物理前概念及纠正错误前概念的策略_赖小琴

2002年9月第19卷　第3期广西师范学院学报(自然科学版)Jour nal of G uangx i T eacher s Co lleg e(N atur al Science Editio n)Sep.2002V ol.19N o.3文章编号:1002-8743(2002)03-0092-05物理前概念及纠正错误前概念的策略赖　小　琴(广西教育学院,广西南宁530023)摘　要:物理前概念是学生在学习科学物理概念之前对它的想法,物理前概念广泛存在而且根深蒂固.错误的物理前概念对物理学习有着不可低估的负作用.本文论述了物理概念和前概念的形成过程,前概念对物理学习的作用,形成错误前概念原因,以及如何纠正错误前概念,科学地进行概念教学.关键词:物理前概念;形成;特点;作用;纠正错误前概念中图分类号:G642.1　文献标识码:A物理概念是整个物理知识体系的基石和支撑点,是物理理论的精髓,是物理思维的基本单位和物理学科的基本要素.建构科学的物理概念对物理学习非常重要,只有科学的、精确的和严密的物理概念才能准确地描述自然界的物理现象,对物理概念掌握正确与否直接影响到对物理理论的掌握和学习.学生在没有学习科学概念之前,已根据日常生活、学习、游戏的经验中有了对科学概念的想法,并用之来理解日常生活中和学习上遇到的问题,这些想法有些是正确的,有些则与科学的物理概念相违背,国外研究者们称之为“前概念”(preco ncept)或“相异构想”(alternative fr am ew or k)、“民间概念”(folk concept).错误的物理前概念运用到物理学习中,会导致对物理现象错误理解,得出错误的结论,影响了科学物理概念的建构和物理学习.本文试图论述物理前概念的特点、作用和形成错误前概念的原因,以及如何纠正错误的前概念进行科学概念教学,强调形成正确表象的重要性.1　物理前概念特点及其对物理学习的作用 物理前概念或相异构想是指与正统的科学概念不一致的想法,这些想法有的与科学概念不相冲突,有的则和科学概念不相容.它有如下的特点:(1)先入为主　学生从出生开始就与人和周围环境发生作用,从与大人和环境的相互作用中经由自己的体验形成了对周围世界中各种现象的认知图式.如从小就会听到大人或童话故事上说:“打雷是天上的雷公在发怒”;“打雷下雨时在野外大树下易遭受雷击”.体验到当用力推动物体时,物体就运动,当停止用力时,物体就停下来,因此得到“力是维持物体运动的原因”的结论.类似的结论还有“重的物体比轻的物体下落快”,“重的物体下沉,轻的物体上浮”等等.这些在生活中所构建的前概念的认知图式往往要比接受正规的物理教育要早.(2)范围广泛　它包括了物理前概念涉及到的内容的广泛和地域的广泛两方面.学生在力、运动、能量、引力、光、电磁现象等全部内容上都存在前概念,研究表明,对自然界的前概念是强烈基于亚里斯多德式的;对光和波谱方面的前概念非常少而且很难改变,如对无线电波和可见光很多学生认为“无线电波的速度比可见光要慢”.并且在一些物理概念上,不同的学生会具有相同的相异构想.许多教师都有这样的发现:很多同样的问题会发生在同一地域的不同年龄的学生身上,他们对这些问题的想法几乎是一致的.一些研究指出,甚至不同文化背景的国家对一些物理课题的相异构想也没有多大差别.(3)根深蒂固　前概念一旦形成,就会在人的思维中形成定势.正确的前概念对物理学习起到有益收稿日期:2002-05-08作者简介:赖小琴(1968-),女,广西蒙山县人,讲师,硕士,主要从事物理教学论研究.的作用,错误的前概念用很少的教学努力就很容易改变,而有的花了很大的力气也收效甚微,很难在一个有限的学习时间里彻底消除,即使在学习中被纠正过,也很容易形成反复,并且过一段时间或毕业后又忘得一干二净,前概念继续潜伏在人的思维中.物理前概念是学生长期与物理环境作用通过主体的建构而形成的,对物理学习既有积极的作用也有消极的作用.(1)积极作用　正确的物理前概念是物理学习的良好基础和铺垫,它的正迁移作用可成为物理概念学习的资源和概念学习的新的增长点,可使学生尽快地掌握新知识的概念和知识结构.