中學生“力學前概念”的探查與矯正

陳雪梅（浙江大學附屬中學）

中學生“力學前概念”的探查與矯正

陳雪梅
（浙江大學附屬中學）

采用美國Hestenes等人設計的FCI測評問卷對杭州市某中學初一、初二兩個年級的部分學生進行力學概念測試，揭示了初一學生頭腦中存在的典型力學前概念以及初二學生經傳統(tǒng)教學后的概念轉變情況。采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對不同年級和不同性別學生的力學概念掌握情況以及差異水平進行了統(tǒng)計分析，并對物理概念教學提出了一些思考和建議。

中學生；力學前概念；分析；FCI測評問卷

學生對物理現(xiàn)象的直觀認識在接受物理課程學習之前已經存在了，并在這些認識的基礎上形成了自己的思維體系。這種在學習系統(tǒng)的科學知識之前存在的想法被稱為“前概念”（preconception）。前概念對于物理知識的建構所產生的作用和影響一直是物理教學研究比較活躍的領域。美國、加拿大、新西蘭等國家均對其進行了廣泛深入的研究，但我國在這方面的研究相對缺乏。

本研究旨在探查學習力學基本知識前后的初中學生對力學基本概念、規(guī)律的理解、認識情況，為電學、熱學、光學等其他物理分支領域學生前概念及其轉化的研究提供借鑒。

一、測評問卷和被測樣本分析

本調查采用的問卷是美國Hestenes等人設計的“力的概念測量表”（Force Concept Inventory），簡稱FCI。FCI由30個與力的概念有關的物理題目構成。每小題均有5個備選答案，其中只有一個是正確的，其余四個是從大量問卷調查中提煉出來的學生最常見的前概念，學生必須在正確概念和錯誤概念中作出選擇。

本調查在2015年9月進行。調查對象為浙江省杭州市某初級中學學生。抽取初一兩個班進行調查，收到有效答卷102份（男56份，女46份）。這部分學生沒有學過基本力學知識，他們關于力學現(xiàn)象的認識來自日常生活經驗。調查這部分學生是為了探查進行力學基礎知識教學之前，學生頭腦中存在的前概念情況。抽取初二兩個班進行調查，收到有效答卷96份（男58份，女38份）。初二學生學過力學基本知識，對力學問題有一定的理解和認識，他們的錯誤答案可以反映學生的前概念經傳統(tǒng)教學之后的轉化情況。

二、典型調查結果統(tǒng)計與分析

限于篇幅，筆者在本文中列舉部分試題進行分析，這部分試題有效地揭示出學生頭腦中存在典型的前概念。所選試題以及統(tǒng)計結果如下：

（一）典型試題各選項統(tǒng)計結果

【題1】兩個體積相等的金屬球，其中一個的重量是另一個的兩倍。兩球從二層樓頂同一高度同時落下，則兩球到達地面的時間：

【題2】一輛大卡車和一輛小轎車迎面相撞，在碰撞過程中：

【題3】兩個鋼球，一個重量是另一個的兩倍，二者以相同的速度滑出水平桌面，則落地點到桌子底部的距離：

【題4】一個男孩豎直上拋一小鋼球，忽略空氣阻力。在小球從拋出到回到地面的過程中，作用在小球上的力為：

【題5】參考下圖，回答問題。一個小球在光滑平面上從a勻速運動到b，小球到達b點時受到一個來自同一水平面上的瞬間沖撞，方向如粗箭頭所示。

沖撞之后，沿著選定的路線，小球受到的主要作用力為：

【題6】兩個學生，a的質量為75kg，b的質量為57kg，面對面地坐在同樣的辦公椅上，學生a將雙腳放在b的膝蓋上。學生a如果蹬腳，兩個椅子都開始運動。

【題7】一塊石頭從一層樓頂落向地面，則：

【題8】一個高爾夫球飛行過程中所受的作用力有：1.重力；2.打擊力；3.空氣阻力。

（二）典型前概念分析

1.關于原動力

①“打擊”傳遞原動力。題5的B、C兩個選項共有84.3%的初一學生和54.1%的初二學生認為小球在運動過程中仍然受到水平沖力的作用。題8的B、C和E三個選項有93.7%的初一學生和27.1%的初二學生認為高爾夫球在飛行過程中還受到打擊力的作用。通過訪談，絕大多數(shù)學生認為通過“打擊”可以把力轉移到被打擊的物體上，從而提供一種能維持運動的使動力量。

