淺談針對物理前概念的“對話式反思教學策略”

周中森（連云港市教育局教研室 江蘇 連云港 222006）

學生在接受正規物理教育之前，通過自己的觀察和體驗已經形成了對某些物理現象的認識和理解；這些認識和理解是學生學習物理之前用來認識周邊世界、理解日常現象的策略，有時和科學概念并無沖突，但很多時候卻不相容，甚至相悖.認知心理學派代表奧蘇貝爾將它們稱為“前概念”或“相異構想”.研究前概念的目的和意義就在于發現學生形成各種前概念的原因，明確學生學習相關知識所存在的困難，充分利用它的積極作用.

1 “物理前概念”的基本特征及其形成原因分析

物理來源于生產、生活，來源于科技；生活處處皆物理.正因為物理與生活中常見的現象緊密相連，兒童從一出生就接觸到這些物理現象，但直到初二年級十二三歲時才第一次受到正式的物理教育.在這段時間里，由于多種物理現象對兒童感官的刺激，隨著年齡的增長，兒童大腦便逐漸形成了對各種事物、各種現象的感知，即形成了很多與物理現象相對應的“物理前概念”；但這些感知是從表象中形成的，很多沒有抓住問題的實質，所以形成的認識往往是表面的，甚至是錯誤的.

1.1 物理前概念的基本特性

根據物理前概念的形成原因分析，前概念主要表現出以下特性.

普遍性：物理前概念代表學習物理之前絕大多數“自然人”（包括學生）的當然想法.幾乎出現在物理學力、熱、光、電、磁等各個領域.

頑固性：這些物理前概念是學生從小時候開始，長期以來通過觀察、感悟形成的，在學生認知結構中先入為主而且根深蒂固，不容易被解構.如果教學中只是把正確的概念強加給學生，他們只能暫時接受，經過一段時間后，又會回到原有的前概念上去.

隱蔽性：由于學生大腦中的前概念是潛移默化形成的，因此它以潛在形式存在，平時并不表現出來.然而在物理教學中學習有關概念時，學生馬上就會聯想到他們頭腦中的前概念.當讓學生用物理概念去解釋問題時，前概念也會馬上表現出來.

兩面性：雖然大部分物理前概念和科學的物理概念沖突、矛盾，必然會成為科學的物理概念學習的障礙，還可能形成新的錯誤認知、概念，但前概念是他們思維的產物，是屬于學生個人的精神財富，對物理學習又有它的特殊意義.在教學過程中教師應注意到物理前概念的特征，盡量發揮它在物理教學中的積極作用，減少其不利影響.

1.2 常見的物理前概念及形成原因分析

錯誤的物理前概念產生的主要原因包括跟著感覺走，只看到表面現象，看不到現象的本質.試舉例如下.

前概念之一：運動需要力來維持.

表面現象：用力推物體，物體才會前進，停止用力，物體就會停下來.

形成原因：人們對力的最初認識是通過人的“推、拉、提、壓”等開始的，而對于自然產生的、看不見的滑動摩擦力、靜摩擦力、空氣阻力等則無視其存在.

現象本質：在有阻力的情況下，要想讓它運動起來并繼續運動下去，需要外加推力維持.

前概念之二：重的物體落得快，輕的物體落得慢.

表面現象：蘋果比樹葉落得快，鐵球比乒乓球落得快……

形成原因：只看到了物體重力不同的表面現象，沒有注意空氣阻力的作用.

現象本質：在有空氣阻力的情況下，若物體形狀大小相同，密度越大的物體所受空氣阻力與其重力的合外力較大，就會落得更快.

以上兩個前概念是影響物理學發展時間最長的經典前概念.2 000多年前亞里士多德把運動分為“自然運動”和“強迫運動”.他認為重物下落，天上星辰圍繞地心做圓周運動是自然運動；而要讓物體做強迫運動，必須有推動者，即有施力者.力一旦去除，運動即停止.若你看到一個東西在移動，你就會尋找一個推動它的東西（像是我們的手、身體）.當沒什么東西推它時，它就會停止移動.而這種推動一個推著一個，向上追溯“必然存在第一推動者”那就是上帝.既然重物下落是物體的自然屬性，物體越重，趨向自然位置的傾向也就越大，所以下落速度也越大.于是從亞里士多德的教義出發，就必然得到物體下落速度與物體重量成正比的結論.因為這一觀點與“自然人”的感性認識相符，再加上符合羅馬教會的教義，近2 000年的時間內被全世界的人們所接受.直到伽利略的理想斜面實驗和牛頓運動定律的建立才使運動和力的科學概念得以建立.

前概念之三：把看到的“白氣”當成水蒸氣.

表面現象：燒開水時，會向上冒熱氣；冬天，人呼吸時會呼出白氣……

形成原因：過分相信自己的眼睛.以為這些看的見的“白氣”當然是水蒸氣.實際水蒸氣也和空氣一樣，無色無味，是看不見的.

