基于前概念的高中物理錯題研究

丁紅明

(平湖中學 浙江 嘉興 314200)

1 引言

現代建構主義學者古寧漢(D.J.Cunningham，1991)認為，“學習是建構內在的心理表征的過程，學習者并不是把知識從外界搬到記憶中，而是以已有的經驗為基礎，通過與外界的相互作用來建構新的理解”.學習要建構關于事物及其過程的表征，并不是對外界的直接翻版，而是通過已有的認知結構(包括原有知識經驗和認知策略)對新信息進行加工而建構成的.當今的建構主義者更多地強調在具體情景中形成的非正式的經驗背景的作用，即非結構性的經驗背景.這里提到的“已有的經驗”或“已有的認知結構”就是前概念的雛形.

本文主要從前概念的角度去研究高中物理教學中的錯題，希望通過這些研究能對課堂教學起到相應的促進作用.

2 前概念誘錯的產生根源與特征

前概念是前科學概念的簡稱，“前科學概念”是個體擁有的與科學概念不盡一致的概念；“前科學概念”既指向教學前也指向教學后，包括個體概念在發展成為科學概念前的一切概念形態，強調其是科學概念的雛形、前體和基礎這一特點，可以分為原發性前科學概念和繼發性前科學概念.前面提到的“已有的經驗”就是原發性前科學概念，“已有的認知結構”就是繼發性前科學概念.物理又與生活緊密相連，學生從出生開始就接觸到一些物理現象，尤其以力學、熱學居多，但直到初中才開始接受正規的物理教育，所以在正式學習物理之前，學生腦海中已經有一些原發性前科學概念.例如：學生認為，拔河時贏的一方拉力比輸的一方大；滑動摩擦力大小與接觸面積有關；摩擦力總是阻礙物體的運動；踢出的足球，在空中飛行過程中有飛行方向上的力來驅動；電流的速度等于導線中電子的運動速度等等.在具體學習過程中，由于已有認知結構模糊，造成一些不必要的失誤.

2.1 前概念誘錯的產生根源

2.1.1 前概念首因效應

當學生第一次做某個題目留下深刻印象，在今后解題中，通過“第一印象”最先輸入的信息會對新題認知產生影響.學生在解題過程中，往往具體表現為讀題愛跳題，憑老經驗去解決問題.

【例1】如圖1所示，斜面位于水平面上，一小物塊自斜面頂端沿斜面下滑. 已知各接觸面均光滑，從地面上看，斜面對小物體的作用力

圖1

A.垂直于接觸面，做正功

B.垂直于接觸面，做負功

C.垂直于接觸面，做功為零

D.垂直于接觸面，無法判斷做正功還是負功

此題相當一部分同學錯選C選項，究其原因是學生受到了此前做過的一個斜面固定的題目影響，由于支持力垂直于接觸面，看到“垂直”一詞就認為不做功，從而不加分析地照抄照搬.對于這類錯誤，要引導學生平時注意讀題與審題，學會比較不同模型的異同.

2.1.2 前概念知識負遷移

知識負遷移一般是指一種學習對另一種學習起干擾或抑制作用.負遷移通常表現為一種學習使另一種學習所需的學習時間或所需的練習次數增加或阻礙另一種學習的順利進行以及知識的正確掌握.

數學知識是學習和研究物理學的重要工具，能否恰當運用數學工具解決物理問題也是衡量學生能力高低的重要因素.物理學又不同于數學，由于從小就接受數學教育，學生在思考物理問題時常常有“數學慣性”，以數學關系來理解物理概念.例如，數學中“-5<3”，“1+1=2”等，學生初次接觸到力及其運算法則時，還會犯類似的錯誤.

【例2】某同學在“測量電源的電動勢和內阻”的實驗中,根據實驗數據作了如圖2的U-I圖像,則根據圖像該電源的電動勢和內阻分別為多少 ?

圖2

在新課教學時，很多教師都會強調本實驗U-I圖像斜率大小表示電源內阻.學生就會將數學中圖像的斜率k=tanθ遷移到本題中，得出錯誤的結論.教師在上新課的時候，除了要講到斜率表示電源內阻之外，更應該要提到數學中斜率和物理中斜率的區別.