如学生在学习物理前已了解经典力学的大部分现象和现代物理学的前沿内容:在力学方面,他们观察到自然界中的物体平动、转动、振动、直线运动、曲线运动等不同的运动形式,在称量体时感受了轻度失重、超重等现象;在热学方面,他们有了冷、热的不同感觉,知道物体的气态、液态、固态,对水的蒸发、沸腾、结冰和冰的熔解等物态变化非常熟悉;在电磁学方面,磁铁的吸引和排斥、雷电现象,电灯泡、电炉等电器的发热现象,无线电广播和电视等现象使儿童对电磁现象有较多的了解;在光学方面,他们对蓝天白云、日月星辰、照相机照像、近、远视眼镜、马路上的油膜色彩等充满了好奇;等等.对这些已知的物理现象的了解和好奇是新知识学习的基础,有助于激发他们进一步学习物理的兴趣,促进正确物理概念的建构和意义学习.再有,利用物理知识的正迁移作用也有助于物理的学习.(2)消极作用　在一些情况下,对物理现象、过程、材料的片面或错误理解而产生的前概念会成为物理学习的障碍,这些错误的前概念如果得不到及时纠正,将影响对物理新知识的同化和顺应,甚至歪曲新知识的意义,使学生形成错误的思维,变成物理学习的障碍,学生会觉得物理难学.如“力是维持物体运动的原因”的错误观念,使得学生认为踢出去的足球在空中还受到一个向前的力在作用;斜面上下滑物体受到一个下滑力的作用;作圆周运动的物体受到一个特有的向心力的作用等,影响了力学部分的学习和力学知识体系的建立.在日常生活中看到鸡蛋碰石头鸡蛋破了而石头完好无损,就认为石头对鸡蛋的作用力大于鸡蛋对石头的作用力或鸡蛋对石头没有作用力,影响了对牛顿第三运动定律的理解和学习.2　错误前概念的成因分析 错误的物理前概念之所以形成是因为在对物理现象、过程、材料的感知过程中由于人的知觉系统的局限性、对物理语言的不理解、知识的负迁移、周围的环境和所受的文化教育有关等因素的影响而导致错误的物理表象,再由错误表象抽象概括为错误的物理前概念的结果.(1)人的知觉系统的特性可能导致错误表象的形成物理前概念的形成首先从感知开始,感知是由物理环境对感觉器官的刺激引起的,可以是对正在发生的物理现象、过程的感知和对语言材料的感知.由于认知系统的特性会导致在对物理现象、过程和材料进行感知时形成的表象产生偏差和失真.第一,知觉系统是一个有限的能量加工系统,并具有选择性,不能同时对其全部感知材料作出反应,优先对刺激强烈的部分进行感知和加工.研究表明,感觉的强度与刺激的强度的对数成正比:S =klog R .其次,知觉受到人的以往经验和当时兴趣、愿望、价值观等影响,带有强烈的感情色彩,不是对感觉到的事物原封不动、原汁原味的“原貌”的反映,而是经过各种感觉器官和大脑相互作用的结果,以浓缩方式重构其丰富、复杂的状态.第三,当知觉的对象与它周围环境之间的关系变化时,所形成的表象会是错误的.如把用冷热水浸过的左右手再放入同一盆温水中,会感觉到不同的温度.此外,在感知时,如果不能充分利用各种感觉器官,形成的表象也不能具备较强的功能.德国纳提伽尔(D.K.Nachtig all)认为,接受科学物理概念教育前的儿童倾向于以强烈的感情色彩去构造世界图画,形成直觉的内在表象,他认为错误的表象有以下八大特点¹:¹是以个人为中心建立的.º可以足够解释有限的特殊现象.»各个错误的表象之间没有关联和一致性.¼同一个日常生活领域也许可以用几个不同的错误表象去描绘.½随着年龄的增长而来的语言发展会导致错误表象和物理概念之间的矛盾.¾班级里的错误表象可以是各种各样,没有一个标准.¿个别的错误表象也许会是宗教的、技术的、泛灵论的、理性的或其他的色彩.À极端抗拒物理概念的一般教学.・90・ 广西师范学院学报(自然科学版) 第19卷此外,环境和文化教育的差异也会产生对同一物理现象的不同表象,父母、幼儿院老师及与其交往的其他的人给出不正确的形成概念的信息以及在不鼓励探究的环境中往往会形成不正确的表象.错误的表象是低年级学生错误前概念形成的主要原因,对同一物理现象不同的学生所形成的表象不同.国外五年级一个班的10岁儿童对物体下落的形成的表象有:º¹地球有吸引力,把物体拉下来(正确表象)º地球是磁铁,地球是每样东西都有磁性,所以地球吸引每一样东西;»空间其他行星压迫物体掉到地球上;¼空气压力压迫物体落下;½地球转动是每一件物体留在地球上或回到地球上的理由;¾氧气燃烧使地球产生吸引;¿上帝不让万事万物到天上去打扰他,他让每一个物体都落到地球上.