現象本質：看見的“白氣”是水蒸氣遇冷后液化形成的小水珠或小冰晶.

前概念之四：冬天室外的鐵塊比泡沫塑料的溫度低.

表面現象：冬天，手觸摸室外的鐵塊感覺比木塊涼，特別是手觸摸泡沫塑料則感覺比較暖和.

形成原因：過分相信自己的感覺.人的皮膚對接觸物冷熱感覺不是簡單地由溫度決定的，而是與相同時間內皮膚接觸處的熱量傳遞的多少決定的.

現象本質：鐵的導熱性能比泡沫塑料好，所以手接觸鐵塊時，相同時間內向鐵塊傳遞的熱量比泡沫多，所以感覺鐵塊涼.與此類似的，手接觸0℃的冰感覺比0℃的水溫度低，是因為冰熔化時需要吸熱，相同的時間手被冰吸的熱量要比被水吸的熱量多，所以感覺涼.相反，夏天感覺鐵塊比木塊熱，道理也是因為鐵塊的導熱性好.

另外還有一些因為物理概念間的混淆，生活用語與物理用語的不統一等引起的物理前概念在這里就不一一列舉了.

2 應對物理前概念教學的基本策略及案例設計

從人類認識的發展角度來看，前概念的產生是正常的、必然的，在科學發展史上科學家們的研究被“前概念”所蒙蔽的也屢見不鮮.前概念的產生正體現了人類認識發展的一般規律；我們應該充分利用而不是回避，把它作為建立新的正確概念的突破口.所以要想讓學生學好物理，教師就必須充分了解學生頭腦中的前概念，讓學生在教師的引領下反思這些前概念產生的原因，從而建立正確的物理概念.

2.1 充分了解與教學內容相關的“物理前概念”

因為個體從出生就開始本能地探索環境，順應環境的活動；在這種活動中，對事物形成了豐富的經驗，并建構了個體特定的認知圖式.所以建構主義者認為，學生不是空著腦袋進入教室的；即使有些問題他們從沒有觸及過，還沒有現成的可以借鑒的經驗，但是一旦新問題出現在他們面前時，依據他們的認知能力，基于過去的經驗對新問題也會給以解釋或提出假設，即建構起新的認知圖式.認知心理學家奧蘇伯爾說“如果我不得不把全部教育心理學還原為一條原理的話，我將會說，影響學習的唯一的最重要的因素是了解學習者已經知道了什么”.的確，在教授新概念之前，教師必須充分了解學生已有的認知情況，尤其是與新概念有密切關系的已有概念和原理的認識，才能選擇有效的教學策略和方法進行有的放矢的教學.

2.2 培養學生透過現象看本質的“物理品質”

物理前概念的形成原因主要是跟著感覺走，只看表面，看不到問題的本質.所以物理教學要加強學生分析問題方法的培養.引導學生善于用“牛頓運動定律”來分析運動和力的關系；用“能量轉化和守恒”的觀點來分析能量問題，防止“永動機事件”的重演；善于用“動量守恒”的觀點來分析相互作用問題.注重培養學生透過現象看本質的“物理品質”，吸取亞里士多德“跟著感覺走”的歷史教訓.努力把一群“負”起點的“自然人”轉化成具有正確思維習慣的“正”的“物理人”.

2.3 善于利用“對話式反思教學策略”

正因為大部分前概念和正確的物理概念不相符合，所以中學物理教學是從 “負”起點開始，先要糾正這些“錯誤”的前概念，再建立正確的物理概念.這也是學生感到物理難學的重要原因之一.

筆者通過多年的研究反思，認識到利用物理前概念“對話式反思教學策略”是突破難點建立正確物理概念的有效途徑.它主要包括以下幾個環節，如圖1所示.

圖1 建立正確物理概念的有效途徑

本策略是受伽利略《兩門新科學》中對話的啟發，通過設計對話式系列問題，引導學生對其已有的物理前概念進行反思.所設計的對話式系列問題一定要體現前概念與正確概念間的矛盾沖突，激活學生對前概念的反思.同時要針對前概念產生的原因設計問題，讓學生充分認識到前概念產生的合理和片面性，以加深對新概念建立過程的印象.讓問題在對話中解決，讓正確概念建立在水到渠成之中.模仿伽利略在《兩門新科學》中的對話模式，對幾個教學片斷做反思對話問題設計，舉例如下.

案例1：“落體運動”教學對話問題設計

前概念：重的物體落得快，輕的物體落得慢.