②運動過程中“原動力”的耗散。題4的A、B和C三個選項共有86.4%的初一學生和47.9%的初二學生認為小鋼球被拋出時產生的原動力在運動過程中逐漸減小。即“原動力”的耗散。

對于原動力的認識，初一學生和初二學生存在的誤解都是很嚴重的。這是因為學生沒有相應的生活經驗來證明物體的真正運動狀況及受力情況，只能憑常識來判斷。傳統(tǒng)教學對改變這種錯誤認識的效果并不十分理想。

2.關于作用力與反作用力

①質量越大的物體施力也越大。題2的A和D兩個選項共有51.0%的初一學生和6.3%的初二學生認為大卡車和小轎車相撞時，大卡車作用在小轎車上的力大于小轎車作用在大卡車上的力。題6的D選項有49.0%的初一學生和8.3%的初二學生認為質量較大的a學生對b的作用力較大。較多學生認為兩個物體相互作用時，質量大的物體“更有勁兒”。

②主動物體施力較大。在訪談中發(fā)現(xiàn)，題6選D的部分同學認為相互作用過程中主動物體施力較大，被動物體也對主動物體施加一定的力，但是被動物體施加的力只是為了阻擋主動力，因而其大小也小于主動力。

3.關于重力

①重的物體下落得快。題1有52.9%的初一學生和85.4%的初二學生選擇答案A或D。題3有47.0%的初一學生和68.0%的初二學生選擇答案C或D。可見，“物體越重下落得越快”這個自亞里士多德開始數(shù)千年被人們信奉為“真理”的誤解，今天仍然普遍地存在于學生的前概念體系之中。而且，出乎意料的是，初二學生比初一學生更加根深蒂固！

②重力隨物體下落而增加。題4有37.3%的初一學生和10.9%的初二學生選擇答案B，認為小鋼球下降過程中地球引力逐漸增加。題7有29.4%的初一學生和22.9%的初二學生認為石頭加速下落，主要是由于它越接近地球，地球引力越大。

③大氣壓對重力有貢獻。題7有37.3%的初一學生和33.4%的初二學生選擇答案E，認為石頭下落的主要原因是地球引力和向下的大氣壓力的聯(lián)合作用。在訪談中我們發(fā)現(xiàn)，許多學生認為大氣壓力與重力同方向，而且大氣壓力是單向作用在物體上的。

（三）統(tǒng)計結果分析

為了比較不同性別和不同年級之間學生對力學概念的掌握情況，我們對每位學生的成績進行了統(tǒng)計，全部數(shù)據(jù)用SPSS19.0統(tǒng)計軟件包進行處理，結果如下：

表1　初一男女生力學概念掌握情況差異比較

表2　初二男女生力學概念掌握情況差異比較

表3　初一初二兩個年級學生力學概念掌握情況差異比較

從以上統(tǒng)計結果可以看出，初一男女生的得分數(shù)在0.01顯著性水平上有顯著區(qū)別，初二男女生的得分數(shù)在0.05顯著性水平上區(qū)別不顯著，初一初二兩個年級的得分數(shù)在0.01顯著性水平上有顯著區(qū)別。

三、概念矯正策略

本研究的探查結果支持了學生進入物理課程學習之前已經擁有很多與科學概念相矛盾的觀念的研究結論。調查還反映出，傳統(tǒng)教學在促進前概念轉化為科學概念方面所做的工作是低效的甚至是失敗的。因此，在進行科學概念教學之前，必須根據(jù)有意義學習理論，在了解學生原有認知水平的基礎上，采用合理的教學手段，促使學生有效地轉變錯誤的物理前概念，進行有意義的學習。