(2)对物理语言的错误理解　物理概念不是具体物理实体的形象,也不是主观的心理图象,而是对一类物理过程的理解和概括,对物理概念的描述必须要借助于语言,包括高度抽象概括的数学语言.如能量是物理学中最基本的概念之一.它既是抽象于具体物体、具体能量又可通过对外做功而被察觉和操作,能量具有多样性和守恒性的特点,中学物理中能量定义为物体作功本领的量度.“作功本领”用数学语言来量度,物体能量变化和外界对其作功的数量关系可用公式表示为:A =E 2-E 1=△E ,可见离开文字和数学式子的表达就无法准确地描述能量的概念.物理语言与生活中的语言和文学语言既有相似之处也有不同的特点.生活中的语言带有地方的局限性和随意性,文学中的语言生动而形象,往往具有渲染的功效,他们都不象物理语言那样抽象、严密、言简意赅、准确明了.学生在理解概念时往往凭直觉的经验对物理语言进行错误的理解,如把物理上的“力”、“质量”、“做功”与日常生活中的“力气”“重量”,“做工”等概念相混淆.或对词语意义的不正确推理,如“加”表示“增加”,则“加速度”就变成“增加的速度”,因为“匀速”表示“速度不变”,所以“匀速圆周运动”就表示“速度不变的圆周运动”,“质点”一定是质量很小的物体.有的进行不恰当的类比,如在数学中y =a /b 表示y 与a 成正比与b 成反比,与物理中的E =F /q 及C =Q /U 作类比,就得出电场强度与试探电荷所受的作用力成正比与电荷电量成反比,以及电容器电容的大小与其所带的电荷成正比与其两端的电压成反比的错误结论等等.(3)知识的负迁移　认知心理学认为,知识的负迁移是前提效应引起的总印象对后面问题的解决起着不利的迁移的作用,是由思维定势造成的.在物理学习中,思维定势造成的知识负迁移并不少见,因为学生在学习中总是倾向于先以同化的方式把新知识纳入原有的认知结构中以维持其平衡状态,只有在同化方式不能使平衡状态继续维持时,才采用顺应的方式调整原有的认知结构使之达到新的平衡.当该采用顺应的方式而不及时采用时,就会产生消极的思维定势,会造成知识的负迁移.如有的是进行不适当的外推,如在库仑定律的应用中,推导出r →0时,F →∞的结论.有的是把物理概念的个性当成是共性,如中学阶段对凸透镜和凹透镜的定义为“凸透镜对光线有会聚作用,因而又叫会聚透镜.凹透镜对光线有发散作用,因而又叫发散透镜”,实际上只有在透镜材料的折射率大于周围介质的折射率时才能这样定义,当透镜材料的折射率小于周围介质的折射率时情况刚好相反.如中学物理描述物体运动的几个物理量力、位移、速度等只要求掌握它们的标量,到大学时要用矢量来描述.但学生们很容易继续用旧有的思维去思考新的问题,如认为力的合力就是几个力的代数和,位移就是物体运动所经过的路程,解题时不按先选择研究对象、分析受力、建立坐标系再列动力学方程的研究方法进行,根本没有正确理解矢量的意义和科学的物理学习方法,影响了入门课程和后续课程的学习.(4)概念学习不牢固　奥苏贝尔的认知同化学习理论认为影响有意义的概念学习有三个变量:¹是否可利用学生认知结构中能与新教材建立联系的有关概念,如果可以利用,就为学习和记忆新教材提供必要的固定点.º这些概念和要学习的新概念之间的区别程度如何.即要防止新旧概念的混淆,使新概念能够作为独立的实体保持下来.»认知结构中起固定点作用的概念是否稳定、清晰.这将既影响到为新知识提供的固定点的强度,也影响到学生能否对新旧概念作出区别.可见新概念的习得与过去的经验有关,如果旧的概念掌握不牢固,模模糊糊,似懂非懂,会对新概念的学习产生干涉,变成相异构想.3　转变错误物理前概念进行科学物理概念教学的策略 错误的物理前概念具有超前性、广泛性、顽固性和反复性等特点,要使它们彻底转变为科学的概念不是一件容易的事情.教和学的经验表明,对新的物理现象的认识要比对物理现象的重新认识即纠正错・91・第3期 赖小琴:物理前概念及纠正错误前概念的策略 误前概念要困难得多.