2.1.3 前概念的界定模糊

任何一個物理概念都是其內涵和外延的統一.因此，讓學生掌握物理概念，一方面指的是要理解物理概念的內涵，同時也要明確其外延.所謂外延，即該概念適用的范圍和條件.例如，庫侖定律

由數學關系知r趨向于零的時候，F無窮大，其實庫侖定律公式本身成立是有條件的，當r趨向于零的時候，電荷已經不能看作是點電荷了，這個公式是不能用的.

【例3】如圖3所示，在鐵芯上、下分別繞有匝數n1=800和n2=200的兩個線圈，上線圈兩端與u=51sin314t(V)的交流電源相連，將下列線圈兩端接交流電壓表，則交流電壓表的讀數可能是

A.2.0 V B.9.0 V

C.12.7 V D.144.0 V

圖3

這題是2011年的浙江省高考題，當年此題得分率極低，個別班級甚至全軍覆沒.原因是在平時的練習中都是理想變壓器，所以在學生頭腦中形成了強烈而穩定的認知——“線圈匝數之比等于電壓之比”.其次，本題考查的并不是命題者故意刁難學生，而是在考查三維目標中的過程與方法.教師如果在理想變壓器教學中突出實際模型到理想模型的轉化與構建，而非直接告訴學生結論，那么學生的錯誤率不至于那么高.

2.1.4 前概念的不當類比

類比是科學研究中常用的方法之一，從特殊推向特殊的推理.類比推理是根據兩個或兩類對象有部分屬性相同，從而推出它們的其他屬性也相同的推理.例如，聲和光有不少屬性相同——直線傳播，有反射、折射和干擾等現象；由此推出：既然聲有波動性質，光也有波動性質.如果前提中確認的共同屬性很少，而且共同屬性和推出來的屬性沒有什么關系，這樣的類比推理就極不可靠，稱為機械類比.學生犯的錯誤基本屬于機械類比.例如，學生已經知道了聲音在固態、液態和氣態中的傳播規律，在學習光的傳播速度時，喜歡用聲波和光波進行類比，得出光在介質中速度要比真空要快.

【例4】如圖4所示，曲面PC和斜面PD固定在水平面MN上,C和D處平滑連接，O點位于斜面頂點P的正下方.某人從頂端P由靜止開始分別沿曲面和斜面滑下，經過C和D兩點后繼續運動，最后停在水平面的A和B兩處.各處材質相同，忽略空氣阻力，則

A.此人在曲面PC和斜面PD上克服摩擦力做功一定相等

B.此人沿PCA和沿PDB運動克服摩擦力做功一定不相等

C.距離OA一定等于OB

D.距離OA一定小于OB

圖4

此題大部分學生錯選了C選項.學生是受到如圖5所示的題目的影響，教師在講解原題時，往往會強調摩擦力在斜面上做的功等效為物體在水平面上滑動時做的功，甚至還把結論作為“定律”來使用.任何物理“定律”都是有前提的，習題講解的時候，除了知識的傳授外，更應強調“定律”“規律”建立的過程與方法，而非簡單的知識結論.原題中結論推導過程中摩擦力是作為恒力處理的，而當變力的時候，則不能盲目遷移.

2.1.5 關鍵詞語的誤解

物理概念是用一定的詞語和語句來表述的，借助關鍵詞語可以對感性材料進行抽象與概括，揭露事物的本質屬性和共同特征.通過語詞說明和定義，使直觀材料的特征更鮮明、更突出，還可以彌補直觀材料的不足，揭示事物之間的內部聯系.不過學生往往喜歡用生活中的詞語去解釋物理概念，并由此產生誤解.比如，學生喜歡把加速度理解為速度的增加；把失重、超重理解為重力的減少或者增加；把勻速圓周運動當作勻速運動.

