高中物理教学中前概念转变的策略与实践，本文主要内容关键词为：高中物理论文,概念论文,策略论文,教学中论文，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。
物理概念和规律是物理学的基石，是帮助学生建立科学的知识系统的前提，物理概念和规律的掌握对学生而言极其重要。但研究表明，高中学生在学习物理概念之前，由于日常生活经验和前期学习，他们的头脑并非是一块“白板”，他们对客观世界已有一定认识，对各种现象已形成了自己的看法，这就是人们所说的“前概念”。
前概念对高中学生科学概念的掌握既有积极作用，又有消极作用。如何实现概念转变？如何将学生的相异前概念转变为科学概念？如何引导学生使朴素前概念形成科学概念？这些成为教师提高课堂教学有效性需要思考的问题。
一、前概念及概念转变理论
1.前概念
学生在学习物理概念之前，由于日常生活经验和前期学习，头脑中形成的对各种现象的看法，称为“前概念”。
“前概念”这个表述的关键字是“前”，“前”字表明了“前概念”形成的时间是在系统学习某一概念或原理之前，而且“前”字还意味着“前概念”是非正式的、未必正确的、可能有一定的道理、但绝非真理性的概念。为了描述的方便，将这些看法和观念中与科学概念一致，只是缺乏严谨、科学表述的前概念称为“朴素前概念”，这类前概念对学生科学概念的掌握有积极作用；而与科学概念有冲突、甚至相悖的前概念则称为“相异前概念”，这类前概念阻碍了学生理解和掌握科学概念，干扰学生后继形成正确的概念，对学习的影响是消极的。
“概念”在这里不是取概念的本质含义，也泛指在科学领域中的原理，在这一点上，用“前观念”来表述更加贴切。因此在关于“前概念”的文献中提到的“前概念”不仅包括科学领域内的概念，其实也包括科学领域内的原理。
由于前概念形成的原因，可以是日常生活的经验、对词的理解、人类的认知特点、教师、教材的影响等，因此前概念具有广泛性、稳定性、差异性、共性、隐蔽性等特点。
2.概念转变的理论依据
概念转变是指个体原有的某种知识经验由于受到与此不一致的新经验的影响而发生重大改变。概念转变是新旧经验相互作用的集中体现，是新经验对已有经验的改造，概念转变过程就是认知冲突的引发及其解决的过程。Posner等学者于1982年提出了著名的概念转变模型，认为概念转变有四个条件：（1）对现有概念的不满；（2）新概念的可理解性；（3）新概念的合理性；（4）新概念的有效性。
从Posner的概念转变模型可以看出，前概念向科学概念转变的首要条件是学生不满意自己的观点，个体只有认识到自己的某个概念有不足，不满意现有概念，才会去关注新概念，体会到新概念的合理性，并意识到新概念对于自己的价值，从而改变或修改自己原有的观点。Limon说：“认知冲突看起来是概念转变过程的起点。”
概念转变学习理论提示我们，虽然要使学生对自己的概念不满意很难办到，但是这却是无法逾越的一步，是至关重要的一步，教师要在教学中千方百计，尝试各种不同的方法让学生体会到自己概念的不足。
二、高中物理教学中前概念转变的策略
由于学生持有的前概念中有的是“相异前概念”，有的是“朴素前概念”，在前概念向科学概念转变的过程中，要根据前概念的不同特点，采取相应的教学策略。
1.创设物理情境，引发认知冲突，转变“相异前概念”的教学策略
如何创设物理情境、引发认知冲突呢？根据学生形成概念、掌握规律的特点，以物理概念、规律学习的几个阶段作为物理情境创设的切入点，可采取以下策略创设物理情境：
（1）从为什么要引入某个物理概念的角度创设情境
在概念教学中首先要创设情境，让学生在分析、探索中意识到引入新概念的必要性，从而引发学生进一步思考如何定义新概念。
例如：以前在高一讲“位移”矢量时，尤其是一直线上的位置变动中，学生总是习惯于用在初中讲过的“路程”，因为他们觉得两者差不多，所以习惯于用老的，甚至觉得可以不用“位移”这个物理量。我在高一引出“位移”概念的教学中，创设了这样一个情境：“某同学从学校大门口出发走了100米，问这位同学到了哪里？”同学回答不知道，因为不知道要往哪个方向走！显然要描述位置变动，仅有初中学过的路程不能准确描述，还要描述位置变动的方向，由此引出“位移”概念。当我在“位移”概念引入课中设置了这样的情境后，学生不仅明白了为什么要用“位移”来描述位置变动，而且在今后的应用中牢记了“位移”的方向性。
由于这一学期以来，在每一个物理量引入时我总是引导学生去思考为什么要引入这个物理量，所以在圆周运动章节中学习角速度概念时，学生主动提出：既然用线速度可以描述圆周运动快慢，为什么还要引入角速度描述圆周运动快慢呢？当时我听到这一问题时有点激动，因为之前的学生对于老师所给的概念、规律等从来不会去问“为什么”，只是被告知，然后被动地接受。
