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學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念研究 羅星凱 周中權(quán)
過(guò)去的20年來(lái)，物理教育與教育家和廣大物理教師密切合作，在學(xué)生認(rèn)知發(fā)展與物理教育、物理問(wèn)題解決、學(xué)生物理概念形成和發(fā)展等方面做了大量開(kāi)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(xué)習(xí)過(guò)程中的各種前科學(xué)概念的特點(diǎn)及其對(duì)教學(xué)的影響方面，進(jìn)展尤為顯著。前科學(xué)概念（蘇聯(lián)心理學(xué)家維果茨基稱為“自發(fā)概念”）一般是指學(xué)生在學(xué)前由長(zhǎng)期的日常經(jīng)驗(yàn)形成的對(duì)事物、現(xiàn)象的看法和觀念。按照認(rèn)知心理學(xué)的觀點(diǎn)，這種前概念的存在是必然的。因?yàn)閭€(gè)體從出生就開(kāi)始了探索環(huán)境、順應(yīng)環(huán)境的活動(dòng)，在活動(dòng)中構(gòu)建出了特定的認(rèn)知模式（圖式）。前科學(xué)概念就是這種圖式的反映。但它們中許多只是一種對(duì)事物和現(xiàn)象的非本質(zhì)認(rèn)識(shí)，而且由于物理概念提示的是復(fù)雜紛繁的自然現(xiàn)象的本質(zhì)，具有一定的抽象性和復(fù)雜性。因此，表現(xiàn)在物理學(xué)習(xí)中的學(xué)生的前概念多是膚淺的、與科學(xué)概念相悖的，對(duì)學(xué)生形成物理概念構(gòu)成障礙。人們的研究表明這種觀念的兩個(gè)重要特點(diǎn)就是它的廣泛性和頑固性，它廣泛地存在于各個(gè)層次的學(xué)生之中，而且一般科學(xué)觀念并存，不易引起注意和被糾正。 為了深入探討學(xué)生的前科學(xué)概念的特點(diǎn)和對(duì)教學(xué)的影響，尋求改進(jìn)教學(xué)的途徑，我們先后進(jìn)行了兩次較系統(tǒng)的調(diào)查，分別就學(xué)生對(duì)速度概念、慣性概念、自感概念等內(nèi)容的理解進(jìn)行調(diào)查研究。下面分別介紹這兩次研究的過(guò)程和結(jié)果。 1 高一學(xué)生所理解的速度概念、慣性概念以及力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系 1987年下學(xué)期，我們選擇江西師大附中高一（1）班、高一（2）班這兩個(gè)平行班作為研究試驗(yàn)班，旨在通過(guò)調(diào)查、查清學(xué)生前科學(xué)概念的特點(diǎn)和來(lái)龍去脈，據(jù)此探討改進(jìn)教學(xué)的途徑。 調(diào)查采用診斷性測(cè)試的辦法，兩個(gè)班的全體學(xué)生（N=119）接受測(cè)試，時(shí)間在他們學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)學(xué)之前，測(cè)試題全部采用自由反應(yīng)型，并給予學(xué)生充裕的時(shí)間作答，以便盡可能多地反映學(xué)生的思維過(guò)程，具體測(cè)試題（見(jiàn)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(diǎn)是借鑒了皮亞杰的“臨床法”，讓學(xué)生觀察物理現(xiàn)象，從他們對(duì)現(xiàn)象的預(yù)言和解釋中探測(cè)學(xué)生對(duì)速度概念的理解和思考過(guò)程。 由于研究的目的在于通過(guò)學(xué)生的反應(yīng)來(lái)探測(cè)他們的前概念，因此評(píng)卷采用細(xì)致分析學(xué)生回答并加以適當(dāng)分類的辦法，并統(tǒng)計(jì)各類反應(yīng)的頻數(shù)。對(duì)于難以從卷面判斷的反應(yīng)，將及時(shí)輔之以個(gè)別訪問(wèn)談話。 題1和題2是用實(shí)驗(yàn)演示出兩個(gè)物體的追趕情況。在題1中，A球進(jìn)入軌道后，一直作勻速直線運(yùn)動(dòng)，且起初跑在B球前面；B球以較大的初速度進(jìn)入一斜面軌道，作勻減速直線運(yùn)動(dòng)。學(xué)生看到的情景是：B球先追上并超過(guò)A球，然后又被A球追上并超過(guò)。題目要求學(xué)生根據(jù)兩小球在軌道上的運(yùn)動(dòng)情況比較它們何時(shí)速度大小相同。題2也是兩球的追趕運(yùn)動(dòng)，與題1不同 的是一球在整個(gè)過(guò)程中始終未能追上另一球。
我們測(cè)試的是高一學(xué)生，他們一般解決皮亞杰的這一作業(yè)不會(huì)有什么困難。但是在試題1中，設(shè)計(jì)了兩次超越的過(guò)程。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，難度變大，正確的答案變得不那么顯而易見(jiàn)，必須排除兩次追越這一知覺(jué)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(shí)，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(shí)間中有、且只有一個(gè)時(shí)刻兩球速度剛好相等。對(duì)學(xué)生答卷的分析統(tǒng)計(jì)表明（詳見(jiàn)附表），有69%的學(xué)生利用了一球正好追上另一球作為判斷速度相等的標(biāo)準(zhǔn)。而且在陳述的理由中學(xué)生甚至認(rèn)為處在前面就意味著速度大。以下是一個(gè)學(xué)生的典型誤答： “有兩個(gè)時(shí)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(guò)B球的時(shí)刻。因?yàn)橐婚_(kāi)始，VB<VA，過(guò)了一段時(shí)間，VB開(kāi)始增大，當(dāng)VB=VA時(shí)，B球與A球同行，但VB仍增大，所以它超過(guò)了A球，又由于B球是在斜面上滾動(dòng)，它的速度由于受到磨擦力而減少，A球仍按原速前進(jìn)，當(dāng)VB再次等于VA時(shí)，A球與B球在同一地點(diǎn)，接著A球超過(guò)了B球。” 