【例5】關于離心現象，下列說法中正確的是

A.當物體所受的離心力大于向心力時產生離心現象

B.做勻速圓周運動的物體，當它所受的一切力都消失時，它將做背離圓心的圓周運動

C.做勻速圓周運動的物體，當它所受的一切力都突然消失時，它將沿切線做直線運動

D.做勻速圓周運動的物體，當它所受的一切力都突然消失時，它將做曲線運動

本題中，學生很喜歡A選項，看到“離心”一詞，認為離心運動中一定有個離心力使物體做離心運動，而忽視講某個力的時候必須找得到施力物體和受力物體.

2.1.6 盲目的主觀想象

學生在學習物理時，有時不從物理本質出發，而是根據生活經驗做一些沒有根據的主觀想象和推測.

【例6】如圖6所示，一物體以一定的初速度v滑上傳送帶的左端A點.當傳送帶靜止不動時，物體滑出傳送帶，滑到水平面上的B點停止；則當傳送帶逆時針轉動時物體將停在哪里？

圖6

很多同學主觀認為傳送帶逆時針轉動時，摩擦力變大，物體滑動距離變小了.

2.3 前概念誘錯的特征

從前面的分析，我們不難發現由前概念導致的錯題具有重復性、負遷移性、潛伏性等特征.

重復性——就是學生學習一些物理知識后，過了一段時間再遇到類似的問題時，受到先前錯誤的影響又會對該概念產生糊涂的認識，可能在某一階段有過假性糾正，但過了一段時間以后又會重復出現，表現出一定的重復性.例如，在“探究合力的方法”實驗中，體現的是什么思想方法？很多同學都答控制變量法，認為保持O點位置不變就是控制變量.這個問題到了期末考試的時候還是反復出現.很多同學搞不明白控制變量法的基本特征，而卻一直情有獨鐘控制變量法.

負遷移——學生在對各個物理知識結構的學習中，先前的知識結構對新的知識結構的建立起著積極的推動作用，但有時也產生一些負面的影響，對于具體習題而言可能會違背重要的物理原則.

潛伏性——前概念是學生長期經驗的積累結果，在學生頭腦中印象深刻，有時學生拿到答案也不知道錯在哪里，可謂根深蒂固.

3 錯誤前概念的糾錯對策

物理是與生活緊密相連的，學生往往會根據一些已經學過的東西或者基本認識，做一些遷移和外推，殊不知錯誤前概念產生容易，消除難，針對不同原因造成的錯誤前概念要采取不同的對策.

3.1 通過實驗創設情境 激發學生學習熱情

物理是以實驗為基礎的學科，有時千言萬語說不清，一看實驗就靈清.學生在做電學實驗的時候，筆者要求學生用多用電表測量“220 V，100 W”的白熾燈的電阻.在測量前讓學生估算下，大家都認為是484 Ω左右，然后再讓學生親自測量，結果顯示只有80 Ω左右.是儀器壞了？還是？學生帶著疑惑筆者讓學生從電阻定律角度去解釋，學生豁然開朗.

【例7】某同學從標稱為“220 V，25 W”“220 V，300 W”“220 V，500 W”的3只燈泡中任選一只，正確使用多用電表測量燈光阻值如圖乙所示(圖略).該燈泡的阻值是______Ω，標稱的額定功率為______W.

本題是2009年高考浙江省實驗題的一個小題，從試題所給圖片中，可以根據歐姆表指讀出燈泡的阻值是160 Ω.關鍵是第二問，學生根據功率和電壓關系很容易得到“220 V，300 W”的燈泡電阻約為160 Ω，選300 W的學生不在少數.如果學生在實驗的時候碰到過類似情景，這題得分率還會高很多.

3.2 注重變式教學 習題舉一反三

在平時教學時，教師如果能注重變式教學，對似是而非的模型進行比較，與學生一起探討不同模型之間的共同點與差異性，也能有效克服錯誤前概念.

