運用物理實驗轉變學生有關摩擦力的錯誤前概念

許慧藝

(南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210000)

奧蘇貝爾在他最有影響力的著作——《教育心理學：一種認知觀》的扉頁上寫道,“如果我不得不把教育心理學的所有內容簡約成一條原理的話，我會說：影響學習最重要的因素是學生已知的內容.弄清這一點后，進行相應的教學.”奧蘇貝爾整個理論體系的核心是根據學生原有的知識進行教學，也就是要關注學生的前概念.學生在進入課堂之前頭腦中并不是一塊“白板”，而是帶著原有的認知結構進入課堂.教學實踐中的大量事實說明，前概念對物理教學干擾很大，極大地阻礙了學生對科學概念的建立[1].因此，在教學中關注學生的前概念，同時幫助學生轉變錯誤的前概念，才能為科學概念的建構做好鋪墊.

1 學生存在的錯誤前概念

前概念是指學生在正式學習有關的物理知識之前，頭腦中已存在著相關的認識和該認識賴以形成的思維方式，它們在很大程度上決定著學生對新知識的理解[2].前概念具有自發性、頑固性、遷移性等特點，它對學生重建科學概念有著很強的影響力.根據前人的研究和課堂經驗的總結了解到，高一學生在學習摩擦力知識過程中，對于滑動摩擦力的認識存在以下常見的錯誤前概念：

誤區1：滑動摩擦力的方向總是與物體的運動方向相反.

誤區2：滑動摩擦力阻礙物體運動，一定是阻力.

誤區3：滑動摩擦力總是做負功.

誤區4：只有運動的物體才會受到滑動摩擦力，靜止的物體不會受到滑動摩擦力的作用.

對于靜摩擦力存在以下常見的錯誤前概念：

誤區1：靜摩擦力一定是阻力.

誤區2：靜摩擦力總是不做功.

誤區3：只有靜止的物體才會受到靜摩擦力,運動的物體不會受到靜摩擦力.

2 利用物理實驗轉變學生前概念的具體策略

2.1 設計思路

學習是學生主動建構知識的過程，學習過程是自我生成的過程，這種生成是由內而外的生長，是他人無法代替的，其基礎是學生原有的知識和經驗[3].而學生原有的認知結構中除了一些與科學概念相違背的錯誤前概念，還存在大量的其他正確的經驗和理性沉淀，在進行概念轉變的過程中，要充分利用學生頭腦中的正確成分，同時利用學生原有認知結構中前概念的片面性和非本質屬性與學生原有的正確圖式相沖突，根據先行組織者策略，讓這一部分概括性更強、包攝性更廣的正確概念為新知識的獲取提供一個固定點，更好地實現從原有知識向科學知識同化的過程.比如，學生原有的概念包括“力是改變物體運動狀態的原因”“摩擦力阻礙物體運動，是阻力”“具有動力和阻力的概念”，教師要充分利用學生頭腦中原有的合理性成分——“力是改變物體運動狀態的原因”這一正確概念，通過實驗的設計，讓學生通過實驗觀察，思考得出原來摩擦力也可以使物體由靜止到運動，可以是動力.以己之矛攻己之盾，讓學生產生認知沖突，通過對實驗現象的分析解決認知沖突，實現從錯誤前概念向科學概念的轉變.

2.2 思想碰撞 激發認知沖突

教師只有充分了解學生頭腦中錯誤的前概念，才能“對癥下藥”，找到解決問題的切入點.建構主義者重視教學中教師與學生以及學生與學生之間的社會性相互作用，每個學習者的社會背景和生活環境不同，由于客體與主體意識的相互作用使每個人只能理解到事物的某些方面，只有通過學生之間的合作學習交流，不同認知結構的相互碰撞，才能暴露出一些潛在的問題.比如針對“摩擦力一定阻礙物體運動”這一問題，讓學生展開討論，通過交流討論，可以橫向了解到不同學習者對某一物理事實的不同認知之間的矛盾和沖突，從而激發認知沖突，這是實現概念轉變的基礎.

