這一問(wèn)題#65377;學(xué)生在建構(gòu)對(duì)事物意義的理解時(shí)，總是以自己的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)背景為基礎(chǔ)，因而不同學(xué)生看到事物的不同方面#65377;對(duì)相同的物理問(wèn)題，不同年齡階段或同年齡階段不同層次的學(xué)生中，會(huì)產(chǎn)生不同形式的前概念#65377;如低年級(jí)的學(xué)生大多數(shù)會(huì)把電流類(lèi)比成水流，而學(xué)過(guò)電學(xué)以后相當(dāng)多的學(xué)生又把閉合電路中電子的定向移動(dòng)等同于電磁波的傳播#65377;第三，就某一具體的物理前概念而言，它往往是學(xué)生中普遍具有的#65377;許多教師都有這樣的發(fā)現(xiàn):很多同樣的問(wèn)題會(huì)發(fā)生在同一地域的不同年齡的學(xué)生身上，他們對(duì)這些問(wèn)題的想法幾乎是一致的[10]，甚至不同文化背景的國(guó)家對(duì)一些物理課題的相異構(gòu)想也沒(méi)有多大差別[11]#65377;Viennot [12]以問(wèn)題“六個(gè)小球自雜技演員手中投入空中，這六個(gè)球沿不同軌跡在某一瞬間恰好抵達(dá)同一高度，請(qǐng)受測(cè)試者回答在該瞬間六個(gè)球所受的力是否相等?”測(cè)試了法國(guó)的中學(xué)生以及英國(guó)#65380;比利時(shí)的大學(xué)生#65377;問(wèn)題如圖一所示，研究結(jié)果顯示法國(guó)#65380;英國(guó)以及比利時(shí)分別有55%#65380; 42%#65380;54%的學(xué)生將速度與力結(jié)合在一起，誤認(rèn)為因?yàn)榱鶄€(gè)球的速度不同，所以所受的力也應(yīng)不同#65377;研究調(diào)查表明，學(xué)生均不同程度地存在著各種錯(cuò)誤的前概念#65377;例如，認(rèn)為“在空中飛行的子彈一定受到與運(yùn)動(dòng)方向相同的力的作用”的占40%;認(rèn)為“坦克車(chē)用履帶來(lái)代替車(chē)輪是為了減小車(chē)對(duì)地面的壓力”的占38%;認(rèn)為“人眼之所以能看到物體是由于人眼發(fā)出的光射到物體上”的占35%等[13]#65377;

2. 頑固性

前概念是日常生活經(jīng)驗(yàn)對(duì)物理現(xiàn)象的直覺(jué)認(rèn)識(shí)，是受到先期學(xué)習(xí)的影響，它們?cè)趯W(xué)生頭腦中潛移默化地形成，在日常的生活中日積月累而形成，是學(xué)生頭腦中強(qiáng)烈具有的一種穩(wěn)定的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，不易消解，這就是前概念的頑固性#65377;前概念是學(xué)生生活中親耳所聞，親眼所見(jiàn)，長(zhǎng)期積累并被認(rèn)可的，因而在他們觀念中是根深蒂固的#65377;如調(diào)查中發(fā)現(xiàn)幾乎所有學(xué)生都認(rèn)為“吊車(chē)將物體勻速吊起時(shí)，拉力大于重力，勻速下降時(shí)，拉力小于重力”，“同樣大小的一個(gè)木球和一個(gè)鐵球，木球入水則上浮，鐵球入水則下沉，說(shuō)明木球受的浮力大，鐵球受的浮力小”#65377;經(jīng)調(diào)查反饋后，仍有28%的學(xué)生持以上觀點(diǎn)#65377;物理前概念在學(xué)生正式學(xué)習(xí)物理前就已在頭腦中形成，學(xué)生往往是在自己親身體驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出來(lái)的結(jié)論，猶如一張白紙上的彩色畫(huà)，要想改變過(guò)來(lái)很不容易#65377;正如愛(ài)因斯坦認(rèn)識(shí)到的:“假如一個(gè)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，要改變這一物體的位置，需要給它施加力，比如說(shuō)，推#65380;拉或提，也許要用到馬和蒸汽機(jī)#65377;我們會(huì)本能地把運(yùn)動(dòng)與推#65380;拉或提這些動(dòng)作聯(lián)系起來(lái)，自己親自試過(guò)幾次后，更會(huì)認(rèn)為，要讓物體運(yùn)動(dòng)得快些就要施加更大的力#65377;于是，很自然我們得出以下的結(jié)論:物體受的力越大，其速度就越大，用四匹馬拉車(chē)肯定比兩匹馬快……”[7]當(dāng)面對(duì)一個(gè)新概念時(shí)，學(xué)生往往采取與既有概念相和諧的方式來(lái)整合#65377;一方面他們可能對(duì)新概念作出錯(cuò)誤的診釋#65377;如羅星凱#65380;周忠權(quán)[14]的研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生雖然記住了慣性這一術(shù)語(yǔ)，并不再持有“外力一撤消，物體就立刻靜止”這一典型的亞里士多德式的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持的觀點(diǎn)，但是他們臆造了一個(gè)與運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的力，用這個(gè)力解釋為什么物體在脫離外力后仍然會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，而慣性被自然地拿來(lái)作為表達(dá)這個(gè)力的“恰當(dāng)”術(shù)語(yǔ)#65377;這樣，雖然學(xué)生學(xué)習(xí)了慣性定律，但他們?cè)瓉?lái)所持有的“運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持”這一總的概念框架仍然沒(méi)有改變，而且也不必非要改變，因?yàn)樵谶@一總的框架下，通過(guò)對(duì)慣性概念的曲解，就能夠自圓其說(shuō)，能夠解釋所面臨的物理現(xiàn)象#65377;另一方面，學(xué)生可能忽略前后的矛盾，接受新概念的同時(shí)，保有一相沖突的相異概念而不自覺(jué)#65377;前概念含有兒童對(duì)自然界的先入為主的印象，又是自己“切身體驗(yàn)”到的東西，同時(shí)前概念又是兒童認(rèn)識(shí)世界所憑借的工具，兒童就是靠這種原始的認(rèn)知結(jié)構(gòu)來(lái)認(rèn)識(shí)世界，并“成功地解釋”了一些現(xiàn)象，因此，兒童往往對(duì)自己的這些信念深信不疑，很難使其放棄[15]#65377;雖然教師在教學(xué)中非常準(zhǔn)確清楚地交待了概念，但一些錯(cuò)誤觀念在學(xué)生頭腦中仍占據(jù)一定的位置，一遇到機(jī)會(huì)就表現(xiàn)出來(lái)[16]#65377;如用吊車(chē)勻速起吊浸沒(méi)在水里的物體，在沒(méi)有露出水面的過(guò)程中，不少學(xué)生認(rèn)為浮力是變化的，甚至一些大學(xué)生也認(rèn)為如此#65377;學(xué)生頭腦中錯(cuò)誤的前概念往往十分頑固，絕不是通過(guò)一兩次講解或討論即可解決的[17]#65377;

