基于概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)活動設(shè)計和實踐
——以“牛頓運(yùn)動定律”為例

李 娟

(上海市曹楊第二中學(xué),上海 200062)

許多學(xué)生感嘆高中物理難學(xué),尤其學(xué)習(xí)力和運(yùn)動的關(guān)系后,分析問題時常常覺得思路茫然無從下手.一個重要原因是,學(xué)生進(jìn)入課堂前,已有大量經(jīng)由個人經(jīng)驗或媒體信息所獲得的想法和概念,其中與科學(xué)概念相悖的認(rèn)識稱為迷思概念.迷思概念不僅會阻礙學(xué)生正確理解科學(xué)概念,還可能導(dǎo)致新的迷思概念的產(chǎn)生,從而引發(fā)學(xué)習(xí)困難.[1]以往教學(xué)中,教師一般采取創(chuàng)設(shè)情境的方式,讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究和思維加工,達(dá)到內(nèi)化科學(xué)概念的目標(biāo).這個過程無論是傳授式的還是建構(gòu)式的,都忽略了迷思概念的存在及其阻礙作用.在教學(xué)之后,學(xué)生表面上接受了新概念,分析問題時仍運(yùn)用原來的觀點.針對上述現(xiàn)象,本文嘗試通過概念測試卷挖掘?qū)W生在某一領(lǐng)域的迷思概念,通過情境創(chuàng)設(shè)和活動設(shè)計引發(fā)認(rèn)知沖突,進(jìn)而幫助學(xué)生突破迷思概念的阻礙,形成正確的科學(xué)概念.

1 迷思概念的診斷

前概念是指個體未接受正式的科學(xué)概念教育之前,對日常生活中所感知的現(xiàn)象,通過長期的經(jīng)驗積累與辨別式學(xué)習(xí)而形成的對事物的非本質(zhì)的認(rèn)識,[2]這些概念是學(xué)生物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),其積極或消極的影響均不可忽視.前概念中與科學(xué)理解不一致的概念稱為迷思概念,它是基于生活經(jīng)驗而不是科學(xué)邏輯推出的,[3]比如,“物體下落快慢與輕重有關(guān),越重的物體下落越快”.迷思概念不僅穩(wěn)固還十分隱蔽,成為學(xué)生學(xué)習(xí)物理過程中的難點.

要突破這一難點,必須先把隱蔽的迷思概念挖掘出來.由于不同班級、不同年級的學(xué)生情況不同,教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容自制一套概念測試卷或者利用已有的標(biāo)準(zhǔn)化量表,測試卷中的物理問題以定性為主,題型選用單項選擇題.如力學(xué)領(lǐng)域有“力學(xué)概念測試卷”(Force Concept Inventory,縮寫為FCI),它是一個標(biāo)準(zhǔn)化的力學(xué)概念測試工具,[4]用來測試和檢驗學(xué)生對力學(xué)領(lǐng)域基本概念的理解和掌握情況.通過概念測試卷,挖掘?qū)W生的前概念,尤其是迷思概念,結(jié)合學(xué)生訪談,詳細(xì)地了解迷思概念產(chǎn)生的原因,由此確定單元的教學(xué)難點.確定迷思概念后,借助基于概念轉(zhuǎn)變理論的教學(xué)策略,促使學(xué)生實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變.[1]首先,利用各種策略引發(fā)學(xué)生有意義的認(rèn)知沖突,解構(gòu)迷思概念;然后,利用演示實驗、生活情境和探究實驗等,設(shè)計針對性的教學(xué)活動,解決認(rèn)知沖突,并適時引出科學(xué)概念,促使學(xué)生的思維向科學(xué)概念轉(zhuǎn)變.

