国内外“力与运动”前概念研究概述及对教学启示，本文主要内容关键词为：启示论文,国内外论文,概念论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
对学生物理前概念的研究是物理教育研究领域的一个热点问题。物理前概念是学生在学习科学物理概念之前对物理现象和规律的认识和理解，物理前概念广泛存在而且根深蒂固，对学生形成与掌握科学的物理概念影响极大。正如奥苏贝尔所言：“影响学习最重要的因素是学生已经知道什么”，有效的教学要求教师充分了解学生的前概念，以采取相应的教学策略。力与运动是整个中学物理知识的基础，是中学物理教学的重点和难点，本文对国内外关于力与运动前概念研究现状做一概述，以期对我国物理教学研究和实践有一定的启示。 一、国外学生力与运动前概念研究现状 国外对物理前概念的研究起始于上世纪初，美国人霍尔1903年调查了儿童对光、霜、火等自然现象的认识。20世纪70年代，学者意识到学生前概念的重要性，对学生各个课题上的前概念进行调查研究，并注重实验数据分析，取得了丰富的第一手资料和研究成果。上世纪80年代，对前概念的研究达到了一个高峰，在这期间有学者开始分析学生前概念的形成原因并探寻前概念转变的教学策略。90年代后期，国外学者对学生前概念的研究已经比较完善，大量研究集中在力学领域。采用的主要方法是问卷调查、测试和访谈，并借助计算机模拟等手段来研究学生的前概念及前概念转变问题。 上世纪80年代，A.Caramazza等人进行了学生对曲线运动轨迹理解方面的研究，结果显示大部分学生对运动学存在错误的理解。例如，一个摆球在竖直平面内摆动，如果沿着轨迹的不同点切断摆绳，判断摆球的运动方向。大部分学生忽略了切断摆绳的瞬间摆球具有速度，大约65%的学生认为在平衡位置切断摆绳，摆球会做竖直向下的直线运动[1]。又如，抛硬币问题，要求学生在忽略空气阻力条件下，判断硬币上抛和下落过程中某点所受的力。结果显示88.3%的学生认为物体向上运动时，一定有一个向上的作用力，而且力会随着速度的减小而减小，即“运动意味着力”[2]。琼斯（Jones）等人还调查了学生关于速率、速度和加速度的前概念。研究表明，多数（超过60%）学生一直认为只要速度增大加速度就增大，并且加速度方向和速度方向一定相同或相反，忽略了速度和加速度的方向成一个角度的情形[3，4]。Watts对中学生关于重力概念的理解进行了访谈，发现学生存在以下几个错误前概念：（1）重力的作用需要媒介，没有空气的地方就没有重力；（2）重力随着高度增加而增大；（3）重力从物体下落时开始对物体作用，当物体静止在地面上时，就没有重力；（4）物体越重下落越快；（5）重力并不是以同样一种方式作用到所有物体上；（6）重力是能量的一种形式，并且可以耗散[5]。 1985年赫斯特尼斯（Hestenes）等人在前人研究的基础上设计了一份有关力学概念理解的测试问卷——力的诊断测试（Mechanics Diagnostic test，简称MD），并于1992年发表了它的改进版——力的概念测试题（Force Concept Inventory，简称FCI），FCI测试题能较为全面、科学地考察学生对力、运动学和动力学知识的理解[6]。其中为了考察学生对于“忽略空气阻力，轻重物体从同一高度下落速度一样”问题的理解，重现了伽利略的比萨斜塔实验问题：“忽略空气阻力情况下，轻重两个小球从同样高度落下，是否同时落地？”同时从不同的角度提出了新的问题：“让这两个小球以同样的速度从水平桌面上滚下去，它们落地点离桌底的距离之间关系？”两个问题的正确率有着显著差别，第1个问题正确率非常高，而在第2个问题中，很多学生认为重的物体落地点离桌底近，甚至有学生认为其距离与质量成反比，说明“物体越重下落越快”的误解，今天仍然普遍隐藏在学生的头脑中。 2009年，Dewey Ⅰ.Dykstra等人利用微机实验（MBL）研究了力与运动概念的形成过程。设计了三种加速运动分别为：（1）一只豆袋落到水平面，不反弹——落体运动。（2）将一罐黑豆酱轻轻推上斜面，滚上去，然后滚下来——斜面运动。（3）在大约60cm长的绳子一端挂一小球从左摆向右，再摆回去，有且只有一个完整的振动——摆动。分别由4、6、8年级的学生以自由反应方式来进行描述，检测学生如何“看”三种加速运动，得到了三种观点的描述：第一种回答（主要是4年级学生）的特征是“它是这样运行的”，都提到了运动的方向。例如，“它落下来了”，“它滚上去然后滚下来”，“它向左摆然后向右”，在这种类型的回答中，主要描述是否有运动并且在什么方向上；第二种回答（主要是6年级学生）的特征是通常提到方向，还有速度，但不联系运动变化过程本身。例如“下落得快”“滚上去慢下来快”和“它向左摆动先快后慢，然后向右先快后慢”，作为连续过程都没有提及加速或减速，速度变化只是指速度大小的变化。