（2）利用物理规律与学生已有的日常观念的冲突创设情境
例如：在学习力的合成和分解之前，学生接触的求和问题，都是数值直接相加，而求不在一直线上的两个力的合力时，却不能直接相加，学生较难理解。于是在讲解力的合成和分解时，我创设了这样的一个情境，提问学生：细棉线下面挂一只重物，用一根线时易断还是两根线时易断？如图1。
学生感到很好笑，认为肯定是用一根线时线易断。
教师开始演示，一根线提得起重物，而两根夹角较大的细线提重物时，线断了！这一现象立即引发了学生的好奇和质疑：为什么两根线的效果反而不如一根线呢？
这一与日常观念冲突的情境，不仅激发了学生的求知热情和积极思维，也使学生认识到了原有观念的错误，主动地调整、重组认知结构，给学生之后理解“互成角度的力的合成，不是简单的力的数值的直接相加”、“合力可能小于分力”等知识提供了深刻的感性认识。
（3）从规律是怎样研究得出的角度创设情境
例如：在学完磁场一章后，学生对电产生磁的各种现象、磁对电的作用、磁的本质都有了规律性的认识，师生共同概括、回味这些知识感到收获很大，这样“电生磁”的课题便圆满结束了。于是我抓住良机，创设了这样的问题情境：“电能生磁”，那么“磁生电”是否可能？这个问题曾有不少物理学家探索过，如科拉顿曾设想用磁铁插入螺旋线圈中，看是否有电流产生。他把线圈的引线接得长长的，将电流计放在隔壁的房间里。一切准备就绪，他把磁铁插入线圈中，然后急忙奔向隔壁，却未发现电流表指针偏转；法拉第也是探索者之一，他经过十年坚持不懈地努力才取得了重大的突破。“磁怎样生电呢？”“科拉顿为什么失败的？”“法拉第是怎么成功的？”这些既有难度又有意义的问题给学生留下了强烈的悬念。学生都在心理上急切地希望知道个究竟，从而产生了渴望学习的愿望。
（4）从规律的适用条件的角度创设情境
例如：在“自由落体运动规律”教学中，为了引起学生对物体下落过程中空气阻力这一因素的关注，我创设了如下实验情境：将相同面积的一张铁片和一张纸片叠放在一起，让纸片在上，从同一高度释放。释放前提问学生谁先落地，学生多半不假思索地回答：“铁片先落地。”而事实上它们是同时落地的，这就与学生的日常生活经验相悖。奇异的实验结果引起了学生对实验的怀疑，顿时课堂气氛十分活跃，有的学生还以为我在铁片上涂了糨糊，于是我让一名学生上台进行察看，并让他把实验再做一遍。这就是采用实验设置疑障，诱使学生开动脑筋来解开这个疑团。从而激发他们的思维热情，这样的教学效果就比按课本那样平铺直叙要略胜一筹。虽然是用同样的教具——铁片和纸片做实验，来证明自由落体的时间与物体的质量无关，而运用这样的设疑手法却能收到意想不到的效果。最后，我再换用一个相同面积而中间挖空了的铁片重做上述实验，让纸片能单独受到空气阻力的较大影响，于是铁片先落地，以使学生观察到全面完整的实验现象。最后学生终于由大惑不解到疑团顿消，从而对自由落体运动的条件获得记忆深刻的正确认识。
（5）利用学生概念认识中的错误创设情境，帮助学生辨析概念理解中的疑惑和错误
例如：为了突破“静摩擦力的大小与正压力无关”这个难点，我设计了如下情境：用水平力将一本书压在竖直墙壁上，提问：“如果对书的压力逐渐增大，书受的摩擦力如何变化？”对这一问题回答错误最多的是：“因为f=μN，N增大，所以f也增大”。至此可借题发挥：“增大后的摩擦力必会大于书的重力，那时书将沿墙攀登了！？”学生听后哈哈大笑，自知出错，而后兴奋、思考，变信口回答为主动探索。在之后的教学过程中，学生回答问题时，懂得“少一些信口开河，多一些主动思考”了。
学生在解决这些矛盾冲突的过程中，他们头脑中原有的片面的、错误的、表面的认识会逐渐转变为全面的、正确的、内在的认识。
2.利用朴素概念，通过类比，促进科学概念形成的教学策略
由于“朴素概念”的看法和观念与科学概念没有冲突或相悖，只是缺乏严谨、科学的表述，因此朴素概念向科学概念的转变相比之下较为容易。
学生对新旧知识进行同化和顺应，不能脱离原有的经验与知识，而是将原有知识经验作为新知识的生长点，要在原有的知识经验中衍生出新的知识经验。因此教学的目的不要定位于用科学概念取代学习者头脑中的前概念，而应该把前概念当做学习资源加以利用，从而将学生的朴素概念顺利地引导到科学概念，所以类比和利用朴素概念是重要的教学策略。
朴素概念的两个主要来源是日常生活经验和以往学习知识的积累，因此可以采取以下策略进行类比：
（1）创设生活化情境或实验情境，与生活经验类比，促进对抽象概念的感性认识
