淺談高中物理的概念轉變教學

摘 要：在高中物理概念教學中，如果忽視學生經歷初中學習和生活實踐已對某些物理概念有所認識和體驗而采用“注入式”進行教學，往往不能使學生真正理解新概念，還會引起新舊認知沖突而使概念混亂。概念轉變的教學理論，是基于學生已有的知識基礎與經驗，理論引發認知沖突并解決矛盾，使學生能真正認同和理解新概念的有效教學理論。同時，由于很多重要物理概念的建構是逐步進行的，概念轉變的教學有助于培養學生主動探究的學習能力和鍛煉學生的批判性思維，使他們逐步學會主動建構物理概念體系。

關鍵詞：高中；物理概念；前概念；迷思概念；概念轉變；重力；引力

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A 文章編號：1009-010X（2013）09-0031-04

物理概念的建立是物理學科建立并發展的關鍵，是區分科學規范的研究與常識、經驗的觀察體驗的基礎。因此，概念教學是物理教學中至關重要的一環，其將影響學生對物理知識網絡的構建與拓展。

以往的高中物理概念教學多采用“注入式”，把學生當成一個“空容器”、一個被動的接受者，忽視學生已有的與待學習概念相關的認識和體驗、導致學生認識中的矛盾沖突無法解決，對老師講的或書上寫的概念只是服從權威、強制記憶，沒有真正地理解和接受。在解決實際問題中也就不能靈活、正確地運用。

基于認知主義和建構主義學習理論的概念轉變教學，以學生的已有概念為教學起點，通過教學行為解決認知矛盾，建構更科學的概念。學生的能力和生活體驗是逐步加強的，因而學生頭腦中物理概念的形成也是由錯誤到正確，由模糊到清晰，由片面到全面的漸進過程。很多重要的概念（例如力、運動、能量、場、熵等），其學習和理解過程貫穿從初中物理學習到高中或者高等教育的始終。所以，在這些概念的建構過程中，需要進行概念轉變教學的不斷循環和深入。

筆者在物理概念的教學過程中，探尋概念的形成脈絡，對一些在中學物理里不斷深入的核心概念有意識地形成縱向的系統課程，幫助學生建構物理概念。在課程實施過程中，積極探究和實施概念轉變，使學生逐步體驗到科學探究的過程和方法并內化成自己學習研究的能力，同時新舊概念的一次次認知沖突，是培養批判性思維和創新思維、形成科學世界觀、價值觀的重要過程。

一、關于物理概念的建構與概念轉變

（一）概念及物理概念的特點

1.概念（conception）。它是代表一類享有某些共同特征的人、事物、事件或觀念的詞或符號，是通過使用抽象化的方式從一群事物中提取出來的反映其共同特性的思維單位，是邏輯思維的最基本單元和形式。人的認識從生動的直觀到抽象的思維，形成一系列概念，這些概念的真理性又要返回實踐中接受檢驗，循環往復。因此，概念的最基本特征是它的抽象性和概括性。

2.物理概念的特點。物理概念具有概念的共性，同時因其研究對象的特殊性還具有一些特點。例如，物理概念是觀察、實驗與科學思維相結合的產物，一般都具有確定的內涵與外延，具有量的含義，可以測量并與數學聯系起來。物理概念中的定量概念都采用操作定義。

從物理概念的特點可以看出，物理概念形成既要有源于生活的觀察、實踐和體悟，也要有科學的實驗測量和分析判斷，還要有抽象而嚴密的邏輯推理與數學表達，具有更加深刻而理性的物理學科特點。

（二）概念的建構與概念轉變

對概念的學習理解，不同的心理學派觀點不同。有的認為學生是被動的接受者，有的認為學生是主動的參與者。建構主義學習理論認為學習者對知識的建構是以原有知識、經驗為基礎的，學習過程是新舊知識、經驗間的同化和順應的過程。學習者原有的知識、經驗作為知識建構的條件、基礎或背景，在學習者的知識建構中起著十分重要的作用。我們要注意：學習者原有的知識、經驗雖然十分重要，但不一定都能對新知識的學習起促進作用，有時恰好相反，固有的經驗和思維定勢阻礙學習者認識理解新知識。在這里有必要了解影響概念學習的兩個重要概念：前概念與迷思概念。

