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學生頭腦中的前科學概念研究 羅星凱 周中權
過去的20年來，物理教育與教育家和廣大物理教師密切合作，在學生認知發(fā)展與物理教育、物理問題解決、學生物理概念形成和發(fā)展等方面做了大量開創(chuàng)性的工作，取得了許多優(yōu)秀的成果。特別是研究表現(xiàn)于物理學習過程中的各種前科學概念的特點及其對教學的影響方面，進展尤為顯著。前科學概念（蘇聯(lián)心理學家維果茨基稱為“自發(fā)概念”）一般是指學生在學前由長期的日常經(jīng)驗形成的對事物、現(xiàn)象的看法和觀念。按照認知心理學的觀點，這種前概念的存在是必然的。因為個體從出生就開始了探索環(huán)境、順應環(huán)境的活動，在活動中構建出了特定的認知模式（圖式）。前科學概念就是這種圖式的反映。但它們中許多只是一種對事物和現(xiàn)象的非本質(zhì)認識，而且由于物理概念提示的是復雜紛繁的自然現(xiàn)象的本質(zhì)，具有一定的抽象性和復雜性。因此，表現(xiàn)在物理學習中的學生的前概念多是膚淺的、與科學概念相悖的，對學生形成物理概念構成障礙。人們的研究表明這種觀念的兩個重要特點就是它的廣泛性和頑固性，它廣泛地存在于各個層次的學生之中，而且一般科學觀念并存，不易引起注意和被糾正。 為了深入探討學生的前科學概念的特點和對教學的影響，尋求改進教學的途徑，我們先后進行了兩次較系統(tǒng)的調(diào)查，分別就學生對速度概念、慣性概念、自感概念等內(nèi)容的理解進行調(diào)查研究。下面分別介紹這兩次研究的過程和結果。 1 高一學生所理解的速度概念、慣性概念以及力與運動的關系 1987年下學期，我們選擇江西師大附中高一（1）班、高一（2）班這兩個平行班作為研究試驗班，旨在通過調(diào)查、查清學生前科學概念的特點和來龍去脈，據(jù)此探討改進教學的途徑。 調(diào)查采用診斷性測試的辦法，兩個班的全體學生（N=119）接受測試，時間在他們學習運動學之前，測試題全部采用自由反應型，并給予學生充裕的時間作答，以便盡可能多地反映學生的思維過程，具體測試題（見附錄）的編制，速度理解部分參考喬布瑞奇博士的研究編成[1]。喬氏的研究主要特點是借鑒了皮亞杰的“臨床法”，讓學生觀察物理現(xiàn)象，從他們對現(xiàn)象的預言和解釋中探測學生對速度概念的理解和思考過程。 由于研究的目的在于通過學生的反應來探測他們的前概念，因此評卷采用細致分析學生回答并加以適當分類的辦法，并統(tǒng)計各類反應的頻數(shù)。對于難以從卷面判斷的反應，將及時輔之以個別訪問談話。 題1和題2是用實驗演示出兩個物體的追趕情況。在題1中，A球進入軌道后，一直作勻速直線運動，且起初跑在B球前面；B球以較大的初速度進入一斜面軌道，作勻減速直線運動。學生看到的情景是：B球先追上并超過A球，然后又被A球追上并超過。題目要求學生根據(jù)兩小球在軌道上的運動情況比較它們何時速度大小相同。題2也是兩球的追趕運動，與題1不同 的是一球在整個過程中始終未能追上另一球。
我們測試的是高一學生，他們一般解決皮亞杰的這一作業(yè)不會有什么困難。但是在試題1中，設計了兩次超越的過程。對學生來說，難度變大，正確的答案變得不那么顯而易見，必須排除兩次追越這一知覺吸引的影響，正確把握兩球的速度變化情況，特別是B球速度連續(xù)減小這一事實，才能得出在第一次B球追上A球之后、第二次A球追上B球之前這段時間中有、且只有一個時刻兩球速度剛好相等。對學生答卷的分析統(tǒng)計表明（詳見附表），有69%的學生利用了一球正好追上另一球作為判斷速度相等的標準。而且在陳述的理由中學生甚至認為處在前面就意味著速度大。