例如：在进行电流概念教学时，关键在于学生较难理解“电荷的定向移动从而形成电流的过程”这个比较抽象的过程。于是我在教学中创设了如下的情境使其形象化：课间休息时，整个操场上学生的活动是杂乱无章的，没有定向移动形成“人流”，类似自由电荷杂乱无章地运动，没有发生定向移动形成电流。同样在进行电流大小的教学时，关键在于理解单位时间内通过导线横截面的电量，即I=
，特别是在求有正负电荷同时做定向移动形成电流大小时，往往有学生以为正负电荷要中和一部分，不能将正负电荷数值相加作为某段时间内通过导体的总电量。如果我们能创设如下情境，那么学生就不难掌握了：将教室门看作导体的一个截面，将进出的学生分成两队，一队向室内，一队向室外，同时定向进出，那么通过截面的人数也就不会出现相中和的误解了。在比较抽象的概念的教学中，恰当设置一些生活化的类似情境，使学生能感知它们的本质所在，理解也就更为深刻。
（2）通过与学生已学习过的知识、方法类比，促进学生理解新的科学概念
例如：我在电场强度教学中建立如下的概念情境：首先启发学生回忆思考下列两类物理量在定义方法上有何区别：一类是位移、质量、力、能量、功、热量、电量等；另一类是速度、加速度、压强、功率、电流强度、密度、比热、劲度系数等。探究后一类量为什么要用比值来定义？生产生活中有无与后者类似的情况？接着创设如下实验情境：用起电机使金属球带大量电荷+Q，用悬吊带电为+q的小球显示带电金属球的附近有电场。移动小球+q均由近及远可见悬绳的偏角变小。说明带电+q的小球在不同点受的电场力不同。然后引导学生概括：电场有强弱之分。但把小球多次移到同一点A，其偏角不变，说明在同一点，电场的强弱是不变的，这是电场的特性。然后引导学生讨论：参照密度、电流强度的定义思路，用什么方法可描述某点电场的强弱？逐渐逼近E=
这一结果。通过创设上述情境，学生不仅对电场强度这一概念的定义理解深刻，并且通过类比、概括，了解了比值法定义物理量的方法。
三、转变相异前概念教学策略的实践
在实际课堂教学中，要转变学生的相异概念，需要根据实际，综合运用上述策略来解决问题。以运动和力单元中《超重与失重》的教学为例。学生在学习超重和失重现象时会受到一些前概念的影响，把物理学上的失重误认为是物体“失去重力”，把超重误认为是“重力变大”；容易把超重、失重现象的动力学特征与物体的运动方向相联系。
（1）针对学生误认为“失重是失去重力，超重是重力变大”的错误前概念，采用“利用物理规律与学生已有的日常观念的冲突创设情境”的策略。
先让学生观察静止状态的弹簧秤读数：2牛。再设置一组问题情境问学生：钩码重力大小为多少？为什么？你看到的弹簧秤读数直接表示的是什么力？
在学生分析出弹簧秤读数表示的是拉力后，再设置一组问题情境：有没有办法使弹簧秤的读数不等于2牛？在这些过程中，物体的重力有没有改变？讨论结果是重力没有改变，因为同一个钩码所包含的物质的量没有改变。但物体对弹簧秤的拉力却有时比重力大，有时比重力小。这样就可建立对超重与失重现象的初步认识了。
通过以上的实验情境，学生可以体会到在超重或失重现象中，不是重力真的改变了，而是看上去好像变了。哪里看出来的？弹簧秤上“看”出来的，因此把它称为“视重”。所以，简单说：超重是视重大于重力的现象；失重是视重小于重力的现象，而物体重力本身不变。最终学生形成对超重与失重现象的正确认识。
（2）针对学生容易把超重、失重现象的动力学特征与物体的运动方向相联系，即认为“向上运动会出现超重现象，向下运动会出现失重现象”，采用“从规律是怎样研究得出的角度创设情境”的策略。
先请学生猜想：什么情况下会出现超重现象，什么情况下会出现失重现象呢？学生通常会回答：向上运动时出现超重现象，向下运动时出现失重现象。教师再启发学生：是不是这样呢？我们要进一步分析上升运动的整个过程。
教师启发引导学生分析出上升过程是先加速上升，再减速上升；下降过程是先加速下降，再减速下降后，再让学生通过电梯内悬挂着重物的弹簧秤或放置重物的台秤读数的变化进行观察和实验，并记录结果。
通过对实验结果进行比较，发现无论速度向上或向下时，均有超重、失重现象，因此超重、失重与速度方向没有必然联系；所以原来的猜想不成立。
再观察实验结果，又能发现同样是超重现象对应的共同特征是：加速度向上；同样是失重现象对应的共同特征是：加速度向下。
最后应用牛顿第二定律，从理论上推得超重现象对应的共同特征是：加速度向上；失重现象对应的共同特征是：加速度向下。
前概念广泛存在于我们每个人的思维中，学生的前概念在认知中发挥着组织作用，促进或阻碍着学生科学概念的形成，揭示学生的前概念及其转变规律，被认为是科学学习中的核心问题，是提高课堂科学教学质量和效率的关键。本文仅在高中物理课堂教学中如何将学生已有的前概念向科学概念转变的策略方面作了一点尝试，还有待于进一步的探索与实践。