1.前概念（preconception）。有關前概念的研究很多，也有稱之為直覺想法、學生想法、自發想法等，主要指學生在學習之前就存在著的對所學事物的個人認識。它是學生知識框架的一部分，不管它是否科學正確，都是學生學習新知識、解決新問題的基礎，是科學概念形成的出發點，故應是教師教學的起點。

2.迷思概念（misconception）。在物理概念學習過程中，學生已有的某些概念（包括科學概念與前概念）對理解某一確定（具體）概念造成迷惑、干擾、混淆，這些概念通稱為該確定（具體）概念的迷思概念。大部分學者認為迷思概念是學生從生活經驗、社會環境、學校學習（教師教學和教材表述等）、同伴交流、天賦觀念中獲得的，用于了解和解釋自然現象的有別于公認的科學概念的已有概念。

3.概念轉變（conceptual change）。從以上的敘述可以看出，前概念和迷思概念是在學生學習概念時已客觀存在的，不管正確與否，都不能回避。所以，在概念教學中應了解學生的前概念和迷思概念，發現問題所在，針對這些問題進行研究和分析，從而幫助學生構建新的科學概念。這個過程稱之為概念轉變。概念轉變相比于概念教學，突出了學生在學習過程中的主體性，體現學生主動面對新舊概念的沖突，修正迷思概念，建構更科學的新概念。

（三）概念轉變教學與物理概念的深入教學

1.概念轉變教學。概念轉變教學有多種模式，例如納斯鮑姆和諾維克提出的三步教學模式：揭示和弄清學生已有的前科學概念；引進與前科學概念相沖突的新概念；鼓勵學生對新概念進行評論，并形成對有關概念的新的概念圖示。還有準備、聚集、挑戰及應用四個階段教學流程或5E教學模式、學習環教學模式等。一般概念轉變教學可概括為以下三個階段：

①探測認知結構，了解已有概念；

②引發認知沖突，解構迷思概念；

③解決認知沖突，建構科學概念。

2.物理概念深入教學。很多重要的物理概念的教學不是一次性完成的，而是在學習過程中不斷以各種方式呈現。也就是說概念轉變的教學環節不是封閉的，而是不斷循環，每次循環中對概念理解都在不斷深入。因而，教師在物理概念教學中，應主動探尋概念的形成脈絡，有意識地形成縱向的系統課程，幫助學生完成概念轉變，建構科學的物理概念。

下面以重力和引力概念的深入教學為例，談談如何實施概念轉變教學，促進概念的深入理解。

二、概念深入教學與概念轉變課例研究——《重力與引力》

注意到重力、引力概念的學習具有下述特點，筆者選取《重力與引力》的教學作為研究課例：重力、引力及其關系一直貫穿中學物理教學的過程，而且是不斷深入和發展的，反映了人類對重力和引力及其關系的認識過程。從初中重力學習開始就涉及到引力概念（由于地球的吸引而使物體受到的力叫重力），到高中必修（如《必修1》）和選修（如《選修3-1》、《選修3-4》）教學內容中的多個模塊、章節又不斷地研究重力、引力及其相關概念、規律。分析教材可以看出，重力和引力的概念在高中物理教學中涉及廣泛且不斷深入，而且還關系到對其它相關概念、規律、方法的理解及研究應用。應用概念圖制作軟件或根據續佩君教授的核心概念理論繪制內在邏輯脈絡圖，更容易發現它們在這一系列內容中的核心地位及它們之間的聯系。但是，由于這些內容相對分散，學生不可能在某一特定章節的教學中一次性正確而深入地掌握和理解這些概念。我們在各年級（初中畢業、高一、高二、高三）各章節教學的前測、后測中也發現，學生不易自覺地綜合提升、融會貫通、自主構建更深入、全面的重力及引力概念。因此，需要教師抓住這些內容之間的相互聯系，設計關于重力、引力及相關概念的縱向課程，引導學生對重力和引力概念及其關系不斷深入思考和重新認識，逐步建構科學而深入的概念。