模仿伽利略在《兩門新科學》中關于落體運動的反思對話問題設計如下（薩：代表問題設計者伽利略，相當于教師；辛：代表一般自然人，相當于學生）

問題暴露

薩：如果我們取兩個自然速率不同的物體，把兩者連在一起，快者將被慢者拖慢，慢者將被快者拖快，您同意我的看法嗎？（正確的知識、經驗基礎）

辛：毫無疑問，您是對的.（自然人都能理解）

引導反思

薩：但是假如這是真的，并且假如大石頭以8的速率運動，而小石頭以4的速率運動；兩塊石頭在一起時，系統將小于8的速率運動.但是兩塊石頭拴在一起更重了，所以更重的物體反而比更輕的物體運動慢，這個效果與您的設想相反，如圖2所示.（合理推斷）

圖2 引導落體運動的反思

分析探究

薩：請做一個實驗：兩張相同的紙，把其中一張變成紙團，讓它們一起從同一高處由靜止落下，結果會怎樣？這說明落體運動的快慢和什么有關？

辛：空氣阻力是落體快慢的主要原因.

薩：一個大鉛球（5kg）、一個小鉛球（3kg）從同一高度同時下落，結果會怎樣？

辛：……

薩：如果將鐵片、羽毛放在抽成真空的管內，讓它們從同一高度同時下落，結果會怎樣？

辛：……

概念重構

經過對話和實驗，薩和辛達成共識：在沒有空氣阻力的情況下，物體下落的快慢與物重無關.有阻力的情況下取決于阻力相對于重力的大小.

案例2：“摩擦力、二力平衡”教學片斷

前概念：用水平力F推放在水平面上的物體而沒有推動時，推力小于摩擦力.

問題暴露

師：如圖3所示，用水平推力F推靜止放在水平地面上的物體，結果沒有推動，你認為這時的水平推力F與地面給物體的摩擦力f的大小有什么關系？

生：大部分學生會異口同聲的回答F＜f.（這是學生的第一感覺，也就是“前概念”）

圖3 用力推水平放置的物體

引導反思

師：若真是F＜f，物體還平衡嗎？物體將會向哪運動？這可能嗎？

生：大部分學生會回答不能平衡，會向推力的反方向運動，這不可能（進一步引起沖突和反思）

師：物體沒有被推動，表示物體處于平衡狀態還是非平衡狀態？

生（大部分）：處平衡狀態.（這是學生原有的知識基礎）

師：既然物體處于平衡狀態，水平方向的兩個力F和f應滿足什么關系？

大部分學生都應該知道F＝f.（和學生的原有概念產生沖突，引起學生反思）

師：你認為是F＜f，還是F＝f正確呢？

學生分為兩部分，一部分認為是前者，也有一部分人認為是后者.（學生態度不堅決，進一步反思）

分析探究

師：當F＝1N時，如果還沒有推動，根據平衡條件，這時f大小為多少？

生（大部分）：f＝1N.

師：當F增大時，如果還沒有推動，f大小如何變化？f能不能無限制的增大？隨著F不斷增大，物體是否會被推動？

生：f大小會隨之增大，f不能無限制的增大，隨著F不斷增大，物體會被推動（學生根據生活經驗能理解）

概念重構

教師帶領學生總結：因為f就是為了平衡F提供的.在沒有被推動之前，f隨著F的增大而增大.但f有一個最大值，物理學中稱最大靜摩擦，用fm表示（雖然初中不要求，但這樣反思后學生是能理解的）.在沒有推動之前，F＜fm，但由于平衡，一直滿足F＝f.大家之所以第一感覺F＜f，是因為大家把f與fm混淆了.

結論：沒有推動是因為F＜fm，但F＝f.

案例3：關于慣性的教學片斷

前概念：速度越大，慣性越大.

關于慣性的量度，如果只是把“慣性只由物體的質量決定，與運動性質、運動快慢無關”強加給學生，學生是很難真正接受的.一般學生都認為：速度越大，慣性越大.

問題暴露

師：有一位同學根據日常生活經驗知道，同一輛汽車，在相同的路面上，速度越大剎車后需要越長的時間才能停下來，滑行的距離也越遠（這正是高速公路上限速的原因）.所以他認為速度越大，慣性越大，你認為對嗎？

學生有兩種觀點，一種是看了書上說慣性只由質量決定，與其他無關；但另一觀點覺得速度越大，慣性越大.（引起沖突，是書上說的正確呢，還是親身體驗正確呢？）

引導反思

師：物體慣性是反映物體保持原來運動狀態本領的東西.物理學最重要的方法是控制變量法.用滑行時間來反映慣性大小的思路是正確的，但應比較速度改變量相同的情況下所需時間.如由1m／s減到零和由120m／s減到119m／s所需時間進行比較才有意義.你同意嗎？

學生可能不能完全理解，但大部分學生對控制變量法是很熟悉的，基本能接受.（物體做功本領，應比較單位時間內做的功）

分析探究

師：可以介紹用牛頓第二定律和運動學公式來分析

當F，m，Δv相同時，Δt也相同.

概念重構

在相同的情況下，速度發生相同變化所需要的時間由質量決定，與當時的速度大小無關.

總之，物理前概念是客觀、普遍存在的，教師要加強研究，充分了解，在教學中通過反思系列問題的引導，利用它的積極作用，克服其不利影響，使學生在反思中建構正確的物理概念.