2 教學(xué)活動的設(shè)計

“牛頓運(yùn)動定律”是現(xiàn)行上海市第2期課改基礎(chǔ)教材(高中一年級第一學(xué)期)的第3個單元.[5]該章節(jié)是高中物理最基礎(chǔ)最重要的章節(jié)之一,是學(xué)生已有概念最多的一個知識領(lǐng)域,也是學(xué)生形成運(yùn)動與相互作用觀的關(guān)鍵章節(jié).在初中階段學(xué)生已學(xué)習(xí)了慣性和牛頓第一定律、作用力和反作用力,對運(yùn)動和力的關(guān)系有一定程度的認(rèn)識.因此,本文以“牛頓運(yùn)動定律”章節(jié)的教學(xué)為例,演示如何分析學(xué)生的迷思概念、確定教學(xué)難點和設(shè)計教學(xué)活動.

2.1 通過演示實驗突破難點

測試卷題6、題7和題24分析的是本來做圓周運(yùn)動的物體在撤去外力后的運(yùn)動情況,正確率都只有50%左右,由此可見學(xué)生對初中已學(xué)的牛頓第一定律和慣性概念的理解并不到位.若物體此前做直線運(yùn)動,受力情況轉(zhuǎn)變?yōu)椴皇芡饬蛑皇芷胶饬ψ饔脮r,幾乎所有的學(xué)生都知道物體仍然做直線運(yùn)動;但如果物體此前是做圓周運(yùn)動等曲線運(yùn)動,部分學(xué)生就會產(chǎn)生錯誤的認(rèn)識,認(rèn)為不受外力時物體仍保持原來的曲線運(yùn)動狀態(tài).通過學(xué)生訪談得知,出現(xiàn)此問題的原因是許多學(xué)生只記住了“力不是維持運(yùn)動狀態(tài)的原因,不受力時物體會保持原來的運(yùn)動狀態(tài)”這一結(jié)論,而不知其原理,當(dāng)情境改變時,便不能正確分析問題.

牛頓第一定律的教學(xué)重難點以往都放在伽利略的理想斜面實驗和力與運(yùn)動關(guān)系的觀點演變上,并以此逐步推出牛頓第一定律.學(xué)生在理論層面接受這個觀點,但“力是維持物體運(yùn)動的原因”這一與眾多生活經(jīng)驗相吻合的觀念并沒有糾正.因此,在基于概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)中,希望通過創(chuàng)設(shè)情境引發(fā)認(rèn)知沖突、增加演示實驗強(qiáng)化學(xué)生的感性體驗,促使學(xué)生的理性認(rèn)識和感性體驗充分融合,從而創(chuàng)建并鞏固科學(xué)概念.

演示實驗1:新課導(dǎo)入時,演示不同情境下物體在受推力及撤去推力后的運(yùn)動情況,如講桌上的木盒和運(yùn)動場上的冰壺.對比不同的現(xiàn)象,創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突引發(fā)思考,力和運(yùn)動間到底存在怎樣的關(guān)系?如果冰壺在運(yùn)動員手中做曲線運(yùn)動,離開運(yùn)動員后又將如何運(yùn)動?

演示實驗2:在常規(guī)理想實驗演示的基礎(chǔ)上(見圖1),借助機(jī)械能守恒演示儀(見圖2),靜止釋放擺錘,觀察擺錘擺至另一側(cè)時達(dá)到的最大高度,演示阻力很小的情況下,物體好像可以“記住”原來的高度,為理想實驗中的推理“如果斜面光滑,物體將在雙斜面上上升到與釋放位置等高的位置”提供更加直觀的支持.

圖1 理想斜面實驗演示裝置

圖2 機(jī)械能守恒演示儀

演示實驗3:演示不同情境下,物體在受平衡力時的運(yùn)動情況.在氣墊導(dǎo)軌不同位置安裝兩個光電門傳感器,讓滑塊在氣墊導(dǎo)軌上運(yùn)動起來,觀察滑塊的運(yùn)動快慢和經(jīng)過光電門傳感器所花的時間.與氣墊導(dǎo)軌的原理一樣,有一種氣墊桌,可以使小滑塊在其表面不受摩擦力地運(yùn)動,手推小滑塊使它在水平桌面上做圓周運(yùn)動,突然撤掉手,觀察滑塊之后的運(yùn)動情況.