（一）課程設計構想

1.設計重力和引力教學的縱向課程。從高一到高三，統籌安排相關內容的教學，做到彼此銜接呼應，促成學生對重力和引力概念的不斷深入理解。

2.在課程設計時應用概念轉變教學方法。利用各種探測認知結構的方法了解迷思概念；再利用合作學習、概念圖、探究實驗等學習和教學方法引發認知沖突，解構迷思概念；最后適時引入新概念，解決認知沖突，逐步建構新概念。

（二）課程設計案例

根據概念轉變、概念建構的理論和實施辦法，結合教學重點，設計重力和引力概念教學的縱向課程。縱向課程圍繞重力和引力概念的轉變，根據教學內容、進度和對象在高中各年級展開，并以適當的教學形式來實現。下面以縱向課程中不同年級、不同形式的幾節典型課為例，介紹對重力和引力概念的深入理解和概念轉變的教學過程。

為便于大家理解，先簡單介紹我校物理課程體系：我校物理課程根據教學內容分成常規課和榮譽課。常規課基于課標，供全體同學修業；榮譽課對理論和方法進行適當拓展，供在物理學習方面有興趣和余力的學生選修。其中，常規課根據學生發展方向又分為理科和文科兩個系列；榮譽課則有課堂教學、沙龍講座、俱樂部活動等不同教學模式。

1.高一理科常規課——《必修1》 第三章 §1 重力 ，1課時。這節課是重力概念初、高中銜接的課程，之前，學生由初中學習和生活觀察實踐已建立了重力概念，高中教學應以學生已有概念作為起點，建構更正確、深入的重力概念，而不應不管學生的思維起點，照本宣科地教學。所以，這節課的教學設計的重點是了解學生的前概念、迷思概念，引發認知沖突，為建構新的概念做好準備。具體實施過程為：

第一步：了解學生的前概念。老師圍繞以下幾個教學重點設計了預習思考問題：①重力、萬有引力與向心力的概念及其關系；②重力測量和重力加速度；③重力方向；④重心。主要是課前通過問卷、訪談、二段式調查等方法了解學生的前概念。

第二步：通過課前的學生合作學習和課堂討論、實驗探究等教學環節，引起學生認知沖突，解構迷思概念。例如，在地球上的不同位置，物體的重力為何會略有不同？彈簧秤的示數是否等于重力或重心是否一定在物體上等問題，都是可以引導學生進行批判性思維，進而破解迷思概念的。

第三步：適時引入新概念，落實本節的教學重點和難點：重力與地球吸引力的聯系與區別、重力大小（影響g變化的因素、重力與視重的區別與聯系）、重力方向，重心的概念等。

需要注意的是，本節的教學目標是在發現前概念和迷思概念，而不是在此時就要全部解決，有些問題是在引力等概念教學中逐步解決的。此時的留白正是為學生的自主探究和后續的教學留下空間、埋下伏筆。

2.高二理科榮譽課——《選修3-1》第一章 §4 電勢能，1課時。本節教學設計旨在突出概念建構過程中類比方法的應用。

根據建構主義的主張，新的學習必須能與學生已有認知結構中的舊經驗取得關聯，才能讓學生真正理解，才是有意義的學習。而在引入新的物理概念時，類比是一種十分重要的方法。類比是指利用邏輯推理的思考形式，把尋常的、熟悉的事物（類比對象）類比到異常、未知的事物（研究對象），然后依據兩個對象之間存在著某種相類似的關系，從已知對象的某種性質推出未知對象的某種性質。