2.3 創設教學情境 糾正錯誤前概念

國內外研究表明，對當前概念的不滿意，是產生概念轉變的重要原因[4].因此，通過創設探究性教學情境，學生帶著問題觀察實驗現象，利用原有的知識來解釋現象，引發新舊知識之間發生沖突，這種沖突促使學習者進一步探究矛盾事件，這不僅是進行概念轉變的動力，同時也是科學概念建立的前提.

2.3.1 利用實驗探究滑動摩擦力的方向

實驗探究1:

教師出示簡易自制教具*該實驗參考東芝杯·中國師范大學理科師范生教學技能創新大賽滑動摩擦力一節.，該裝置示意圖如圖1所示.

圖1 自制摩擦力裝置——演示實驗1

實驗演示1：如圖1所示，讓右邊3個標記對齊，最底下的支架相對于地面是靜止的，所以把它當做地面，上面的物體記為物體A，下面的物體記為物體B.向左迅速拉動物體B，學生觀察兩個物體的運動情況，并填寫表1.

實驗演示2：拉著物體B，使B和A一起向左運動，二者將會與支架左側擋板發生碰撞，在碰撞前瞬間3個標記是對齊的，如圖2所示，而我們的實驗是研究碰撞后的情況.

圖2 自制摩擦力裝置——演示實驗2

實驗演示3：讓A和B兩個標記與支架的右側標記對齊，并用繩子把物體A鉤住，然后向左拉動物體B，如圖3所示.

圖3 自制摩擦力裝置——演示實驗3

通過觀察3個實驗演示，學生完成表格情況如表1所示.

表1 實驗探究滑動摩擦力表格

分析：(1) 在拉動繩子時，發現A的運動狀態變化是從靜止到向左運動，所以A是向左運動的；通過A,B上的紅色標記看出A在B標記的右邊，所以A相對于B是向右運動的.判斷滑動摩擦力，可通過滑動摩擦力的產生條件或通過受力分析可知A正是受到滑動摩擦力才向左運動的，所以A受到向左的滑動摩擦力.判斷滑動摩擦力做功情況，學生觀察前面已填好的數據看出,A受到向左的滑動摩擦力，同時也向左運動了，所以得出滑動摩擦力做正功.

(2)A是向左運動的，A相對于B是向左的，同樣在這個過程中，A也受到了滑動摩擦力，正是由于這個滑動摩擦力，使向左運動的A停了下來，所以這個滑動摩擦力方向是向右的.因為滑動摩擦力的方向與物體的運動方向相反，所以滑動摩擦力做負功.

(3)A物體保持靜止，B向左運動，因此A相對于B向右運動，同理，還是滿足滑動摩擦力的產生條件，A還是受到滑動摩擦力的作用，而A卻能保持靜止，說明A還受到一個繩子的拉力作用，由于這個拉力只能向右，根據二力平衡得到，A受到的滑動摩擦力方向只能向左.由于A保持靜止，所以滑動摩擦力不做功.

小結：(1)通過觀察表格1的第3列和第4列，發現滑動摩擦力的方向總是與相對運動方向相反，而不是與運動方向相反.

(2)在實驗1中，滑動摩擦力可以使物體A由靜止向左運動，它是動力，滑動摩擦力做正功；實驗2中，滑動摩擦力可以使向左運動的物體停止運動，它是阻力，此時滑動摩擦力做負功.因此滑動摩擦力并不總是阻礙物體運動，它既可以是阻力，也可以是動力.既可以做正功，也可以做負功，甚至不做功.

(3)通過觀察表格1的最后一行，發現靜止的物體也會受到滑動摩擦力的作用.

2.3.2 利用實驗探究糾正學生關于靜摩擦力的錯誤前概念

實驗探究2:

實驗演示4：緩慢拉動物體B，使A與B一起向左運動，并且保持相對靜止.

實驗演示5：向左拉動物體B，使A和B一起向左運動，保持A,B相對靜止.撤掉拉力，注意觀察拉力撤掉之后，A，B物體的運動情況，并填寫表格.