以下是一個學生的典型誤答： “有兩個時刻A、B兩球速度相等，一是在B球追上A球的一瞬間，另一是在A球再次超過B球的時刻。因為一開始，VB<VA，過了一段時間，VB開始增大，當VB=VA時，B球與A球同行，但VB仍增大，所以它超過了A球，又由于B球是在斜面上滾動，它的速度由于受到磨擦力而減少，A球仍按原速前進，當VB再次等于VA時，A球與B球在同一地點，接著A球超過了B球。” 可見，在面臨較復雜的情境時，學生早期的那種“追越的直覺”又重新被喚起。這種由經(jīng)驗形成的觀念并未因為他們在初中接受了正式的物理學教育而真正地消除，它們在學生頭腦中仍占有一席之地，成為后繼學習的前概念。 題3、題4、題5用于探測學生對慣性概念、運動和力的關系的理解。這些內(nèi)容，學生在初中都已經(jīng)學過（題5例外）。但是，測試表明他們對慣性概念的本質(zhì)缺乏正確理解，對運動和力的關系的認識仍然是非牛頓式的。 例如，對題3雖有90%的學生正確的回答出第一種方案是正確的，說明他們能從現(xiàn)象中識別出慣性的現(xiàn)象。但在細查學生的解釋后發(fā)現(xiàn)，不少學生將慣性視為一種力，這種力被視為是物體由于和人一起運動而具有的，當人松開手后，小球向前的運動就是靠這力來維持的。以下是幾個學生典型誤答： “第一種方案對，因為小球脫手后仍具有一定的慣性力。” “第一種方案正確，因為小球受到慣性作用。“ “第一種方案對，因為小球由于運動而具有向前的慣性。” 在題4、題5中，這種思想就暴露得更明顯了。71%的學生認為小球離手后仍有一力使之上升，到了最高點此力才消失，題5中，58%的學生認為小球在脫繩后仍會由于具有“圓周運動的慣性”而沿圓弧或偏向圓弧的軌道運動。圖2所示的是從學生試卷上復制下來的三種典型錯誤解答。
由此可見，學生雖然記住了慣性這一術語，并不再持有外力一撤消，物體就立即停止運動這一典型的亞里斯多德式的運動需要力來維護的觀點。但是他們臆造了一個與運動相聯(lián)系的力，用這力解釋為什么物體在脫離外力后仍會繼續(xù)運動。而在物理課中學到的慣性就被他們自然地拿來做了表達這個力的“恰當”術語。這樣，即使學習了慣性定律，他們原來所持的“運動需要力來維護”這一總的概念框架仍然未變，也不必非要變不可。因為在這一總的框架下理解（曲解）的慣性概念，可以解釋所面臨的現(xiàn)象，自圓其說，內(nèi)心并不感到矛盾。這與歷史上對這一問題的認識探索過程正好吻合。亞里斯多德的理論在解釋一些脫離了外力后仍能運動的現(xiàn)象時顯得牽強附會，中世紀的經(jīng)院哲學家們就以原動力學說修正了它。但“運動需要力來維持”這一亞里斯多德的概念框架并未改變。遺憾的是，這種錯誤的觀念不僅廣泛地存在于當今學生的頭腦中，而且并未由于學過了伽利略的思想、牛頓的定律以后而消除，它作為一種前概念在嚴重地影響著學生對物理概念、規(guī)律的學習。 2 學生頭腦中的自感概念 對學生理解自感現(xiàn)象的系統(tǒng)的調(diào)查研究表明，學生較普遍地認為含電感電路在電源斷開時通過電感的電流會有一個突然增大的過程，深入的分析和測試證明這種誤念是學生在原有的錯誤觀念下，曲解新的教學內(nèi)容（特別是所面臨的有關實驗現(xiàn)象）的結果。詳細討論見參考文獻[2]、[3]。綜合上述的兩次調(diào)查研究，學生前科學概念從產(chǎn)生的途徑上可以分為兩種形式。 一種是在正式接受物理教育以前，學生根據(jù)日常經(jīng)驗，在與自然和社會環(huán)境的相互作用過程中形成的、關于對面臨的事物和現(xiàn)象的理解，它們以直覺和非科學推理為支柱，大都片面、幼稚，與科學概念相悖。但是，在教學中，這類觀念又不會輕易地讓位于科學概念。