可見(jiàn)，在面臨較復(fù)雜的情境時(shí)，學(xué)生早期的那種“追越的直覺(jué)”又重新被喚起。這種由經(jīng)驗(yàn)形成的觀念并未因?yàn)樗麄冊(cè)诔踔薪邮芰苏降奈锢韺W(xué)教育而真正地消除，它們?cè)趯W(xué)生頭腦中仍占有一席之地，成為后繼學(xué)習(xí)的前概念。 題3、題4、題5用于探測(cè)學(xué)生對(duì)慣性概念、運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的理解。這些內(nèi)容，學(xué)生在初中都已經(jīng)學(xué)過(guò)（題5例外）。但是，測(cè)試表明他們對(duì)慣性概念的本質(zhì)缺乏正確理解，對(duì)運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的認(rèn)識(shí)仍然是非牛頓式的。 例如，對(duì)題3雖有90%的學(xué)生正確的回答出第一種方案是正確的，說(shuō)明他們能從現(xiàn)象中識(shí)別出慣性的現(xiàn)象。但在細(xì)查學(xué)生的解釋后發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)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(yùn)動(dòng)而具有的，當(dāng)人松開(kāi)手后，小球向前的運(yùn)動(dòng)就是靠這力來(lái)維持的。以下是幾個(gè)學(xué)生典型誤答： “第一種方案對(duì)，因?yàn)樾∏蛎撌趾笕跃哂幸欢ǖ膽T性力。” “第一種方案正確，因?yàn)樾∏蚴艿綉T性作用。“ “第一種方案對(duì)，因?yàn)樾∏蛴捎谶\(yùn)動(dòng)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(xué)生認(rèn)為小球離手后仍有一力使之上升，到了最高點(diǎn)此力才消失，題5中，58%的學(xué)生認(rèn)為小球在脫繩后仍會(huì)由于具有“圓周運(yùn)動(dòng)的慣性”而沿圓弧或偏向圓弧的軌道運(yùn)動(dòng)。圖2所示的是從學(xué)生試卷上復(fù)制下來(lái)的三種典型錯(cuò)誤解答。
由此可見(jiàn)，學(xué)生雖然記住了慣性這一術(shù)語(yǔ)，并不再持有外力一撤消，物體就立即停止運(yùn)動(dòng)這一典型的亞里斯多德式的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維護(hù)的觀點(diǎn)。但是他們臆造了一個(gè)與運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的力，用這力解釋為什么物體在脫離外力后仍會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。而在物理課中學(xué)到的慣性就被他們自然地拿來(lái)做了表達(dá)這個(gè)力的“恰當(dāng)”術(shù)語(yǔ)。這樣，即使學(xué)習(xí)了慣性定律，他們?cè)瓉?lái)所持的“運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維護(hù)”這一總的概念框架仍然未變，也不必非要變不可。因?yàn)樵谶@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(shuō)，內(nèi)心并不感到矛盾。這與歷史上對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)探索過(guò)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(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象時(shí)顯得牽強(qiáng)附會(huì)，中世紀(jì)的經(jīng)院哲學(xué)家們就以原動(dòng)力學(xué)說(shuō)修正了它。但“運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)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(cuò)誤的觀念不僅廣泛地存在于當(dāng)今學(xué)生的頭腦中，而且并未由于學(xué)過(guò)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(yán)重地影響著學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律的學(xué)習(xí)。 2 學(xué)生頭腦中的自感概念 對(duì)學(xué)生理解自感現(xiàn)象的系統(tǒng)的調(diào)查研究表明，學(xué)生較普遍地認(rèn)為含電感電路在電源斷開(kāi)時(shí)通過(guò)電感的電流會(huì)有一個(gè)突然增大的過(guò)程，深入的分析和測(cè)試證明這種誤念是學(xué)生在原有的錯(cuò)誤觀念下，曲解新的教學(xué)內(nèi)容（特別是所面臨的有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）的結(jié)果。詳細(xì)討論見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]、[3]。綜合上述的兩次調(diào)查研究，學(xué)生前科學(xué)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(xué)生根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，在與自然和社會(huì)環(huán)境的相互作用過(guò)程中形成的、關(guān)于對(duì)面臨的事物和現(xiàn)象的理解，它們以直覺(jué)和非科學(xué)推理為支柱，大都片面、幼稚，與科學(xué)概念相悖。但是，在教學(xué)中，這類觀念又不會(huì)輕易地讓位于科學(xué)概念。