實驗演示6：用很小的力向右拉物體A，但沒拉動.

填寫完的表格如表2所示.

表2 實驗探究靜摩擦力表格

分析：(1)物體A由靜止到向左運動，運動方向向左，A相對于B靜止，由于A與B沒有發生相對運動，又因為A在摩擦力的作用下向左運動，所以A受到向左靜摩擦力的作用，根據靜摩擦力方向與運動方向相同，學生可得出靜摩擦力做正功.

(2)撤掉拉力后，物體A由向左運動到靜止，運動方向向左，A相對于B還是靜止不動，由于靜摩擦力的作用使向左運動的A停了下來，所以A受到向右的靜摩擦力.根據靜摩擦力的方向與物體的運動方向相反可知靜摩擦力做負功.

(3)A物體靜止，A相對于B也是靜止，但是A又受到一個向右的拉力而處于靜止狀態，根據二力平衡可得，A還受到一個向左的靜摩擦力的作用.但是由于只有靜摩擦力，而沒有位移，所以靜摩擦力不做功.

小結：(1)在實驗4中，正是由于靜摩擦力的作用才使得A物體向左運動，所以此時靜摩擦力是動力，靜摩擦力做正功.而在實驗5中，是由于向右的靜摩擦力才使得運動的物體A停了下來，所以靜摩擦力是阻力，此時靜摩擦力做負功.在實驗6中，雖然有靜摩擦力，但物體始終保持靜止狀態，所以靜摩擦力不做功.所以靜摩擦力同滑動摩擦力一樣，可以做正功,做負功，也可以不做功.

(2)從表2的第2列可以看出，不管物體是靜止的還是運動的，都可能受到靜摩擦力的作用.

本階段教師為學生創設教學情境，給學生充足的時間和機會，觀察實驗現象并以小組討論的方式進行活動探索，發揮物理實驗的功能，豐富學生的感性認識.但是在概念轉變過程中，若只向學生提供概念轉變的感性材料，而不讓學生參與思維加工過程，

掌握建立科學思維的方法，對學生來說，表面聯系和本質聯系、感性認識和理性認識、生活經驗和科學概念仍處于“分離狀態”，對科學概念的認識只是膚淺的、片面的[5].通過表格的對比讓學生自己發現問題的關鍵所在，反思自身認識不足的原因，鍛煉學生的邏輯性思維.同時糾正錯誤的前概念，重新建構科學概念.

3 結束語

摩擦力作為高中物理教學的重點內容，同時也是一個教學難點，學生由于受到生活經驗或對摩擦力存在字面上的錯誤理解等原因，對滑動摩擦力和靜摩擦力存在許多的錯誤前概念，教師應該對此加以重視并尋求解決問題的辦法.物理探究實驗具有提高學生思維能力、轉變學生認知結構、促進學生學習遷移等功能，能夠幫助學生在原有生活經驗的基礎上，通過探究實驗過程實現知識的遷移，轉變學生錯誤的前概念[6].物理實驗作為物理教學中的一種重要的教學策略，也有其自身的局限性，在很多的教學過程中，教學策略的選擇應視具體教學內容、學生錯誤概念形成的背景和原因而定.但筆者認為運用物理實驗轉變學生錯誤的前概念是一種可行的方法，具有理論價值和實踐意義.

1 馮偉. 從建構主義視角研究物理前概念的轉變策略. 教育與職業,2006(23):181～182

2 郭玉英. 中學物理教學設計. 北京：高等教育出版社，2016.5

3 黃梅. 奧蘇貝爾的有意義接受學習理論在中學數學教學中的應用研究:[學位論文].昆明：云南師范大學,2006

4 陳慶軍,吳能平. 物理前概念研究,對構建科學概念的啟示. 物理教師，2011,32(5):9～11

5 臧國東. 論物理教學中如何轉變學生的錯誤概念. 吉林省教育學院學報,2008(02):51～53

6 劉濤. 高中物理探究實驗對學生力學前概念轉變的教學研究. 中學物理，2014，32(17):23