描述中学生只关心运动开始和结束，不关心运动的过程，对于“停”可能意味着几乎在瞬间速度变为0，而不是有一个由减速到停止的过程；第三种回答（主要是8年级学生）通常提到运动的方向也包括大小是否连续变化，这类答案如：“下落时加速”“滚上去越来越慢，滚下来加快了”“向左摆先加速后减速，然后向右摆先加速然后减速”。通过这3种描述反映了4～8年级学生运动学概念的形成过程，4年级学生只是对运动现象的初步描述，6年级是过渡期，到了8年级已经可以借助加速度来描述了，部分学生还应用动力学观点分析了速度变化或加速度产生的原因[7]。 2011年，Rebecca Rosenblatt等人系统研究了一维情况下学生对力、速度和加速度方向关系的理解，发现学生对条件关系的回答具有不对称性，如“已知速度（运动状态），推测合力”和“已知合力，推测速度（运动状态）”是不同的；速度与加速度的关系对学生理解速度（运动状态）与力的关系是必要的，但反之则不一定。研究还表明随着年龄的增大，知识的积累，学生持有这些错误概念的比例不断降低[8]。 二、国内学生力与运动前概念研究现状 国内对前概念研究起步较晚，已有的调查研究、实验研究大多是以国外的相关研究为基础进行的，大部分研究都集中在力学部分前概念上。国内的力学部分前概念的调查研究大多是基于FCI工具，鲜见开发可供大样本施测的诊断工具[9-11]。 不少研究者关注到一些具体的力学概念，如“摩擦力”和“惯性”，这是中学力学学习中前概念比较丰富且不易改变的两个知识点。罗星凯等人研究了在学习运动学之前，探测学生对惯性概念、运动和力的关系的理解，测试表明学生对惯性概念的本质缺乏正确理解，对运动和力的关系的认识仍然是非牛顿式的。不少学生将惯性视为一种力，如人松开手后，小球向前的运动就是靠这个力来维持的。他们臆造了一个与运动相联系的力，用这力解释为什么物体在脱离外力后仍会继续运动，甚至通过物体是否运动来判定惯性是否存在，认为惯性的大小与物体的速度、高度等有关。江昕等人通过访谈发现学生关于摩擦力的错误认识有：摩擦力只能使物体静止，不能使它运动；摩擦力总是阻碍物体的运动，如必须用推力克服摩擦力才能使桌子向前运动等等；由于他们认为摩擦力的方向总是与物体运动方向相反，所以摩擦力总是做负功[12,13]。 对于速度与加速度的关系也一直是研究的热点问题，文献[14，15]研究结果显示大部分学生认为加速度大，速度变化一定大；加速度变小，速度也变小。部分学生对速度变化快慢和速度快慢分不太清，认为速度快就是速度变化快，不知道速度变化快慢不是和速度大小有关，是同速度变化和时间间隔有关。文献[16]中对牛顿第二定律的研究表明：有21.50%学生认为一个恒力产生一个恒定的速度；20.8%的学生认为物体受到一个恒定作用力后，运动方向就沿力的方向，而不顾及物体原来具有的初速度；20.8%学生认为因为物体有初速度，在受到一个恒定作用力时，由于惯性物体还会沿原来的速度方向运动一段时间才受到力作用的影响，运动方向才慢慢改变。 三、对教学的启示 错误的物理前概念具有广泛性、顽固性及反复性等特点，在物理教学中，转变学生的前概念就是要改造和重组学生原有的认知。由于经验背景的差异，学生对问题的理解常常各异，他们可以相互沟通，相互合作，对问题形成更丰富的、多角度的理解。因此，学生经验世界的差异本身便是一种宝贵的学习资源。学习是学习者通过新、旧经验的相互作用，来形成、丰富和调整自己的认知结构的过程，新旧知识经验的双向相互作用表现为同化和顺应的统一。建构主义认为，教学不是简单把知识经验装到学生的头脑中，而是要通过激发和挑战其原有的知识经验，提供有效的引导、支持和环境，帮助学生在原有知识经验的基础上建构起新的知识经验。笔者通过对国内外前概念研究内容与结果的思考，提出以下几点教学策略以促进学生前概念向科学概念的转变。 1.了解学生的前概念 教师在进行物理概念教学之前，应该先把握学生头脑中的前概念。一般了解学生前概念的方法有问卷法、调查法、访谈法等，更重要的是通过在教学实践和与学生的交往过程中逐渐认识学生的前概念，并加以总结，使错误概念的纠正具有针对性。 2.创设冲突情境 针对学生的前概念与教学目标创设物理问题情境。学生学习新知识时，总是试图通过原有的认知结构来同化新知识，创设情境时须考虑学生的前概念。克服错误前概念的最好方法之一是给学生建立认知冲突的局面，并按这个观点来设计教学过程。当遇到不能解释的现象时，就会产生认知冲突，激发学生的求知欲望和好奇心，并在教师的引导下正确认识事物的本质，促使学生进行认知结构的同化和顺应，形成正确的观点。 3.开展合作与讨论 学生的前概念往往具有隐蔽性，有时甚至连学生本人也没有意识到。要改变这种情况，就需要提倡合作学习与交互式教学，通过交流使学生最隐蔽的观点得以暴露。通过讨论，使学生看到对于同一问题的不同的观点与理解，并有可能通过不断反思，最终实现前概念的转变与科学概念的建立。