牛頓力學前概念調查及其思維過程研究

柯莎　宋師霞　白明俠

摘??要：通過力學概念測試卷（FCI）的測試數據來分析并研究銀川能源學院的學生在牛頓力學前概念思維過程中的具體表現形式。研究結果表明，牛頓力學前概念普遍地存在于我校學生的認知中，其主要原因可能是思維定勢及日常生活中的經驗和表象所致。

關鍵詞：牛頓力學;前概念;物理思維

前科學概念（簡稱前概念）[1]是學習者在接受正式學習某個科學概念之前，在現實生活中通過長期的經驗積累起來的缺乏概括性和科學性的經驗，或與科學知識相悖的觀念和理解。建構主義[2]認為科學概念的學習建立在前概念基礎之上。從認知心理學[3]的角度來說，學生在學習科學概念的過程中，是科學認知與前認知的沖突過程，學生沒有完成前概念到科學概念的轉化，是因為學生缺乏將前概念轉變成科學概念的物理思維，由此，想要轉變學生牛頓力學的前概念，就應該培養學生在牛頓力學方面的物理思維。幫助學生從“新手”到“專家”轉換，形成網絡似的知識體系。本文通過牛頓力學概念測試題來了解并研究我校本科學生在牛頓力學前概念中的思維過程，其主要目的是為正確的物理思維的建立提供基礎性研究資料。

1?研究對象及方法

1.1?研究對象

隨機選取銀川能源學院不同專業的本科學生作為調查研究對象，其中發放調查問卷330份，收回調查問卷311份，有效問卷311份，隨機分析100份測試樣本。

1.2測試工具及研究方法

本研究的調查工具選取的是美國應用非常廣泛的“力的概念調查表”（Force?Concept?Inventory，簡稱FCI），它是由赫斯特尼斯（David?Hestenes）、威爾斯（Malcolm?Wells）和斯維克海姆（Gregg?Swackhamer）編寫，首次出版1992年3月的《物理教師》（physics?teacher）[4]，并經海倫（Ibrahim?Halloun）、海克Richard?Hake））和莫斯卡（Eugene?Mosca）多次修訂后1995年8月再版[5]。本測試題由30個選擇題題組成，每個題目都有A、B、C、D、E共5個選項，學生根據自己的理解選出正確的選項并說明理由。通過問卷調查、觀察、談話等方式了解學生在牛頓力學前概念中所具有的錯誤思維的具體表現，為正確的物理思維的建立提供基礎性的研究資料，并試圖在以后教學中有目的的糾正學生之前的思維過程，力圖幫助學生建立正確的物理思維，實現前概念到科學概念的轉化，提升學習效果。

2?數據統計及結果分析

2.1?數據統計

本研究采用Excel對測試數據進行統計，在統計時隨機選取100份測試卷，并對30個測試題進行逐一統計，其各題目的平均正確率統計情況如表1所示：

2.2?結果分析

根據表1的統計數據，我們對各題目的平均正確率做如下歸類，其具體分布情況如表2所示。

從表2的統計結果不難看出，平均正確率低于60%的共有16個題目，已超過半數，甚至第23題和26題的平均正確率低于了30%。，學生的平均成績分布情況很不理想。雖然在中學階段學生已經接受過物理課程的學習，但是大部分學生對基本力學概念掌握的并不是很好，甚至還有一些錯誤的前概念仍然根深蒂固地存在于我校大部分學生的腦海中，這不僅使大學物理課程的教學有一定難度，而且也會間接地影響到理工科類學生后繼相關專業課程的學習和工程實踐。

3?典型易錯題分析

為了深入研究被試對象在牛頓力學方面所具有的錯誤思維過程的具體表現形式，我們現對部分典型易錯題進行簡單分析，以了解被試對象在牛頓力學前概念思維過程中的具體表現形式，并在以后教學的中注意這些前概念的存在，不斷培養學生的物理思維，有目標的轉變學生的前概念，使其形成科學概念。

（1）試題23分析

原題：設有一火箭在外太空從a點移動到b點。如圖所示。在外太空，火箭不受外力作用。設在b點火箭的發動機開始工作，產生一個恒定的推力（對火箭的推動力），其方向是與ab連線方向成直角。假設這推動力維持火箭運動到c點。

設火箭運動到c點發動機關閉，推動力立刻變成零。試問下面選項中那一條軌跡描述了火箭離開c點以后的運動？

本題的平均正確率為23%，其中11%的學生選擇了A選項，32%的學生選擇了C選項，21%的學生選擇了D選項，13%的學生選擇了E選項。本題考察學生對牛頓第一定律和拋體運動等相關知識的理解及掌握情況，選C選項的學生在21題基礎上認為物體沿力的方向運動，這部分學生沒有真正理解慣性的概念和平拋運動實質。