3. 隱蔽性

前概念是學(xué)生內(nèi)隱的思維結(jié)果，是潛移默化形成的，因此，它以潛在的形式存在，平時(shí)并不表現(xiàn)出來(lái)[18]#65377;其表現(xiàn)帶有隱蔽性，不易被教師察覺(jué)，同時(shí)前概念有一種思維慣性，學(xué)生自己也很難發(fā)現(xiàn)[19]#65377;當(dāng)學(xué)生對(duì)某一類(lèi)物理現(xiàn)象形成觀念時(shí)，由于學(xué)生年齡和思維能力的限制，這種觀念通常處于一種模糊狀態(tài)，它是學(xué)生心靈深處的一種朦朧意識(shí)，學(xué)生往往難于用自己的語(yǔ)言表達(dá)清楚，但是它作為一種觀念仍有其實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容，當(dāng)教師講授某些知識(shí)時(shí)，如果不特別和學(xué)生的前知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行揭示#65380;比較#65380;批駁，學(xué)生的頭腦中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)兩種觀念“和平共處”的情況#65377;淺層是教師講的知識(shí)，而深層仍是學(xué)生的前知識(shí)#65377;前概念往往是因?yàn)闀炤喰?yīng)任意擴(kuò)大等因素形成的，缺乏嚴(yán)密的邏輯推演和實(shí)踐的證明，因而概括性和科學(xué)性都很差#65377;學(xué)生在復(fù)述概念以及解決較明顯的#65380;單線(xiàn)索問(wèn)題時(shí)，都會(huì)應(yīng)用所學(xué)的科學(xué)物理概念，但在解釋比較復(fù)雜的物理現(xiàn)象或在實(shí)際的新情境中，常常就會(huì)不自覺(jué)地用他們的前概念#65377;例如利用牛頓第三定律解釋拔河比賽甲隊(duì)為什么能戰(zhàn)勝乙隊(duì)，一部分學(xué)生便會(huì)脫口而出:“甲隊(duì)拉乙隊(duì)的力大于乙隊(duì)拉甲隊(duì)的力#65377;”有人曾做過(guò)這樣的測(cè)試，要求學(xué)生書(shū)面回答單擺擺球質(zhì)量與單擺周期的關(guān)系，所有受測(cè)試者都回答擺球質(zhì)量與單擺周期無(wú)關(guān)#65377;隨后讓他們做測(cè)定單擺周期的實(shí)驗(yàn)，要求測(cè)一百次全振動(dòng)的時(shí)間，這時(shí)很多學(xué)生為了快點(diǎn)測(cè)出結(jié)果紛紛選擇了質(zhì)量大的擺球#65377;這就表明，在他們的認(rèn)識(shí)中，實(shí)際存在著“擺球質(zhì)量越大，周期越短”的前概念#65377;