2.2 引入生活情境突破難點

題26是本來勻速直線運(yùn)動的物體,當(dāng)所受外力變?yōu)樵瓉淼膬杀稌r,物體將如何運(yùn)動,該題的正確率只有30.77%,反映了一個十分普遍的迷思概念,即“力大速度就大、力小速度就小”.根據(jù)學(xué)生訪談了解到,他們雖然知道力會改變物體的運(yùn)動狀態(tài),但同時仍存在“力與速度是一一對應(yīng)關(guān)系”的樸素觀念.同時了解到圖3所示裝置中,絕大多數(shù)學(xué)生會忽略小車和鉤碼的運(yùn)動情況,認(rèn)為繩子對鉤碼的拉力和鉤碼的重力大小相等.

圖3 用DIS研究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的裝置示意圖

牛頓第二定律學(xué)習(xí)的核心任務(wù)是探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,并能夠應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律分析運(yùn)動問題.本節(jié)在常規(guī)教學(xué)基礎(chǔ)上,深入分析了豎直方向的變速運(yùn)動,即超重和失重現(xiàn)象,以此作為切入點引導(dǎo)學(xué)生將正確的科學(xué)知識和科學(xué)思維融入感性經(jīng)驗,糾正力與運(yùn)動關(guān)系的錯誤概念以突破教學(xué)難點.

學(xué)生活動1:請一位學(xué)生站在體重計下蹲后站起,描述運(yùn)動過程中自己的感受,其他學(xué)生觀察示數(shù)的變化情況.再請學(xué)生列舉生活中感受過的“變輕變重”的現(xiàn)象.將體重計換成DIS力傳感器,將鉤碼掛在力傳感器下,一起往下運(yùn)動,觀察示數(shù)變化,一起往上運(yùn)動,觀察示數(shù)變化.

教師提出“超重”和“失重”的概念,教學(xué)時發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生認(rèn)為“超重發(fā)生在物體上升過程,失重發(fā)生在物體下落過程”.通過以上活動學(xué)生已經(jīng)意識到彈力大小與物體的運(yùn)動情況有關(guān),并且觀察到向下或向上運(yùn)動過程同時包含了超重和失重現(xiàn)象,形成認(rèn)知沖突.

學(xué)生實驗1:為強(qiáng)化學(xué)生對牛頓第二定律的理解,設(shè)計學(xué)生實驗,4名學(xué)生為一組,利用力傳感器和鉤碼演示超重和失重現(xiàn)象,研究超重和失重現(xiàn)象發(fā)生與物理運(yùn)動狀態(tài)的關(guān)系.引導(dǎo)學(xué)生記錄表1所示的數(shù)據(jù)(記錄表格如表1所示).

表1 超重失重實驗記錄表

根據(jù)以上記錄情況,教師引導(dǎo)學(xué)生如何歸納,將有相同條件(超重或失重)的數(shù)據(jù)歸為一類,從而得到結(jié)論.在觀察、實驗和分析過程中,學(xué)生不斷體驗彈力和重力不等的情境,并且歸納出超失重和加速度的方向有關(guān)這一結(jié)論.

學(xué)生活動2:設(shè)計相關(guān)問題鞏固學(xué)生對牛頓第二定律的理解和應(yīng)用,如問題1和問題2.

問題1:如圖4所示,質(zhì)量為M的物體放在水平桌面上,用一根跨過固定滑輪的細(xì)線系住該物體.當(dāng)另一端掛質(zhì)量為m的鉤碼時,物體的加速度為a1.當(dāng)另一端施加方向豎直向下、大小為mg的恒力時,物體的加速度為a2.通過分析比較a1和a2的大小關(guān)系.

