5-6歲兒童對“力與運動”的認知

[摘要]本研究采用問卷法，考察了72名5～6歲兒童對于“力和運動”的認識，并要求兒童以繪制運動軌跡的方式作答。結果發(fā)現(xiàn)，5～6歲兒童對“力的合成”的認識類型可分為4種，其中以“優(yōu)勢力型”居多；對“平拋運動”的認識可分為5種，其中以“豎直下落型”居多；對“勻速圓周運動”的認識可分為6種，其中以“封閉圓周型”居多。最后結論表明，5-6歲兒童對于“力與運動”的認識總體上還比較樸素，與科學概，念之間存在一定差異。

[關鍵詞]樸素物理學；力與運動；5-6歲兒童

一、問題提出

兒童是如何認識客觀世界的?在進行科學教育之前，他們對周圍事物或現(xiàn)象有什么樣的看法?發(fā)展心理學家一直致力于兒童認知發(fā)展的研究。在皮亞杰時代，用邏輯推理能力的發(fā)展來解釋認知發(fā)展在該領域中居主導地位，而現(xiàn)今使用理論的發(fā)展來解釋認知發(fā)展逐漸成為該領域中重要的理論成果之一。研究者開始致力于考察學前兒童在最重要知識領域中逐漸形成和發(fā)展的樸素理論，即兒童在這些領域獲得的日常的、前科學知識。前前兒童的樸素理論成為目前認知發(fā)展研究中的一個熱點。

威爾曼(Wellman)認為兒童核心領域樸素理論主要包括樸素生物學、樸素物理學和樸素心理學三部分。樸素物理學是指人們對物質(zhì)實體、物理過程、物理現(xiàn)象的直覺認識。皮亞杰時代起，就有眾多的研究者對兒童樸素物理理論進行了研究。他們發(fā)現(xiàn)在兒童用自發(fā)概念解釋和預測周圍的世界，同化和順應外部世界的刺激時，這些憑感性經(jīng)驗得到的知識與基本的科學概念會出現(xiàn)很多沖突，比如：較重的物體比較輕的物體落得快讓人覺得是重物體本身的屬性等。到上世紀80年代，研究者發(fā)現(xiàn)在青少年和成年人中仍存在一些力與運動的錯誤概念是根深蒂固、難以改變的。90年代后，有研究者通過對兒童關于力與運動的認知、因果解釋及發(fā)展變化進行追蹤研究，發(fā)現(xiàn)了年幼兒童的“內(nèi)部力模型”和隨后出現(xiàn)的“獲得力模型”。在學生中存在一個較為穩(wěn)定的錯誤認識：力是物體獲得的一種屬性或力是物體的一種性質(zhì)，他們會以此來解釋關于力的現(xiàn)象，尤其是解釋運動。有研究者將常見力與運動的錯誤概念與牛頓三大定律相對照，總結出人們通常出現(xiàn)的三種錯誤認識：1 慣性是一種力，它保持物體的運動軌跡不變；2 力是產(chǎn)生和維持物體運動的原因，而物體靜止時就不受力。力的方向決定物體運動的方向，力與速度成正比；3 作用力只存在于主動施力者。

研究者認為樸素信念是兒童在早期框架理論的基礎上，通過不斷同化或順應生活中的新信息而形成的綜合心理模型。兒童的心理模型有預測和解釋功能，在他們的認知發(fā)展中起著重要作用，亦具有長遠的影響作用。本研究期望通過考察兒童對力和運動(牛頓三大定律)的認知狀況，了解5～6歲兒童對于這一物理現(xiàn)象形成的心理模型。本研究選取三種力與運動的類型，即力的合成、平拋運動和勻速圓周運動作為具體的考察點。其中“力的合成”考察兒童對“作用力”的理解；“平拋運動”考察兒童對“慣性”的理解；“勻速圓周運動”則考查兒童對“運動”與“力”的關系的理解。在該研究中，以“運動軌跡”的繪制作為測試方式，筆者期望通過這種簡單的描述性答題方式讓兒童更易于表達出自己的真實想法，同時，這種開放式的問卷也能讓兒童做出更為充分的表達。