因此教师在进行科学概念教学之前,要了解清楚学生原有的对某一概念的认知水平、相异构想情况、新旧概念的区别等等,采用科学的教学方法,使学生有效地转变错误物理前概念,进行有意义的概念学习.研究表明,青少年的概念掌握也具有阶段性,初一年级学生大多数是从功用性的定义或具体形象的描述水平向接近本质的定义或作具体的解释水平转化,对抽象概念的掌握还比较困难,初二、三年级学生大多是接近本质的定义或作具体的解释水平,或者是由这类水平向本质定义水平转化,初二年级是掌握概念的一个转折点;高中生能对他们所理解的概念作出比较全面的反映事物本质特征和属性的定义.在转变错误物理前概念进行科学概念教学的过程中应根据学生概念发展的特点,尽可能使学生直接感知丰富和典型的事物,通过学生自己操纵实物或模型进行探究,使事物和现象的知觉表象得以正确形成.但一切必要的表象均由实际经验和直接感知而获得是不可能的,随着学生年龄的增长和认知水平的提高,形成科学概念的大部分表象是通过语言习得的,语言形成的表象不及由直接经验所形成的表象确凿和准确,而且不容易识记,应尽可能使用图表、图解、挂图、录像、多媒体计算机等辅助教学手段增强视听效果,以形成生动活泼、正确、持久的表象.同时加强对物理语言的理解和正确使用,加强物理语言表达的连贯性,并深刻理解数学语言所蕴含的物理意义.(1)设置冲突情境　设置情景使新知识与学生的相异构想产生冲突,让学生暴露出错误观念,正确看待自己原有的生活经验,把对事物表面现象观察所得到的经验与物理知识不一致的地方提出来进行反思,找出矛盾所在,经历思想上的冲突和震撼,造成认知结构的不平衡,促成原有知识结构的顺应,用科学的概念代替原有的错误观念,实现错误前概念向科学概念的转变.如在日常生活经验中看到木块浮在水面,铁块下沉,就会判断出轻的浮重的沉的结论.如可以用直观的演示实验,演示之前先让学生猜一猜:将不同种类轻的铁钉和重的蜡块放入水中,会发生什么现象?又如对“力是维持物体运动的原因”的错误概念,可通过演示由斜面下滑的物体在摩擦系数不同的平面上运动的情形,再通过想象外推到摩擦力为零的情况.(2)进行探究学习　亲身进行各种各样的实际活动是建立概念的必要条件,概念的形成和发展过程对每个人来说都是不一样的,既遵循一定的发展规律又有每个人自己独特的发展方式.探究式学习为每个学生提供以不同方式形成概念的条件,并满足每一个人探究问题的天性,大多数物理概念均可通过观察和探究得到.探究学习从问题开始,通过学生直接感知有相互联系的材料,用自己的语言概括出所探究的事物和现象的一般特征,得出事物和现象的概念,并与其他事物和现象的一般特征加以对比和区分.可以设计教学方案让学生自己对问题提出猜想并动手进行探究来获得科学概念,纠正错误的前概念.如放在水中的物体浮沉的问题可进行下列的探究,轻重不同的物体在水中的情形,观察它们在水中的变化.探究不同的木制物在水中的情形,等等.学生从对各种情况的浮沉现象中归纳出物体浮沉的条件,纠正重的物体沉轻的物体浮的片面认识.(3)合作学习　合作学习可以克服个体知觉系统的局限性,有助于反映事物本质的物理概念的形成,在集体中还可以形成积极的学习态度,各种思想可以自由地相互碰撞产生火花.在合作学习中采用头脑风暴法(brainstorming )最有利于促进科学物理概念的形成和错误前概念的纠正.每个学生都是积极的参与者,群体平等的气氛最适宜思考各种可能最荒诞的观念,把这些从不同侧面提出的数量众多的前概念念建构起来或加以修正,常常会产生发生了质变的新概念,这种新概念可以立即揭露一些神秘的说法,揭露错误前概念的片面性.合作学习还可使每个学生受到热情的感染,每个学生都想胜人一筹,他们竞争越激烈,就越有助于全面了解错误前概念的途径,促使其向科学概念的转化.(4)利用变式和典型例证　布鲁纳认为,学生在其中经历某件事情越是多样,就越有可能把该事情与其他事件联系起来,多种多样的训练,有助于增强各事物之间的共同之处,指出每一事物的独特之处.变式可提供大量包含某一物理概念的不同事例,包括正面的和反面的例子,如压力、拉力、支持力等都是“弹力”这个概念的肯定例证,重力、摩擦力是“弹力”的否定例证.