它們可以自行調(diào)整、變通后與學(xué)生在物理課堂中接收到有關(guān)內(nèi)容并存于學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)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(fù)雜的情境時(shí)，就會(huì)喚起它們。這種現(xiàn)象在各種層次的學(xué)生中都不同程度地存在。 另一種是學(xué)生在正式學(xué)習(xí)物理以后，在學(xué)校教學(xué)情境中形成的。它主要表現(xiàn)在一些學(xué)生以前缺乏感知經(jīng)驗(yàn)課題上。物理演示實(shí)驗(yàn)是一種對(duì)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(qiáng)的特點(diǎn)，盡管它是對(duì)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(dāng)那些非本質(zhì)現(xiàn)象與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中有關(guān)觀念一致或相關(guān)聯(lián)時(shí)，學(xué)生很容易同化這些現(xiàn)象。他們?cè)谧约涸瓉?lái)觀念的框架下理解所面臨的現(xiàn)象，導(dǎo)致對(duì)本質(zhì)特征的曲解，并同時(shí)使原有的觀念得到充實(shí)和加強(qiáng)，成為進(jìn)一步學(xué)習(xí)的頑固的先入之見(jiàn)，影響學(xué)習(xí)的過(guò)程。 當(dāng)然，這兩類前概念在本質(zhì)上是相同的，它們都反映了學(xué)生思維過(guò)程對(duì)直覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)的依賴。 長(zhǎng)期以來(lái)，在我們的教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)學(xué)生的這類前科學(xué)概念是缺乏系統(tǒng)研究和對(duì)待的。教材主要考慮的是知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)體系，典型的物理課往往就是簡(jiǎn)單的引入概念或規(guī)律，然后大量的時(shí)間花在舉例說(shuō)明、驗(yàn)證和練習(xí)鞏固上。這種做法事實(shí)上有意無(wú)意地將學(xué)生的頭腦當(dāng)成了一塊“白板”，我們教師可以在上面構(gòu)畫(huà)出各種各樣的物理知識(shí)圖景。物理演示實(shí)驗(yàn)一直作為教學(xué)手段而起著配合物理知識(shí)講授的作用，考慮的重點(diǎn)自然是如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)把一個(gè)抽象的問(wèn)題具體化、形象化。因而很難真正開(kāi)發(fā)它的教學(xué)功能，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，有時(shí)追求實(shí)驗(yàn)效果明顯，考慮不周，走向了反面?？傊?，我們尚未騰出時(shí)間來(lái)系統(tǒng)地研究學(xué)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(jī)制，就只能把我們所理解的物理世界硬塞進(jìn)學(xué)生頭腦中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)學(xué)生未接受時(shí)，往往就是采取簡(jiǎn)單重復(fù)、反復(fù)強(qiáng)化的辦法，或者干脆認(rèn)為學(xué)生太笨。顯然這種狀況已到了必須認(rèn)真設(shè)法改變的時(shí)候了。通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)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(xiàn) [1] Trowbridge . D. E etc. Am . J Phys. , 1980.48: 1029 [2] 羅星凱，周中權(quán)。學(xué)生頭腦中的自感概念。 江西師大學(xué)報(bào)， 1988；（2） [3] 羅星凱。 周中權(quán)。學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程與課程設(shè)計(jì)。物理教師。1988；（9）
附錄 力 學(xué) 測(cè) 試 卷 說(shuō)明：第1、第2題配有實(shí)驗(yàn)演示。請(qǐng)先注意觀察有關(guān)的說(shuō)明： 1、圖1所示的是A、B兩球每隔一定時(shí)間間隔的位置。在軌道上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中。兩球是否有速度大小相同的時(shí)候？為什么？
2、圖2所示的是B、C兩球每隔一定時(shí)間間隔的位置，在軌道上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，兩球是否有速度大小相同的時(shí)候？為什么？ 3、老師布置同學(xué)們做一個(gè)游戲。內(nèi)容是在快步跑的過(guò)程中（不準(zhǔn)彎腰）將抓在手中的一小球釋放（只是將手松開(kāi)，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(xué)們中有三種方案：一是在離小筐還有一點(diǎn)距離時(shí)松手；二是在正好跑到小筐處松手；三是跑過(guò)小筐一點(diǎn)距離后再松手，你認(rèn)為哪一種方案是對(duì)的？為什么？
5、如圖3所示，雜技演員抓?。∣點(diǎn)）一頭拴一小球的繩子，使小球打圓圈。假設(shè)當(dāng)球在A點(diǎn)時(shí)，繩子突然斷掉。你預(yù)料小球此后將沿怎樣的軌跡運(yùn)動(dòng)？為什么？
錯(cuò) 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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