圖4 問題1示意圖

問題2:“小車質(zhì)量一定時,研究加速度與力的關(guān)系”的實驗中,用鉤碼重力作為拉力的條件是鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量,請根據(jù)牛頓第二定律具體分析其原因.若逐漸增大鉤碼質(zhì)量,使鉤碼質(zhì)量增大到不符合上述條件,分析a-F圖像的形狀.

2.3 重視科學(xué)探究突破教學(xué)難點

“力學(xué)概念測試卷”中有6道題目針對學(xué)生對牛頓第三定律的理解,題15的正確率偏低,其他問題的正確率都較高,其中只有題15是加速情況,其他問題都是平衡情況.結(jié)合學(xué)生訪談,了解到經(jīng)過初中階段的學(xué)習(xí),學(xué)生對“作用力和反作用力大小相等”這一結(jié)論的印象非常深刻,且都是在物體保持平衡的情況下應(yīng)用這一結(jié)論.但題15中物體處于加速運(yùn)動狀態(tài),學(xué)生能判斷物體所受合外力不為0,其后直接斷定轎車對貨車的推力大于貨車對轎車的推力.這一題目反映出學(xué)生對變速運(yùn)動過程中的作用力和反作用力的大小關(guān)系的理解存在困難,同時反映了學(xué)生在分析力與運(yùn)動關(guān)系時,存在混淆研究對象、混淆“施力物體”和“受力物體”的問題.在學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中,變速運(yùn)動與牛頓第二定律之間有很強(qiáng)的聯(lián)系,而存在“牛頓第三定律適用于物體處于平衡狀態(tài)時”這一迷思概念,且印象極為深刻.

牛頓第三定律的教學(xué)常常把重難點放在不同性質(zhì)的相互作用力大小關(guān)系的研究上,且研究對象基本都是處于靜止?fàn)顟B(tài).本節(jié)在活動設(shè)計上,增加引發(fā)認(rèn)知沖突的場景和非平衡狀態(tài)下相互作用力大小關(guān)系的探究實驗.

學(xué)生活動1:請兩位力量懸殊的學(xué)生上臺拔河,比賽結(jié)果意料之中,再請贏的學(xué)生站在滑板上重新拔河.請學(xué)生根據(jù)已有知識分析兩名學(xué)生間的作用力和反作用力的大小關(guān)系,鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生的不同意見.

學(xué)生實驗1:探究不同運(yùn)動狀態(tài)下作用力和反作用力的大小關(guān)系.兩人一組,把兩個力傳感器的掛鉤鉤在一起,向反方向拉動,觀察作用力和反作用力隨時間變化的圖像;把鉤在一起的兩個力傳感器在水平方向變速運(yùn)動起來,注意掛鉤保持接觸且沿軸線方向互拉,觀察相互作用力的變化曲線.然后將掛鉤取下,在掛鉤位置固定釹鐵硼強(qiáng)力磁鐵,兩個力傳感器的軸線保持在一條直線上,改變兩個傳感器的距離,觀察相互作用力的變化曲線;將兩個傳感器在同一水平線上變速運(yùn)動,觀察相互作用力的變化曲線,觀察結(jié)果記錄在表2中.學(xué)生歸納總結(jié)不同運(yùn)動狀態(tài)下作用力和反作用力的大小關(guān)系.通過以上實驗探究兩個物體在接觸和不接觸時、在不同運(yùn)動狀態(tài)下的相互作用力的大小關(guān)系.

表2 探究作用力和反作用力大小關(guān)系的記錄表

學(xué)生活動2:根據(jù)上述探究實驗得到作用力和反作用力總是大小相等的結(jié)論后,3-4名學(xué)生為一組,解釋學(xué)生活動1中的拔河現(xiàn)象并討論交流.引導(dǎo)學(xué)生在分析問題時明確“施力物體”和“受力物體”、明確研究對象,根據(jù)牛頓第二定律和牛頓第三定律分析和解決問題.