4. 特異性

每一個(gè)學(xué)生的生活環(huán)境#65380;活動(dòng)范圍#65380;思維特點(diǎn)等的不同，對(duì)同一類(lèi)事物和現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)#65380;感受也不完全相同，因而所形成的前概念就表現(xiàn)出特異性#65377;在實(shí)際教學(xué)中我們經(jīng)常會(huì)看到不同的學(xué)生對(duì)同一現(xiàn)象的解釋是不同的#65377;這是因?yàn)椴煌膶W(xué)生會(huì)以不同的方式轉(zhuǎn)化外部經(jīng)驗(yàn)來(lái)建構(gòu)他們的思維體系，這種個(gè)體的方式會(huì)影響他們信息的獲得，因而影響學(xué)生理論的構(gòu)想，他們的思維體系制約觀察現(xiàn)象#65377;如對(duì)“輕#65380;重物體哪一個(gè)下落得快”的認(rèn)識(shí)，不同的學(xué)生就有不同的看法:有的認(rèn)為輕的物體下落得快;有的認(rèn)為重的物體下得快;有的認(rèn)為有時(shí)重的物體下落得快，有時(shí)輕的物體下落得快;還有的認(rèn)為物體下落得快慢與物體的形狀和體積有關(guān)，然而，幾乎沒(méi)有學(xué)生認(rèn)識(shí)到這一問(wèn)題會(huì)和空氣有關(guān)#65377;對(duì)于同一學(xué)生來(lái)說(shuō)，在不同的發(fā)展階段上，物理概念的學(xué)習(xí)水平與內(nèi)容是有差異的#65377;高中階段學(xué)生的認(rèn)知能力的發(fā)展要比初中階段時(shí)接近于成熟，能運(yùn)用抽象的形式邏輯的(演繹的或歸納的)推理方式去思考解決問(wèn)題#65377;[7]同一學(xué)生學(xué)習(xí)不同學(xué)科的物理概念也有差異，這種學(xué)科差異來(lái)自力學(xué)#65380;電磁學(xué)#65380;熱學(xué)#65380;光學(xué)#65380;原子物理學(xué)等領(lǐng)域[20]#65377;它們各有自己的特殊性，因而在概念學(xué)習(xí)過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生差異#65377;同時(shí)中學(xué)物理教材對(duì)力學(xué)和電磁學(xué)部分作了較詳細(xì)的討論，而對(duì)光學(xué)#65380;原于物理部分只作了簡(jiǎn)單介紹#65377;中學(xué)物理各部分不同程度的準(zhǔn)備當(dāng)然也就對(duì)普通物理各分科的學(xué)習(xí)產(chǎn)生不同程度的影響#65377;同一學(xué)生對(duì)于同一概念的不同方式的學(xué)習(xí)也會(huì)有差異#65377;如鄭淵方[21]按學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和認(rèn)知發(fā)展情況將電路有關(guān)概念的發(fā)展過(guò)程分為五個(gè)過(guò)程，他通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的講授——接受為主的教學(xué)方法和探究式教學(xué)方法的教學(xué)效果發(fā)現(xiàn)后者使學(xué)生概念發(fā)展水平顯著高于傳統(tǒng)的教學(xué)方式#65377;對(duì)于不同水平(主要指認(rèn)知水平)的學(xué)生[22]，在學(xué)習(xí)同一物理概念時(shí)，表現(xiàn)出水平的差異，優(yōu)秀生與學(xué)困生的學(xué)習(xí)之間有明顯的差異#65377;男生與女生在學(xué)習(xí)同一物理概念時(shí)表現(xiàn)出差異，由于男生與女生在生理與心理#65380;智力與非智力方面存在差異，在物理概念學(xué)習(xí)上的表現(xiàn)也不盡相同[23]#65377;

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于學(xué)生頭腦中的前概念，我們不能把它和教好學(xué)好物理學(xué)對(duì)立起來(lái)，而應(yīng)看到若能轉(zhuǎn)化得當(dāng)，則在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣#65380;促進(jìn)學(xué)生思維#65380;加深理解#65380;鞏固知識(shí)等各方面會(huì)起到積極作用#65377;在物理概念教學(xué)中注意了解學(xué)生的前物理觀念是很重要的#65377;我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)學(xué)生原有物理觀念的存在及其對(duì)物理學(xué)習(xí)的影響，要以學(xué)生原有的觀念作為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)正確的觀念加以鞏固和提高，并進(jìn)而發(fā)展成為概念和規(guī)律#65377;對(duì)錯(cuò)誤的觀念，要弄清它的實(shí)質(zhì)和形成的原因，采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)措施，幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變?cè)械挠^念體系[24]#65377;要鼓勵(lì)學(xué)生暴露他們?cè)械闹庇^觀念，不要害怕錯(cuò)誤#65377;要讓學(xué)生探討錯(cuò)誤觀念所引起的結(jié)果，并用正確的#65380;科學(xué)的概念加以對(duì)比[25]#65377;只有這樣，才能搞好物理概念的教學(xué)#65377;

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