【例8】如圖7所示，豎直放置在水平面上的輕質彈簧上疊放著兩物塊A和B，A和B的質量均為2 kg，它們處于靜止狀態，若突然將一個大小為10 N，方向豎直向下的力施加在物塊A上，則此瞬間，A對B的壓力大小為(g=10 m/s2)

A.10 N B.20 N

C.25 N D.30 N

圖7 圖8

此題在高一下學期使用的時候，錯誤率還是很高，相當一部分同學選擇D選項.從學生那里了解到他們在這個地方有兩個錯誤前概念.其一，很多學生把此如圖8情景前移到原題中，認為壓力等于重力，結合實際故而選D；其二，初中科學已有“壓強能等大地朝各個方向傳遞”，他們把壓強規律遷移到了力的規律.

圖9

如果在牛頓運動定律整體隔離法教學時，采用圖9題型進行題組教學，(甲)、(乙)兩圖分別從光滑和粗糙(粗糙程度一樣)兩個角度求解A對B的作用力，通過不斷地強化兩個物體的處理方法，加深對整體隔離的理解.

3.3 培養學生求真精神 敢于質疑答案合理性

物理教學應當以生活實際原型為背景，以客觀事實為依據，不能隨意地更改或者造數字，平時在教學中要滲透實事求是原則，力求真實，引導學生敢于從實際去質疑習題答案的合理性.

【例9】某水電站，用總電阻為2.5 Ω的輸電線輸電給500 km外的用戶，其輸出電功率是3×106kW.現用500 kV電壓輸電，則下列說法正確的是

A.輸電線上輸送的電流大小為2×105A

B.輸電線上由電阻造成的損失電壓為15 kV

C.若改用5kV電壓輸電，則輸電線上損失的功率為9×108kW

此題學生失分主要在C選項.根據變壓器原理求出輸電電流，再根據功率定義求出損失功率，相當順暢.此題中的前概念是變壓器變壓原理，但卻忽視了更重要的一個原理——能量守恒.很明顯C選項違反了能量守恒，這是無法實現的.

4 善待錯題 提高自己

桑代克著名的理論“試誤說”，強調學習是在嘗試錯誤的過程中不斷建立連接的過程.通過整理錯題，學生可以經常對自己的學習進步情況和學習策略進行反思，并及時做出調整，從而掌握學習的主動權，取得最佳的學習效果.同時也培養了學生的自我管理能力.

加涅的教學活動設計理論指出：學習者聽到的內容能記住10%，讀到的內容能記住20%，看到的能記住30%，做過的事能記住70%.為了盡力消除學生“一聽就懂，一做又錯”的現象，除了要求學生訂正全部錯題外，必要時可以把典型錯題分類整理，及時記錄每次測試題中的錯題，編成錯題本.

對于錯題本，筆者要求學生多問4個為什么.

(1)為什么錯了？分析錯誤原因，找到問題的前概念；

(2)應該怎樣做？標明解題的正確方法及依據原理；

(3)有無其他方法？哪種方法更好？對比歸納，思維求異；

(4)能否進行變通？一題多變，思維發散.

實際上就是我們一直在強調的錯題本必須要有：最初的想法(錯誤的想法)，解題的思路(讀題和破題)，解答的過程(用自己的語言).

當然并不是要求學生把所有做錯的題目都搬到錯題本上去，在平時教學中要指導學生學會甄別錯題，主要有以下幾個方面：

(1)不會做的題.主要表現在智力因素培養方面，對于知識結構性錯誤，重做一遍二遍錯題是十分必要的，這要視自己對錯題的把握程度而定.這類錯誤是我們通過學習，建立自身知識體系時存在的錯誤前概念.通過重做錯題，并認真分析，把錯誤前概念有效扭轉，就可以健全我們的知識結構體系.

(2)模棱兩可似是而非的題.主要包括概念模糊以及記憶模糊兩類.任何原理、法則、公式的成立都是有前提條件的.對于模棱兩可似是而非的錯題，通過分析，可能發現是把公式給弄混淆了，也可能是公式給用錯了，是理解錯了或者是記憶錯了.

(3)會做的卻做錯了的題.主要表現在非智力因素培養方面.這類問題最容易被人忽視，常常會自以為是地認為下次注意就行了，自己是不會再犯這個錯誤的.然而錯誤一定是有原因的，在沒有找到原因之前，錯誤還會繼續，所以一定要找出前概念所在，而非把這個前概念隱藏起來.

參考文獻

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