3 結(jié)論與反思

上述“牛頓運(yùn)動定律”的教學(xué)活動設(shè)計在本人教學(xué)的4個班級中實施,概念測試卷調(diào)研得到的前概念和迷思概念都在教學(xué)過程中體現(xiàn),表明問卷調(diào)研效果明顯.從學(xué)生課堂反應(yīng)來看,碰到認(rèn)知沖突的情境時,學(xué)生在觀察和思考過程中投入度相當(dāng)高,能提出自己的疑問并表示高度興趣,在后續(xù)的學(xué)生活動或?qū)嶒炋骄恐心芴岢鱿敕ú⒎e極參與,平時作業(yè)和章節(jié)測試中因為概念不清而出錯的情況較少.本次教學(xué)實踐的主要經(jīng)驗如下:

(1) 設(shè)計概念測試卷調(diào)查學(xué)生對某一領(lǐng)域概念的理解情況,操作簡便,后續(xù)分析方便,可以幫助教師在開展某個專題前快速了解學(xué)生情況,從而確定教學(xué)重點,尤其是難點,再針對性地調(diào)整教學(xué)策略.由于每屆學(xué)生、每個班級學(xué)生的情況都是獨一無二的,教師亟需這類方法了解學(xué)生,調(diào)查問卷還可以借助網(wǎng)絡(luò)工具,如問卷星,分年級、班級、個人等角度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,也可以據(jù)此建立數(shù)據(jù)庫,跟蹤班級和個人的學(xué)習(xí)情況.

(2) 概念測試卷設(shè)計的都是單項選擇題,這類問卷的優(yōu)點突出,缺點也明顯,因此這類調(diào)查結(jié)果只是快速并初步地了解學(xué)生.在教學(xué)過程中,可以利用學(xué)生訪談、教師之間交流等方式更深入和全面地確定學(xué)生的迷思概念及其原因,一線教師的優(yōu)勢是貼近學(xué)生,在問卷調(diào)查基礎(chǔ)上采取其他措施的針對性和可操作性都較強(qiáng).在此基礎(chǔ)上,還可以嘗試加入第二段測驗,即探究學(xué)生作出某種選擇的理由,或加入第三段測試,通過測量信心指數(shù)來判斷學(xué)生對前兩階段答案的確定程度,將概念測試卷拓展為三段式測試題.[6]

(3) 教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)部分答題正確的同學(xué)依舊存在相關(guān)的迷思概念.比如,題15答題正確的同學(xué)在分析具體問題時,例如拔河,依舊存在相互作用力不相等的認(rèn)識,進(jìn)一步了解發(fā)現(xiàn),他們其實是強(qiáng)記而非真正理解作用力和反作用力相等這一關(guān)系.可見,有些迷思概念不僅隱蔽而且頑固,在教學(xué)中不僅要引入具體情境,更要多引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)真實想法.

(4) 教學(xué)中滲透了單元教學(xué)設(shè)計的思想,例如,學(xué)生知道“力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因”后,結(jié)合“加速度描述物體運(yùn)動狀態(tài)”,將能自然提出探究力和物體運(yùn)動狀態(tài)變化間定量關(guān)系的方案,從而得到牛頓第二定律;通過實驗探究和理論分析學(xué)習(xí)牛頓第二定律有助于學(xué)生深入理解牛頓第一定律和慣性概念;應(yīng)用牛頓第三定律分析拔河問題的過程中,再次強(qiáng)調(diào)了研究對象的選擇、平衡力與相互作用力的關(guān)系等問題.可見,教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成并不需要局限于本節(jié)課的教學(xué)過程,單元內(nèi)前后內(nèi)容相輔相成,甚至可以在不同單元之間尋找類似關(guān)聯(lián),在以后的教學(xué)設(shè)計中,可以更充分地從單元的角度開展教學(xué)活動設(shè)計.