對初中生壓強前概念的調查及其轉化

一、問題的提出

心理學家奧蘇貝爾認為，“影響學習的最重要的因素是學生已知的內容”。學生在學習某個物理概念之前，面對感興趣的物理現象，不自覺地會根據已有的生活經驗形成個人的認識和理解，這就是所謂的“前概念”。對于學生而言，這些前概念能“有效地”解釋生活中的一些現象，因此具有一定廣泛性、隱蔽性和頑固性。錯誤的前概念會對學生學習物理概念產生不利的影響。如何引導學生擺脫前概念的影響、建立科學概念是物理教師需要面對的一個重要課題。

壓強是初中力學的核心概念之一。一方面，壓強與生產、生活緊密聯系；另一方面，壓強拓展和深化了力的概念，是學習液體壓強、大氣壓強的基礎。新課標對壓強的要求較高，屬于“理解”層次。教學實踐中，學生普遍反映這一部分內容較難學，除去壓強概念本身具有一定的抽象性和相關習題的綜合性之外，錯誤前概念的影響也不容忽視。基于上述認識，筆者開展了初中生壓強前概念的調查與研究。

二、研究過程與結論

為了使調查結果具有一定的信度與效度，本次研究采用了問卷法和訪談法。隨機選取山東省聊城市某私立中學初一的兩個教學班 （完全沒學過物理）和初二的三個教學班 （尚未學習壓力、壓強的概念）共236名學生作為被試。采用問卷星設計調查問卷，將問卷發布在校園網上，安排學生在課余時間進行答卷。問卷采用不記名、不限制答卷時間的方式，以便學生真實地表達自己的想法。最后利用問卷星后臺提供的SPSS11.0統計軟件對問卷結果進行統計分析。

1.壓強對于大部分學生來說是一個陌生的概念。調查結果顯示，有50.1%的學生表示“日常生活中，沒有聽說過壓強概念”；20.6%的學生認為“壓強是壓力不科學的說法”；75%的學生認為“書包帶做的扁而寬能夠減小書包對人體的壓力”……這充分說明，學生無法分清壓力與壓強，甚至把兩者等同起來。

2.學生對壓力的認識模糊且具有片面性。55.84%的學生認為“下圖1中能正確表示支撐面所受壓力的是A”，22%學生認為是B；還有41.2%的學生認為“物體越重，對接觸面壓力越大”；37.6%的學生認為“壓力的方向總是豎直向下的”；22.1%的學生認為“壓力作用效果只與壓力大小有關”……

圖1 壓力識別

3.學生已初步意識到“壓力作用的效果與受力面積的大小有關”。面對“一位同學在結冰的湖面上行走時，突然發現腳下的冰即將破裂，他應采取的措施是什么”的問題時，63%的學生能做正確的判斷；24.8%的學生認為“一人先站在地面上，后抬起一只腳，則他對地面的壓強會增大”……

三、關于壓強教學的幾點建議

前概念是學生用來解釋客觀世界的獨特經驗，它的形成與學生對未知事物的自主探究活動有關。現有研究表明：科學概念不會自動取代學生的前概念，只有經過學生的自主建構才能使他們對前概念產生不滿，進而接受并理解科學概念。概念轉化的關鍵是創設真實的問題情景，使前概念在新的問題面前失去作用，引發學生的思維沖突，促使學生放棄錯誤的前概念。

1.改變壓力概念的引入方式，淡化重力對壓力的干擾。一般情況下教師是這樣引入壓力概念的：展示如圖2的三幅圖片。

圖2 引入壓力概念的三幅圖

教師要求學生畫出運動員對平衡木的作用力、釘子對墻壁的作用力和物體A對斜面的作用力。然后提出問題：這些力有什么共同特征?學生分析歸納出這些力都跟物體表面垂直，從而得出壓力的概念。教學實踐中發現：學生往往把第三幅圖中的壓力畫成物體A的重力，為了使教學進行下去，只好由教師代勞畫出。表面上學生接受了壓力的概念，但隔幾天之后不少學生又會犯同樣的錯誤。出現這種現象的原因是，第一幅圖中壓力是由重力產生的，方向也與重力的方向相同，根深蒂固的前概念并沒受到挑戰，學生并沒有真正接受壓力的概念。

為了避免這種現象的發生，可采用以下方法引入壓力：將塑料桶豎放在水平桌面上，教師用手指擠壓塑料桶的側壁，提醒學生觀察手指壓力的方向有什么特點。然后展示上圖中砸釘子的實例，引導學生分析錘子水平敲擊釘子時，錘子對釘子的力和釘子對墻壁的力是否也具備這種特點，從而歸納出壓力的定義。用這種方式引入壓力的概念，可以有效擺脫重力對壓力的干擾，避免造成學生認知上的混亂。

2.采用對比法，使學生徹底區分壓力和重力。在引入壓力的概念之后，進一步提出問題：放在水平面上的物體對水平面有壓力嗎?接下來演示如下實驗：將長方體海綿塊平放在桌面上，在其上方放置一塊紅磚，提醒學生觀察海綿的形變。組織學生討論：使海綿發生形變的力的方向與海綿的表面有什么關系?它屬于壓力嗎?這個力的施力物體和受力物體分別是誰?這個力與紅磚受到的重力是同一個力嗎?討論過程中，學生的各種思維相互交流與碰撞，逐步建立壓力概念。討論的結果如表1：

表1 重力與壓力對比表 （以紅磚對海綿的壓力為例）

3.引導學生自主建構壓強的概念，彰顯壓強的物理意義。實驗“探究壓力作用的效果與哪些因素有關”是建構壓強概念的關鍵。通過探究活動，學生不難得出兩條結論：“壓力的作用效果不僅跟壓力的大小有關系，還跟受力面積的大小有關系”。若在此基礎上直接指出：“壓力作用的效果用壓強表示”，這種處理方式有些粗糙，沒有從根本上觸及學生的前概念，缺少思維加工過程，學生也難以接受新概念。

根據概念轉化理論，只有使學生意識到他們認識的“壓力” （即關于壓強的前概念）不能解決某些新問題時，他們才有可能接受壓強的概念。在學生得出上述兩條結論的基礎上，可以創設如下的問題情境：出示質量和底面積均不相同的金屬塊甲、乙，其中甲的質量是1kg、底面積5cm2，乙的質量是2.5kg、底面積25cm2。將兩者并排放在同一塊海綿上，提醒學生觀察海綿的凹陷程度。然后提出問題：兩個金屬塊對海綿的壓力F甲、F乙哪個大?哪一個壓力作用的效果更明顯?如果用壓力的大小來表示壓力作用的效果合理嗎?該怎樣比較才合理?教師可適當引導：我們是怎樣比較物體運動快慢的?給學生的思維提供一個“支架”，學生很快就會發現F與S的比值越大，壓力作用的效果越明顯，可以用這個比值來表示壓力作用的效果。教師順勢指出，科學家也是采用這個比值來表示壓力作用的效果，并把它定義為壓強。經過思維加工，壓強這個概念便在學生頭腦中生根了。

因此，教師應充分了解學生的前概念，努力創設一個學生感興趣的教學情境，引導學生自主建構概念，克服前概念的不利影響，以提高物理教學的有效性。