二、研究方法

(一)樣本選取

隨機選取湖北省宜都市幼兒園72名兒童為被試，對其進行運動軌跡的繪畫測試。其中在大班(平均60個月)和大大班(平均73個月)各隨機抽取兒童36名，男女各半。

(二)研究工具

本研究采用自編開放式問卷施測。問卷共選取了三種類型的題目，分別考查：1 力的合成；2 平拋運動；3 勻速圓周運動。每種類型有三道題目，共計9道題目。采用拉丁方排列。三種類型題目考察的物理概念之間彼此不同，每種類型下的三道題目在情境上各有區(qū)別，保證了問卷良好的結構效度。問卷中有5道題目改編自美國物理教育工作者大衛(wèi)·黑斯頓(David Hestenes)于1992年設計的“力的概念測試”(Force Concept Inventory， FCI)。FCI在美國被廣泛用于考察學生對于牛頓力學概念的掌握情況，該測試具有較高的信度和效度。同時，考慮到幼兒的理解能力，在研究前期，問卷的所有題目都根據(jù)幼兒教師的建議進行了文字表述及圖示等方面的修訂，并分制了“主試用問卷”和“被試用問卷”兩種問卷，其中“被試用問卷”只有圖畫沒有文字，每張紙上一副圖畫，所有題目像連環(huán)畫一樣裝訂，便于幼兒接受。

(三)施測

本問卷采取兩名兒童同時施測的方式進行。兩名兒童背對背坐好(避免相互影響)，主試按照“主試用問卷”讀題，兒童在“被試用問卷”上完成。時間不限，當兩名兒童都完成后繼續(xù)下一題。測試時，主試用通俗易懂的話語詢問兒童對于力與運動的認識，要求兒童在問卷中用線條畫出自己的想法。例如：

“請看圖，一個大人和一個小孩正在沿著各自的方向同時拉箱子，大人用的力氣比小孩大，那么箱子會怎樣移動呢?請你畫出此時箱子所走的路線。”

最后，采用SPSS15.0對數(shù)據(jù)進行處理。對5～6歲的兒童在力與運動各知識點上的性別和年齡差異進行卡方檢驗，結果是參加測試的兒童在性別和年齡上沒有顯著差異，因此，結果分析中，所有參與測試的兒童被當作是同質(zhì)性群體進行分析。

三、研究結果與分析

(一)“力的合成”中兒童認知類型的結果統(tǒng)計

由表1可以看出5-6歲兒童對“力的合成”的認知類型可分為4種：“合力型”的線條表現(xiàn)為遵循平行四邊形法則，即沿平行四邊形的兩鄰邊作對角線；“優(yōu)勢方向型”的線條表現(xiàn)為被試沿“力氣小”的一方畫線，或者是當題目中兩者力氣相同時，沿某一個力的方向畫線；“中間型”的線條表現(xiàn)為遵循“正方形原則”，即無論題目條件如何，都沿正方形的兩鄰邊作對角線；“優(yōu)勢力型”的線條表現(xiàn)為被試完全沿著力氣大的方向畫線；其余軌跡被歸入其他型。對各類型的頻數(shù)進行卡方檢驗，得出X²：170.71，df=4，P=0.000，說明這4種類型間的頻數(shù)差異顯著。

(二)“平拋運動”中兒童認知類型的結果統(tǒng)計

由表2可以看出，5-6歲兒童對“平拋運動”的認知類型可分為5種：“拋物線型”的線條表現(xiàn)為平滑的拋物線；“類拋物線型”的線條表現(xiàn)為先是水平運動，最后有一個類似于“過渡階段”的拋物線，然后是垂直往下落；“折線型”的線條表現(xiàn)為物體先沿水平方向沖出去一段距離，然后再豎直下落；“滑梯型”的線條表現(xiàn)為被試以垂線和地面’為兩條邊，畫了一個直角三角形的斜邊；“豎直下落型”的線條表現(xiàn)為物體沿垂直輪廓豎直往下落；剩余軌跡被歸入其他型。對這5種類型的頻數(shù)進行卡方檢驗，得出x²=259.5，dr=5，P=0.000，說明這5種類型間的頻數(shù)差異顯著。

(三)“勻速圓周運動”中兒童認知類型的結果統(tǒng)計

由表3可以看出，5-6歲兒童對“勻速圓周運動”的認知類型可分為6種：“切線型”的線條表現(xiàn)為在指定點做圓的切線；“豎直向下型”的線條表現(xiàn)為從指定點豎直向下畫出一條直線；“曲線向下型”的線條表現(xiàn)為從指定點向下畫出一條線，呈曲線狀；“曲線向外型”的線條表現(xiàn)為從指定點基本沿水平方向向圓形外畫線；“離心力型”的線條表現(xiàn)為從指定點沿離心力的方向畫出一條直線；“封閉型(圓周)”的線條表現(xiàn)為從指定點開始，完全沿著圓周的軌跡來繪畫，畫出的是圓形的一部分；其余軌跡被歸入其他型。對這6種類型的出現(xiàn)頻數(shù)進行卡方檢驗，得出x²=96.31，df=6，P=0.000，說明這6種類型間的頻數(shù)差異顯著。