（2）試題26分析

原題：設有一人作用在一個大箱子上一個恒定的力。結果大箱子以恒定的速率v0沿水平方向移動了。若人作用在箱子上的作用力增大到原來的兩倍，方向仍是原來的水平方向，則：

A）箱子將以上題中箱子原來的速度v0的兩倍這樣的恒定速度運動;

B）箱子將以恒定速度v運動，2v0>v>v0;

C）箱子先以恒定速度v運動，v>v0，然后箱子的速度不斷增大;

D）箱子的速度先不斷增大，然后箱子以恒定速度v運動;

E）箱子的速度將不斷增大。

本題的平均正確率為30%，其中5%的學生選擇了A選項，21%的學生選擇了B選項，9%的學生選擇了C選項，35%的學生選擇了D選項。本題考查學生對牛頓第二定律的理解及掌握情況，選D選項的學生簡單地認為速度和力成正比，物體受力后速度會瞬間增大到最大值，然后以此速度做勻速直線運動，持有這種前概念的學生不能正確理解牛頓第二定律的內涵，對該定律缺乏理性認識，以生活中表象為依據進行了簡單判斷。

（3）試題11分析

原題：如圖所示。設有一冰球以勻速v0沿直線運動在光滑無摩擦的水平平面上從a點運動到b點。忽略空氣阻力。上圖為俯視圖。當冰球運動到b點時受到圖示中黑箭頭方向的快速一擊。這一擊的作用會使一個同樣的靜止的冰球獲得該方向的速度vk。如果冰球受到一擊之后沿著你在第8題所選擇的無摩擦軌跡運動，則冰球在受到這一擊之后所受到的作用力是：

A）向下的重力;

B）向下的重力和運動方向的水平分力;

C）向下的重力，水平面向上的支承力和運動方向的水平分力;

D）向下的重力，水平面向上的支承力;

E）沒有力作用在冰球上。

本題的平均正確率為35%，其中6%的學生選擇了A選項，13%的學生選擇了B選項，42%的學生選擇了C選項，4%的學生選擇了E選項。本題考查學生對力與運動等相關知識點的理解及掌握情況，選C選項的學生認為物體受到沖擊力的作用后，力會一直在物體的整個運動過程中都存在，因此他們以為冰球受到擊打，就會產生一個水平方向的分力，持有這種前概念的學生不理解什么是沖擊力，不知道該力有什么樣的特點，僅憑生活中的經驗和固有的思維定勢進行判斷，誤把沖擊力看成恒力。

（4）試題20分析

原題：圖示為兩塊石頭的運動記錄。兩石塊向右運動。現每隔0.2秒記錄下石塊的位置，用一帶數字標號的小黑正方形標識。

假設這兩塊石頭的加速度各為常量，它們之間的關系是：

A）石塊a的加速度比石塊b的加速度大;

B）石塊a的加速度和石塊b的加速度一樣，兩個加速度都大于零;

C）石塊b的加速度比石塊a的加速度大;

D）石塊a的加速度和石塊b的加速度一樣，兩個加速度都等于零;

E）沒有足夠的證據回答這個問題。

本題的平均正確率為43%，其中16%的學生選擇了A選項，3%的學生選擇了B選項，31%的學生選擇了C選項，7%的學生選擇了E選項。本題考查學生對加速度等基本概念的理解及掌握情況，其中選C選項的學生認為位移變化量越大，速度的變化量也就越大，導致加速度也越大，持有這種前概念的學生沒有真正理解加速度的內涵及物理意義，他們模糊的認為加速度就是速度增加（變化）的那部分，并且這種錯誤的前概念一直到持續到了大學階段。

4?總結

從以上分析我們可以看出，牛頓力學前概念廣泛地存在于我校學生的認知中，雖然學生在高中階段已學習過物理，但對于基本物理概念還是很模糊，并沒有掌握其本質和內涵，其主要原因可能由于思維定勢及日常生活中的經驗和表象所致，導致學生在解決問題時缺乏理性分析。在以后的教學過程中，我們必須而且也很有必要以基本的力學概念為出發點，對學生的原有前概念和原有知識經驗進行引導，培養學生在牛頓力學方面的物理思維，使學生能夠將腦海中的前概念轉變成科學概念，為后繼課程的學習打基礎。

參考文獻

[1]??顧明遠.教育大詞典（5）：教育心理學[M].上海：上海教育出版社，1990.

[2]??陳琦，劉儒德.教育心理學[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]??梁寧建.當代認知心理學[M].上海：上海教育出版社，2003.

[4]??David?Hestenes，Malcolm?Wells.?Force?Concept?Inventory[J]，The?Phys，Teach，1992.

[5]??David?Hestenes，Ibrahim?Halloun.?Interpreting?the?Force?Concept?Inventory[J]，The?Phys，Teach，1995.

作者簡介：柯莎（1985-），女，陜西漢中人，碩士，講師，主要從事大學物理及實驗方面的教研工作。

基金項目：銀川能源學院科學技術研究項目資助（2016-KY-Y-27）