它們可以自行調(diào)整、變通后與學生在物理課堂中接收到有關內(nèi)容并存于學生的認知結構中，并且成為較為隱蔽但根基甚深的一部分觀念。在面臨較復雜的情境時，就會喚起它們。這種現(xiàn)象在各種層次的學生中都不同程度地存在。 另一種是學生在正式學習物理以后，在學校教學情境中形成的。它主要表現(xiàn)在一些學生以前缺乏感知經(jīng)驗課題上。物理演示實驗是一種對物理現(xiàn)象的人為控制和再現(xiàn)，它具有和自然存在的現(xiàn)象相同的直觀、感知吸引力強的特點，盡管它是對自然現(xiàn)象的純化，但畢竟仍難以完全消除非本質(zhì)因素的干擾。特別是當那些非本質(zhì)現(xiàn)象與學生認知結構中有關觀念一致或相關聯(lián)時，學生很容易同化這些現(xiàn)象。他們在自己原來觀念的框架下理解所面臨的現(xiàn)象，導致對本質(zhì)特征的曲解，并同時使原有的觀念得到充實和加強，成為進一步學習的頑固的先入之見，影響學習的過程。 當然，這兩類前概念在本質(zhì)上是相同的，它們都反映了學生思維過程對直覺、經(jīng)驗的依賴。 長期以來，在我們的教學實踐中，對學生的這類前科學概念是缺乏系統(tǒng)研究和對待的。教材主要考慮的是知識的邏輯結構體系，典型的物理課往往就是簡單的引入概念或規(guī)律，然后大量的時間花在舉例說明、驗證和練習鞏固上。這種做法事實上有意無意地將學生的頭腦當成了一塊“白板”，我們教師可以在上面構畫出各種各樣的物理知識圖景。物理演示實驗一直作為教學手段而起著配合物理知識講授的作用，考慮的重點自然是如何通過實驗把一個抽象的問題具體化、形象化。因而很難真正開發(fā)它的教學功能，拓展應用領域，有時追求實驗效果明顯，考慮不周，走向了反面?？傊?，我們尚未騰出時間來系統(tǒng)地研究學生頭腦中豐富的觀念世界及其影響他們理解物理世界的機制，就只能把我們所理解的物理世界硬塞進學生頭腦中，當發(fā)現(xiàn)學生未接受時，往往就是采取簡單重復、反復強化的辦法，或者干脆認為學生太笨。顯然這種狀況已到了必須認真設法改變的時候了。通過對學生學習過程的研究，我們初步看到了在這方面的前景，明確了今后努力的方向。 參 考 文 獻 [1] Trowbridge . D. E etc. Am . J Phys. , 1980.48: 1029 [2] 羅星凱，周中權。學生頭腦中的自感概念。 江西師大學報， 1988；（2） [3] 羅星凱。 周中權。學生的認知過程與課程設計。物理教師。1988；（9）
附錄 力 學 測 試 卷 說明：第1、第2題配有實驗演示。請先注意觀察有關的說明： 1、圖1所示的是A、B兩球每隔一定時間間隔的位置。在軌道上運動的過程中。兩球是否有速度大小相同的時候？為什么？
2、圖2所示的是B、C兩球每隔一定時間間隔的位置，在軌道上運動的過程中，兩球是否有速度大小相同的時候？為什么？ 3、老師布置同學們做一個游戲。內(nèi)容是在快步跑的過程中（不準彎腰）將抓在手中的一小球釋放（只是將手松開，并不拋球）。使小球剛好落入一放在跑步路線邊上的小圓筐內(nèi)。同學們中有三種方案：一是在離小筐還有一點距離時松手；二是在正好跑到小筐處松手；三是跑過小筐一點距離后再松手，你認為哪一種方案是對的？為什么？
5、如圖3所示，雜技演員抓?。∣點）一頭拴一小球的繩子，使小球打圓圈。假設當球在A點時，繩子突然斷掉。你預料小球此后將沿怎樣的軌跡運動？為什么？
錯 誤 類 型 1班（N=59） 2班（N=60） -------------------------------------------------------------------------------- 題1，根據(jù)位置判斷速度 |
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