高中物理天體運(yùn)動中的迷思探究

汪 力

(廣東省東莞市東華高級中學(xué) 523000)

由于缺少實(shí)際的感性體驗(yàn)和客觀存在的觀察障礙，以及空間結(jié)構(gòu)本身具有的運(yùn)動性和大尺度等特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)天體運(yùn)動時對空間觀念的建構(gòu)產(chǎn)生各類“迷思概念”(Misconceptions)，即學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念之前已具有的直覺知識與科學(xué)知識不符的概念.只有真正調(diào)查清楚學(xué)生在天體運(yùn)動中有哪些具體的迷思概念，才能讓學(xué)生在這種抽象的科學(xué)思維下建構(gòu)正確的“科學(xué)概念”，才能更加有效的提升學(xué)生運(yùn)用天體運(yùn)動規(guī)律解決問題的能力.為此，筆者對存在于學(xué)生中關(guān)于天體運(yùn)動的迷思概念進(jìn)行了調(diào)查研究.

一、天體運(yùn)動中的迷思概念

1．萬有引力和重力間的迷思概念

(1)學(xué)生在初中階段接觸重力的定義，調(diào)查發(fā)現(xiàn)初中的試題導(dǎo)向以及教師在教授過程中會強(qiáng)調(diào)以下三點(diǎn)：一是強(qiáng)調(diào)“由于吸引而產(chǎn)生”的因果關(guān)系，為后期的高中階段學(xué)習(xí)進(jìn)行鋪墊，二是強(qiáng)調(diào)重力的數(shù)值與地球吸引力一般不相等，三是強(qiáng)調(diào)方向是豎直向下，不是垂直向下.以上問題由于學(xué)生知識能力的限制，在初中階段得不到合理的解釋，只能通過訓(xùn)練來強(qiáng)化記憶.當(dāng)學(xué)生進(jìn)入高中階段，能夠理解重力是萬有引力的分力，但由于學(xué)生一直是在地球上研究問題，已經(jīng)習(xí)慣了身邊的空間尺度以及對水平面的直觀理解(如圖1所示).而現(xiàn)在需要在更大的空間尺度上(如圖2所示)進(jìn)行研究，但是在圖2中，學(xué)生無法根據(jù)現(xiàn)有知識區(qū)分水平面、豎直向下、該點(diǎn)的切線方向、指向圓心的方向、垂直向下等方向，無法在兩幅圖中找到初高中對于重力在不同空間尺度下的聯(lián)系.根據(jù)構(gòu)建主義理論，學(xué)生無法將新知識與已經(jīng)獲得的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行同化，這是形成概念迷思的重要因素.

(2)在受力分析方面，由于學(xué)生空間思維能力以及空間尺度變化后的相互切換能力差，在圖2的空間尺度下，學(xué)生很容易漏分析支持力，這也是為什么學(xué)生分不清赤道上的物體和近地衛(wèi)星兩者的線速度等物理量的比較關(guān)系.其次，教材中首先是從天體運(yùn)動開始引入，萬有引力的大小和方向與重力相同，在運(yùn)算中相互替代，所以在分析赤道上的物體跟隨地球自轉(zhuǎn)的題目時，學(xué)生一方面習(xí)慣了地球是慣性系的這種錯覺，得出重力等于支持力的方程，一方面考慮到地球自轉(zhuǎn)的勻速圓周運(yùn)動，得出萬有引力充當(dāng)向心力，誤認(rèn)為兩個方程各自成立，也是將隨地球自轉(zhuǎn)物體的運(yùn)動速度錯算成第一宇宙速度的原因.

例題：同步衛(wèi)星離地心的距離為r，運(yùn)行速率為v1，加速度為a1；地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2，第一宇宙速度為v2，地球的半徑為R，則下列比值正確的是( ).

2．兩個距離間的迷思概念

人們對于相近或相似的東西，總是容易混淆，比如我們在語言的學(xué)習(xí)中，不可避免地發(fā)現(xiàn)有些語言在發(fā)音、字形或者文法上十分相似，這給我們在學(xué)習(xí)過程中帶來了許多疑惑和困難，尤其是對于剛開始系統(tǒng)學(xué)習(xí)語言的學(xué)生，無疑是增加了不小的難度.

粵教版、人教版、教科版三種版本出版的《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·必修·物理2》教材中對萬有引力定律的定義均用r或R表示兩物體間的距離或者兩質(zhì)量分布均勻的球體球心間距離.以上三種教材中對向心力的定義亦是用r或R表示物體做圓周運(yùn)動時圓軌道的半徑.萬有引力定律和向心力隸屬于兩個完全不同的系統(tǒng)，當(dāng)它們出現(xiàn)在同一種物理環(huán)境中時，表示不同含義的相同符號將會嚴(yán)重影響學(xué)生的辨別能力，引起針對符號概念本身的迷思觀點(diǎn).

以衛(wèi)星運(yùn)動為例，教材中的大量例題和練習(xí)都是衛(wèi)星圍繞中心天體的勻速圓周運(yùn)動模型，所以雙星系統(tǒng)和多星系統(tǒng)的題目出現(xiàn)時，學(xué)生的錯誤率非常高.主要原因就是把萬有引力定律中的距離和衛(wèi)星圓周運(yùn)動的軌道半徑當(dāng)成同一個物理量帶入方程運(yùn)算.類似的例子還比如電動勢E和電場強(qiáng)度E在含容電路中也經(jīng)常被混淆.

二、迷思概念轉(zhuǎn)變的建議

1．教材編制

建構(gòu)主義理論作為我國基礎(chǔ)教育課程改革的重要理論基礎(chǔ)，其思想在教科書中應(yīng)該有所體現(xiàn).教科書在教學(xué)中占有極為重要的地位，它不僅是教師教學(xué)時的依據(jù)，也是學(xué)生獲取知識的主要來源之一.因此，教科書在編制過程中不僅要符合課程的要求，還要充分考慮學(xué)生的已有知識和經(jīng)驗(yàn)，力求轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤的前概念.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀認(rèn)為學(xué)習(xí)是在學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，已有的經(jīng)驗(yàn)往往使學(xué)生形成了前概念.對于學(xué)生錯誤的前概念，如果不能及時予以糾正，將會影響學(xué)生對新知識的同化和順應(yīng)，從而阻礙學(xué)生的學(xué)習(xí).針對那些容易使學(xué)生產(chǎn)生迷思概念的主題或者多數(shù)學(xué)生含有迷思概念的主題，有必要在教科書的編制過程中引入概念轉(zhuǎn)變的思想引導(dǎo)教學(xué).

2．教師觀念

《標(biāo)準(zhǔn)》要求：教科書應(yīng)為學(xué)生的自主發(fā)展創(chuàng)造條件，教師應(yīng)該努力促進(jìn)學(xué)教科書的直接聯(lián)系，在教師的影響下，發(fā)展和豐富學(xué)習(xí)的內(nèi)容，從而使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)活動的主人，進(jìn)入自主學(xué)習(xí)的境界.這就要求教師要在觀念上進(jìn)行轉(zhuǎn)變.教師首先要重視迷思概念，認(rèn)識到迷思概念的存在，要充分地了解學(xué)生已有的迷思概念，把學(xué)生現(xiàn)有知識經(jīng)驗(yàn)作為新知識的生長點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從原有的知識經(jīng)驗(yàn)中建構(gòu)出新的知識.