巧用實驗轉變初中生的物理前概念
——以“光的色彩 顏色”為例

陳 芳 呂華平

(1. 江蘇師范大學物理與電子工程學院,江蘇 徐州 221116；2. 江蘇省昆山市新鎮中學,江蘇 蘇州 215300)

物理學是一門與生活緊密聯系的學科,學生在學習新概念之前并不是“白紙一張”,而是已經有了一定經驗和認識,即前概念,但這些前概念往往是一分為二的,正確的前概念對學生的學習起到正遷移的促進作用,錯誤的前概念會對科學概念的建構產生阻礙作用。無論是哪種情形,都積蓄著極大的教學能量,是學生建構科學概念的基礎。因此,在教學過程中,教師必須了解并正視學生的前概念,尤其是對待錯誤前概念時,傳統的“填鴨式”“灌輸式”教學往往粗暴地用科學概念強行“覆蓋”前概念,學生的學習效果較差,無法促進學生的有意義學習。[1]奧蘇泊爾曾經說過:“如果我必須把教育心理學全部原理歸結為一句話,那么我將會說,影響學生最重要的一個因素乃是學生已經知道的東西,肯定這一點并據此教學”。[2]因此,教師如何在教學中了解學生的前概念,并有針對性地尋找教學策略來實現前概念的有效轉變,培養學生的科學素養,讓學生的“學”變得更有意義,是每一位教師需要不斷研究的課題。

1 正確認識前概念

1.1 初中生物理錯誤前概念的產生原因

萊布尼茨指出：“任何結果都有原因”,要想有效轉變錯誤前概念,我們就必須了解這些前概念的成因。

首先,在初中生的頭腦中已經積累了大量的生活經驗,根據皮亞杰的認知發展理論,兒童的認知發展過程具有階段性和連續性的特點,初中生的思維處于具體運算階段,該階段學生的思維活動仍然比較刻板,只能被動地遵守規則,對成人給的經驗深信不疑,這些都會引起錯誤前概念的形成。[3]同時,日常經驗往往具有單一性、表面性和偶然性等特點,與科學概念之間存在差距，例如,學生會認為“輕的物體會上浮,重的物體會下沉”等。

其次,隨著科學技術的飛快發展,初中生會通過大眾傳媒獲取知識,但是在物理中有一些相似的概念,由于社會媒體的生活性,部分內容的表述會不夠科學嚴謹,例如媒體一般不會區分“重量”和“質量”,往往會誤導學生產生“質量會隨著物體的位置改變而改變”的錯誤前概念。

1.2 有效轉變錯誤物理前概念的教學步驟

錯誤前概念具有頑固性、重復性等特點,[1]如果僅僅通過簡單的說教去糾正,很難達到轉變的效果。因為這些概念已經在學生的頭腦中形成了一種定勢，學生在分析和解決問題時,還是會不自覺地運用錯誤前概念。這就要求教師在教學過程一定要采用合適的教學策略來實現其到科學概念的有效轉變。[4]通過實踐和研究,有效轉變前概念大致可分為以下4步。

(1) 了解與暴露概念。打“虎”要知“虎”,教師只有了解了學生的前概念,才能做到有的放矢。一般知“虎”的方式有:師生對話、問卷調查、教師間交流等。

(2) 再現概念情境,形成認知沖突,解構前概念。錯誤的認知往往是因為對事物或事件觀察的片面性而導致,教師可以先從學生角度，將片面的前概念涉及的內容以演示實驗、學生實驗等方式展現其全面性質,從而引發學生的認知沖突,用事實來沖擊“前概念”,調動學生強烈的好奇心,為科學概念的重建創造良好的條件。

(3) 解釋沖突,建構科學概念。在形成認知沖突后,教師應趁熱打鐵,幫助學生發現前概念的不合理之處,從而建構科學概念,實現概念的有效轉變。

(4) 鞏固與應用概念。學生的前概念是具有“慣性”的,學生在解題或解釋生活現象時仍然會習慣性地運用前概念,而我們的物理教學的最終目的就是要應用于生活,因此在概念的鞏固和應用時，就應該強調情景化、生活化,而不是簡單的數學化、模型化,從而更好地實現知識的遷移。

2 概念轉變的教學案例

在進行蘇科版“光的顏色 色彩”的教學時,教師若以講授法授課，效果會較差，學生對物理概念的理解仍然很模糊，這種處理方式沒有體現“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程基本理念。[5]通過對一線教師的調查和訪談發現：光在生活中隨處可見,學生在課前已積累了大量的前概念,主要存在以下3個錯誤前概念:(1) 白光就是一種單色光；(2) 透明物體可以透過任何色光；(3) 我們看到的物體是什么顏色，是因為它本身就是這個顏色,與光的顏色無關。這些概念在學生的頭腦中已根深蒂固,僅僅通過簡單的說教很難糾正。教師應通過演示實驗、學生實驗等方式，一步步地解構前概念,從而實現概念的有效轉變。