1.進行教學前測

學生頭腦中的前概念是在潛移默化中形成的，具有隱蔽性，平時一般不會清晰地呈現(xiàn)在腦海里。因此，在教授新概念之前，教師應采用診斷性測試等方式，了解學生對物理現(xiàn)象的經驗認識。這樣做對教師的“教”和學生的“學”都有重要意義。對于“教”的意義，可以用奧蘇伯爾的一句名言來概括，“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，影響學習的最重要的因素是了解學習者已經知道了什么。”只有充分了解學生的認知結構，尤其是了解學生對與新概念有密切關系的已有概念的認識情況，才能選擇有效的教學策略和方法進行有的放矢的教學。對“學”的意義在于，一方面，通過教學前測能激活學生的經驗圖式，讓它從隱蔽之處呈現(xiàn)出來，這樣就為概念的重新建構提供了基礎框架，以避免在大腦一片空白的情況下進行無意義的接受學習。另一方面，若進行教學前測并及時反饋，能夠有效地激發(fā)學生的學習動機。學生平時習慣于用經驗圖式進行問題解決，前測所給的反饋結果會使學生對一些司空見慣的物理現(xiàn)象感到困惑。憑借經驗圖式進行問題解決所導致的失敗促使他們迫切地想知道原由。此時大腦無比興奮，內在的學習動機非常強烈，在這樣的氛圍中，教師再絞盡腦汁地要求學生注意力集中，認真聽課認真思考就完全沒有必要了。

2.組織情境教學

讓學生在與實際情況相類似的教學情境中修正錯誤想法是幫助他們獲得科學概念的最佳途徑。學生的前概念大多是在生活中建立起來的，以真實問題作為教學實例，能使他們產生真實感和親切感。實踐證明，教學中用以下的思路來解決真實性任務能有效地轉變前概念：選擇真實性任務或創(chuàng)設類似的情境；讓學生根據(jù)自己的理解，預測實驗或問題的結果；讓他們用自己的前概念對現(xiàn)象進行解釋，并為自己的前概念進行辯護，從而引起思維結構發(fā)生沖突，并強烈意識到前概念的存在；教師在適當時機進行參與，并步步引導他們用正確的物理概念來解釋問題。如果急于求成，一下子就讓學生面對課本上的“真理”，教學效果往往適得其反。

3.開展合作學習

每個學生都在以自己的經驗為背景建構自己對事物和現(xiàn)象的理解，因此只能理解到事物的某些方面，不可能獲得全面的理解。合作學習可以克服個體知覺系統(tǒng)的局限性。通過交流與討論，每一位學生都能獲得他人對某一物理現(xiàn)象的獨到見解，并了解產生不同見解的經驗基礎，從而超越自己對物理現(xiàn)象的一些狹隘的認識。而且，在合作學習中，每個學生都是積極的參與者。在自由平等、相互信任的氣氛中最適宜表達各種荒誕的觀念，這些荒誕的觀念往往是互相矛盾的。激烈的爭論和積極的思考會促使他們認識到自己原有認識的片面性和不合理之處并萌發(fā)一些新的猜想，這些猜想往往已經走近真理的邊緣。

4.重視探究與體驗

概念的形成和發(fā)展過程對于每個學生來說都是不一樣的，因此，在教學過程中要盡可能地讓每個學生依據(jù)自己獨特的發(fā)展方式進行物理概念的學習。探究式教學能為學生提供各種形成概念的途徑，滿足每一個學生自主學習、探究問題的天性。學生可以從所要探究的概念出發(fā)，通過閱讀課本或查閱有關資料或與同學老師之間的相互交流，收集有關的材料，通過自己對材料的分析提出主觀的猜想并親自動手設計實驗來進行驗證。在探究過程中，通過豐富的體驗和感悟逐步糾正一些錯誤的觀念和看法，獲得科學概念。

［1］D.Hestenes.Force Concept Inventory［J］.Phys.Teach.1992 （30）：141-158.

［2］施良方.學習論［M］.北京：人民教育出版社，1994.

·編輯 孫彥君