電場的概念比較抽象，學生難以理解，所以這節課主要是借助高一已初步形成的重力、引力及其做功特點，勢能與能量轉化的概念和規律，用類比的方法研究電場力做功特點及電場中能量轉化等問題，形成電勢能概念。同時靜電場中電勢能、電勢、電勢差、場強等概念又反過來可以加深學生對重力、引力及相關概念的理解，形成逆向正反饋。而兩個場的共性，又可引發對保守力做功、勢能、非保守力等概念的思考，使概念的理解和探究更加主動和深入。所以這節課的設計不僅要用類比幫助學生形成未知事物（電場、電勢能）的概念，同時用類比反過來深化對已知事物（重力、引力場，引力勢能）概念的認識，并希望研究二者的聯系，歸納出共性（保守力、保守力場、勢能）的概念。

3.高三專題復習課——《萬有引力與重力》，1課時。高三教學的重點在于應用概念、規律解決問題。引（重）力作為重要的核心概念，在很多問題中都會涉及，但在具體問題中可能考查的是引力概念在不同側面的特征。高一在剛開始學習重力時并未引入圓周運動概念，所以對重力與萬有引力的關系比較模糊。在高三復習前測中發現，學生在下述問題中的迷思概念比較集中：地面物體和近地衛星的受力如何區分？重力是萬有引力的一個分力（另一個是物體與地球一起自轉所需的向心力）還是萬有引力與慣性離心力的合力？重力是性質力還是效果力？由于存在對這些問題的迷思概念，加之這部分公式、規律較多，不少學生對公式、規律的應用條件與適用范圍并沒有真正理解，生搬硬套，造成解決問題上的錯誤。本節課的設計通過例題和練習發現學生的迷思概念，通過研究討論澄清概念間的聯系與區別。概念清晰了，才能選擇正確的規律和公式解決問題。高三面對的是復習備考任務，要正確而高效地解決問題，更需重視基本概念教學，特別是要重點解決易混淆概念，這樣才能熟練掌握正確解決問題的方法和技能。不弄清概念就讓學生陷于題海，只能增加混亂，事倍功半。

4.高二榮譽課講座——《引力的前世今生》源自《選修3-4》第十五章 §4廣義相對論簡介的教學，2課時。本講座從牛頓力學中的引力開始，到廣義相對性原理和等效原理等近現代物理學引力研究的進展和觀點。講座分三部分：①引力是一種基本作用力；②引力是時空彎曲的幾何表示；③引力是一種可重整化的量子規范場？以科學發展的視角重新審視引（重）力的概念發展，突破相對完整的牛頓力學體系，對學生繼續學習和研究提供開放性窗口，也引發學生對時空觀、科學觀的思考。

三、教學反思和課題進一步研究設想

在引（重）力概念轉變教學的縱向課程教學過程中，通過教師的課程設計和實施，學生能更主動地探究知識和概念的形成過程。通過紙筆測試和訪談等評價方式可以發現，學生對概念的理解更加深入全面和開放，應用相關概念分析解決問題的能力也有所加強。

但是，在整個課程的實施過程中，教師感到還缺乏系統而科學的調查和研究方法，比如了解學生迷思概念時的問題設置和數據分析；一些過程性材料沒有注意保留；學生在課程實施前后的對比評價也還顯得比較薄弱。今后課題研究中應進一步整理出了解迷思概念的有效問題；引入和使用應答系統等教學軟件高效地了解學生的主要問題，設置適當的評價方式了解對概念的理解和掌握情況。

另外，對于其它重要概念，如力、運動、能量、場等，也將作為今后建設縱向概念教學課程的主要研究內容，繼續用概念轉變的教學方法研究概念的深入教學。

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（在課題研究和論文寫作中，張維善、續佩君、張繼達、馮華、喬靈芝等專家及北大附中吳躍文、王玉水、劉亮等老師給與作者很多指導和幫助，在此表示深深感謝！）