2.1 創設情境,了解與暴露前概念

教師展示多彩的圖片并提問:白色陽光下的世界為什么是多彩的？

以問題引發學生思考,暴露上述第3個錯誤前概念,此時學生是非常疑惑的,教師再引導:大家都在接受白熾燈的照射,但是看到物體的顏色卻是不同的,如A同學的衣服是紅色的,而B同學的衣服是綠色的,要解決這個問題，就必須要了解白光是由什么組成的？我們從最常見的白光——太陽光開始研究。在太陽光的照耀下,為什么物體的顏色不同？物體的顏色又由什么來決定？以下將物體分為透明物體和不透明物體來研究。

設計意圖:創設真實的問題情境,還原并暴露學生的前概念,進而引導學生將教師提出的問題分解成為3個小問題:(1) 白光是由什么組成的？(2) 透明物體的顏色是由什么決定的？(3) 不透明的物體的顏色是由什么決定的？通過問題解決，有針對性地轉變學生的錯誤前概念。

2.2 演示實驗,使前概念的轉變更直觀

活動1：分解太陽光

教師簡單介紹三棱鏡，演示光的色散實驗。學生仔細觀察色散現象,發現太陽光通過三棱鏡后被分解成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等7種色光。

設計意圖:用事實說話,讓學生直觀地認識到前概念的錯誤,知道白光不是一種單色光,而是由多種色光混合而成的,此時教師應適當引導一句:“白熾燈照在我們身上不是只有一種色光,而是有7種色光”,為后面講解“物體的顏色”部分奠定基礎。而這一概念的成功轉變能夠引導學生關注情境中的其他問題,激發了學生的好奇心及想要弄清事實的欲望。

2.3 通過學生實驗,使前概念轉變更深刻

活動2：探究透明物體的顏色

學生實驗:利用手邊的手電筒讓白光分別通過紅色、藍色、綠色玻璃紙,仔細觀察現象。

學生發現:紅色透明物體只能通過紅光,藍色透明物體只能通過藍光,綠色透明物體只能通過綠光。再請學生將藍光照在紅色玻璃紙上,觀察現象(如圖1)，發現:沒有光射出。由此得出結論:透明物體只能通過與其自身顏色相同的光,而吸收其他不同顏色的光。

圖1

此時教師打鐵趁熱提問:當白光通過什么顏色的玻璃片會呈現圖2所示的效果？學生在練習中體會到:透明物體允許什么色光通過它就是什么顏色。由此得到結論:透明物體的顏色由它透過的色光決定。

圖2

設計意圖:學生親自動手,得到的實驗結果更具有說服力和沖擊力,明顯的實驗現象讓學生清楚意識到自己的前概念是錯誤的，教師再因勢利導講解“透明物體的顏色”,成功構建了科學概念。

2.4 利用自制教具,制造認知沖突,使前概念轉變更有效

活動3：探究不透明物體的顏色

教師展示自制教具:一個暗盒,內置一個實物展臺連接至屏幕,內接一個白色燈泡和一個紅色燈泡(如圖3),先將白色燈泡打開,看到藍色的“中國夢”字樣,再將白色燈泡關閉,打開紅色燈泡,看到黑色的“中國夢”字樣。

教師提出問題:為什么同一物體在不同的燈光照耀下呈現出不同的顏色？物體的顏色究竟是由什么決定的？

設計意圖:利用自制教具可以使學生直觀地發現同一物體在不同燈光下呈現不同的顏色,引發了學生對前概念的“不滿”,激發了學生概念轉變的內驅力。

教師引導學生一起分析:打開白色燈泡時,“中國夢”呈現藍色,說明當七色光照到藍色物體時只有藍光被反射進入人眼(如圖4)，得出結論:藍色不透明物體只反射藍光,而吸收其他不同色光。

圖4

接著請學生閉眼模擬沒有色光進入眼睛時，感覺到的就是黑色。說明當紅光照到藍色物體時看到黑色，實際上是沒有色光反射出來(如圖5)，即藍色物體只能反射藍光,紅光被藍色物體吸收了。由此得到結論:不透明物體只能反射和自身顏色相同的色光,吸收其他色光。

圖5

此時教師打鐵趁熱提問:當白光照到什么顏色的物體上時會呈現圖6所示的效果？

圖6

學生在學習中體會到:不透明物體反射什么色光，觀察到的就是什么顏色。說明綠色不透明物體之所以是綠色，是因為它只反射綠色，由此得到結論:不透明物體的顏色由它反射的色光決定。

設計意圖:再現前概念情境,通過直觀的實驗現象與學生的前概念形成沖突,從而讓學生意識到自己的前概念是錯誤的,打破了原有的認知,使學生主動摒棄錯誤前概念,成功幫助學生實現了概念的轉變,完成了知識的意義建構。

2.5 回歸生活,使前概念轉變更深入

教師提問:屏幕為何用白色, 冬天為何穿深色衣服？

設計意圖:讓學生“從物理走向社會”,實現前概念的根本轉變。

教師再次提問:白色陽光下的世界為什么是彩色的世界？

學生回答:因為白光由各種色光組合而成,而物體的顏色由它反射或透過的色光決定。

3 結語

前概念普遍存在于學生的頭腦中,具有頑固性、生活性、反復性等特點。教師要以學生為學習主體,充分了解并把握學生的前概念,據此創設情境,引起學生的認知沖突,激發學生的學習興趣,從而揭示學生前概念的錯誤,運用實驗等教學方式實現概念轉變,建構科學概念。