四、討論

(一)兒童關于“力的合成”的概念分析

首先，每道題目中分別出現(xiàn)2-3種“力的合成”類型，其中優(yōu)勢力型的頻數(shù)都比其他類型的頻數(shù)高，從三道題目中各類型總頻數(shù)分析也可以看出這一特點。由此可見，對“力的合成”這一概念，大多數(shù)5-6歲兒童傾向于認為“物體會朝力氣大的一方運動”，說明他們并沒有完全掌握“力的合成”的科學概念，認為僅僅是力氣大小影響物體的運動。

其次，在判斷物體運動軌跡的問題上，繪出“中間型”軌跡的頻數(shù)說明一部分5～6歲兒童有了合力概念，卻沒有考慮到力的大小對合力方向的影響，這比單純憑力的大小來判斷物體運動方向有了些許進步。繪出“優(yōu)勢方向型”軌跡的頻數(shù)說明，有部分兒童受到“定勢思維”的束縛，認為物體朝著優(yōu)勢方向運動。這些兒童依照自己的心理因果原則對現(xiàn)象進行解釋，這與菲爾(Frye)在物理因果關系認知實驗中的發(fā)現(xiàn)相一致，說明心理因果原則和物理因果原則的發(fā)展具有共時性。㈣筆者將這類軌跡稱作“優(yōu)勢方向型”也是因為這些兒童沒有考慮力的大小和方向，直接地認為它會朝自己認為的方向運動，這種依照定勢思維、忽視物理因果的認知是非常不成熟的。

最后，繪出合力型軌跡的頻數(shù)說明，只有少部分兒童具有“力的合成”的概念，不僅能理解“合力”，而且能根據(jù)力的大小正確判斷物體的運動方向。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)在“力的合成”問題上，5-6歲兒童的主要樸素理論為“物體沿力氣大的方向運動”，兒童夸大了大力氣的作用，而忽略了小力氣的作用。這可能是“眼見為實”的結果，因為在日常生活中兒童經(jīng)常看到物體最終會到達力氣大的一方，他們還沒有理解“運動軌跡”和“運動結果”的區(qū)別。

(二)兒童關于“平拋運動”的概念分析

首先，每道題中繪出人數(shù)最多的是“豎直下落型”，占到總人數(shù)的43.1％～79.2％。鄢超云也曾采用繪畫的方式對兒童關于平拋運動的認識進行考察，他設置的情景與本研究中第9題相類似，得出類型為“垂直下落型”“沖力型”“斜邊型”和“類拋物線型”，其中的“沖力型”和“斜邊型”分別與本研究中的“折線型”和“滑梯型”對應。比較兩個研究結果，就整體而言具有較高的一致性，繪出“豎直下落型”的兒童均為半數(shù)左右；從局部來看，鄢超云的研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡增長，“垂直下落型”逐漸減少，特別是在4～5歲間明顯減少，但“沖力型”有所增加，然而本研究中，隨著年齡的增長，雖然“豎直下落型”也在減少，但“沖力型”并沒上升而是有所下降，其原因有待進一步研究，其中部分原因可能來自有差異的樣本選取。

其次，對三道題目進行綜合分析，在認識物體做平拋運動時的軌跡問題上，大多數(shù)兒童繪出“垂直下落型”，說明他們只考慮到重力對物體的影響，沒有考慮初速度；部分兒童繪出“折線型”，這種認識與中世紀哲學家的“沖力”概念相似，說明他們是按先后順序而不是同時考慮初速度和重力。較少兒童繪出“滑梯型”，說明他們考慮到初速度和重力的同時作用，卻無法用曲線來表示。繪出“拋物線型”和“類拋物線型”兒童能夠大致掌握物理學中分解為水平方向的勻速運動和豎直方向的自由落體運動，但能夠掌握這一科學概念的兒童極少。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)在“平拋運動”問題上，5～6歲兒童的主要樸素理論為“物體會豎直向下運動”，與之前的研究中的“豎直向下信念”相一致，說明大多數(shù)兒童并沒有形成“拋物線”的概念。兒童的這種認識也可以用“眼見為實”來解釋。即豎直向下的信念來源于直覺錯覺。由于沒有接受科學教育，兒童將物體在運動參考系中的運動自動知覺為在靜止參考系中的運動，于是相信了眼睛所看到的，認為物體都是豎直下落的。

(三)兒童關于“勻速圓周運動”的概念分析

首先，繪出“封閉型(圓周)”的兒童在每道題上都占到了總人數(shù)的30.6％～37.5％。這說明大部分5～6歲的兒童都擁有了“沖力”的信念，錯誤地理解了慣性，并且擁有了“格式塔”的完形傾向。

其次，繪出“離心力型”軌跡的兒童已經(jīng)有了樸素的“離心力”概念，但認為物質(zhì)只受離心力的影響；繪出“曲線向外型”軌跡的兒童不僅有了“離心力”的概念，并且考慮了速度因素；繪出“曲線向下型”軌跡的兒童考慮了速度的作用，認為物體會曲線下落，相比直線下落有了進步；較少一部分兒童繪出“豎直向下型”軌跡，說明他們只考慮到了重力作用，這是一種原始思維。研究結果表明，很少有兒童能掌握“勻速圓周運動”的概念。