弹簧振子、悬浮在水面上的木块在其平衡位置附近的运动、悬挂在竖直平面内的小球在摆角很小的情况下的运动都是简谐振动的肯定例证,地面上做上下运动的小球是简谐振动的否定例证.变式往往具有物理概念的相同本质但具有不同形式,通・92・ 广西师范学院学报(自然科学版) 第19卷过对物理概念的足够数量的不同变式的彻底习得,使学生能形成正确的概括,有助于转变错误的前概念和科学概念的掌握及知识的迁移.(5)建立概念间结构联系　由于知识经验的关系,学生掌握的许多概念是孤立、片面的,没有加入到一定的概念系统中去,教学中应帮助学生掌握概念系统,帮助他们学会对材料进行分类和系统化工作,以便对有关的概念进行抽象概括并系统化,并纠正错误的前概念.首先要掌握每个概念的内涵和外延,其次掌握这个概念的上位概念、下位概念和组合概念.如机械运动的内涵是一个物体相对于另一个物体的位置随时间在改变,它的外延是物体间相对位置发生变化,它的上位概念是物质的运动,下位概念是平动、转动、振动、直线运动、曲线运动等形式,组合概念是电磁运动、热运动等运动形式.建立概念间的联系还可以使学生原有认知结构中的概念与新概念发生相互作用,有利于新旧概念意义的同化.如在牛顿力学中建立了完善的力的概念结构,则在学习电场力、磁场力时就通过扩大原来力的概念体系,在“相互作用”这个同化点上发展对电场力和磁场力概念的理解.概念系统化可以对复杂的物理现象进行简化和扩大对世界的理解,使学习更加有组织、有秩序、有系统地进行.不论是纠正错误前概念还是进行科学概念教学,最重要的是要在对物理现象、过程、材料的感知中形成正确的表象,在某种程度上形成正确的表象比使用语言符号更重要,爱因斯坦在至J (哈达马(Jacques Hadam ard)的信中说:»“写下来的词句或说出来的语言在我的思维机制里似乎不起任何作用,那些似乎可用来思维的元素的心理实体是一些能够随意地使之再现并且结合起来的符号和多少有点清晰的印象……对我来说,上述那些元素是视觉型的也有肌肉型的.只在第二阶段中,当上述联想活动充分建立起来并且能够随意再现的时候,才能有必要费神地去寻求惯用的词或其他符号.”指出了利用感觉器官形成表象的重要性.在概念教学中应锻练学生自觉地进行表象活动,并同时运用语言表象和视觉表象,不仅让学生口头复述所感知过的事物,形成有效的心理表象,而且还要求他们尽量多地进行图画表象进行复述,即用绘画把主要的观点和事实画下来,用箭头等符号来表明它们的关系.图画表象可用来记录、存储和操作表象,它是极具个性化的形成概念的一种重要手段,最初来源于加拿大心理学家恩德(图灵的研究,被认为是增强记忆和进行创造性思维及与人交往的有力工具,它非常简单易行和卓有成效.4　结　语 物理概念学习是整个物理学习的基础和核心,而错误的物理前概念是物理科学概念学习的绊脚石,如果没有有效地进行转变,科学物理概念的学习最多只能是死记硬背,只记术语,不解其义,将使学生感到物理越来越难学而失去对物理学习的兴趣.因此纠正错误的前概念是有效进行科学概念教学的前提.参考文献:[1]　朱智贤,林崇德.思惟发展心理学[M ].北京:北京师范大学出版社,1986.[2]　(日)佐藤正夫.钟启泉译.教学原理[M ].北京:科学教育出版社,2001.[3]　阎金铎,梁树森.物理学习论[M ].南宁:广西教育出版社,1999.[4]　阎金铎,查有良,等.物理教学论[M ].南宁:广西教育出版社,1998.[5]　宓子宏.物理教育学[M ].浙江教育出版社,1999.[6]　施良方.学习论[M ].北京:人民教育出版社,2000.[7]　(美)詹姆斯L 亚斯,张令振,等.如何突破你的思维障碍[M ].北京:科学普及出版社,1991.[8]　王　,汪安圣,认知心理学[M ].北京:北京大学出版社,1992.[9]　(美)Jean M ar ie Stine 著,易进,方晓义译,脑力倍增法[M ].北京:中国轻工业出版社,1999.[10]　阎金铎主编,梁树森著,物理学习论[M ].南宁:广西教育出版社,1999.[11]　(美)詹姆斯L 亚斯,张令振,等.如何突破你的思维障碍[M ].北京:科学普及出版社,1991.[责任编辑:黄天放] ・93・第3期 赖小琴:物理前概念及纠正错误前概念的策略 。