綜上所述，在“勻速圓周運動”問題上，5～6歲兒童的主要樸素理論為“物體會繼續(xù)沿著圓周的曲線運動”，而在凱撒(Kaiser)等人類似的C形管實驗研究中卻發(fā)現(xiàn)學前兒童對物體飛出C形管口的路徑預測成績和大學生一樣好，即大多數(shù)學前兒童能夠預測物體將沿切線方向飛出。㈣該研究對于學前兒童樣本的信息只提供了其年齡跨度是從4、5歲開始的，沒有給出其確切的平均年齡，因而無法確定兩個研究中的被試年齡是否一樣。該研究也提到隨著年齡的增長，兒童對于這一現(xiàn)象的預測成績會逐漸下降，直到小學三、四年級才停止，可能本研究中的兒童正處于這條逐漸下降的曲線之中。同時，該研究中的兒童被試都是來自于美國中產(chǎn)階級家庭，他們受到的學前教育水平可能普遍高于一般兒童，這或許也是出現(xiàn)較好的預測成績的原因之一。在我們的研究中5～6歲的兒童則表現(xiàn)出沒有形成“物體沿切線方向運動”的概念，不過也有可能他們形成過這樣的概念，卻隨著發(fā)展逐漸演變?yōu)榱隋e誤的認知。圓周運動的問題可以用與中世紀類似的“沖力”信念來解釋：運動的物體攜帶著“沖力”不能立刻消失，直到它消耗完或遇到相反的力時運動才能停止。同時，格式塔學派的完形理論也同樣可以用來解釋兒童的這一認識。有研究者通過大量精致的實驗，提出了格式塔心理學組織原則：接近性、相似性、連續(xù)性、共同性、對稱性和封閉性，其中封閉性指人有將殘缺的圖形補充完整，使其成為一個完整的封閉的圖形的傾向。在本研究中，封閉型線條的存在表明兒童具有這種組織原則傾向，而“封閉圓周”可能更強調(diào)圖形的連續(xù)性和對稱性。

總之，從有關“力和運動”三方面的研究結果來看，5～6歲的學前兒童還未能科學地把握這一概念，他們對于影響物體運動的三個要素：力的方向、力的大小以及初速度的方向之間的關系還沒有清晰的認識。這個年齡段的兒童在考慮物體運動方向時往往只考慮到這三個要素中的一個或者兩個，但是我們同時也發(fā)現(xiàn)他們已經(jīng)能夠認識到一部分物理規(guī)律了，并且他們關于“力和運動”的心理模型也是按照這些規(guī)律構建而成的。另外，他們對于物體運動軌跡的認識受到一些心理慣性的影響，例如格式塔完形傾向會影響兒童將物體的某些運動軌跡繪制為一個完整、對稱的圖形，這是兒童對于物體運動軌跡認知中較為幼稚的方面。

五、教育建議

這一研究告訴我們，兒童是帶著他們自己的樸素理論進入幼兒園和學校的。幼兒教師不能簡單地對兒童進行各種各樣的教育，只有將教育與兒童自身已具備的樸素理論發(fā)生交互作用時，兒童才能真正理解這些教育的意義。正如鄢超云所指出的那樣“尊重兒童，就應該尊重兒童的理論”，幼兒教師在對學前兒童進行科學教育時應當尊重他們在認識客觀世界時的思維邏輯，了解他們樸素理論的組織方式及其發(fā)展變化軌跡。具體到教育實踐中，教師應當以恰當?shù)姆绞絾拘褍和^腦中的理論；對兒童的理論進行干預修正應當選擇恰當時機；在教育中，應讓兒童有機會表達自己的想法，有機會對事物做出自己的解釋和預測。要達到這些要求，需要教師本人逐步端正對科學的態(tài)度，喚醒自己的好奇心，并表現(xiàn)出一種關心的態(tài)度、能夠做出有積極性與感興趣的示范、能為兒童提供選擇的機會、能夠提供解釋和應用多樣化的策略，如質(zhì)疑活動、動手做的機會和團隊合作等，這些行為都會有效地構建出一種充滿互動與支持性的教育環(huán)境。同時，在兒童思考時，留出足夠的時間；減少“對”“很好”等強化性詞語的使用頻次，更多使用點頭、微笑等身體動作或?qū)卮饐栴}表示感謝等方式回應兒童；更多使用“你為什么這樣說?”“你是怎么知道的?”等開放性問題，這些措施都有助于增加兒童思考過程的自主性，促進兒童樸素理論的發(fā)展。