物理前概念研究对构建科学概念的启示，本文主要内容关键词为：概念论文,启示论文,物理论文,科学论文，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，根据日常生活、学习、游戏的经验，往往对一些未经专门学习的概念已有一套自己的想法和思维，用以理解日常生活中遇到的各种现象。这种在学生系统地学习科学知识之前所具有的想法被人们称之为“前概念”（preconception）或者“相异构想”（alternative framework）。这些想法有些是正确的，有些则是与科学的物理概念相违背的。错误的物理前概念运用到物理学习中，会导致对物理现象的错误理解，得出错误的结论，影响科学物理概念的建构和物理学习。
如同一地点的两个物体从同一高度同时开始做自由落体运动，那么
（A）质量较大的物体先到达地面
（B）密度较大的物体先到达地面
（C）体积较大的物体先到达地面
（D）两个物体同时到达地面
选（A）、（B）的人较多。笔者问他们为什么这样选呢？他们理直气壮地说：现实中就是这样。显然这是生活中的经验认识——物理的前概念在作祟。教师说：我们做过毛钱管的实验，金属片并不比鹅毛下落得快，难道这还不能证明吗？他们回答：那是在真空中才存在，现实中不会发生。尽管他们学过自由落体的知识，但仍然不相信重的物体与轻的物体一道下落。他们的思维没有从自由落体这个物理的原理出发，而是从他们头脑中的前概念出发。询问学生做过实验验证吗？学生说：没有。本来就是这样，不需要做的。教师用铁块、塑料块做实验让其再观察，他们才将信将疑地承认这个事实。
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。
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的概念和知识结构。如学生在学习物理前已对生活中的一些物理现象和规律有所了解：在热学方面，有了冷热的不同感觉；在光学方面，对照相机照相原理、近远视眼、马路上的油膜色彩等充满了好奇……对这些已知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。
有些情况下，对物理现象、过程、材料的片面或错误理解而产生的前概念，将会成为学生学习物理的障碍。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。错误的前概念若不能及时地转变为科学的概念，则会影响学生认知结构的构建，而认知结构的好坏决定了问题解决的好坏，体现了一个人的能力水平，影响着问题解决的方向，也即影响着学生的解题心智模式。
通过分析综合开放性的问卷调查以及学生的访谈记录，并参照国内外的研究成果，发现学生在物理学习中前概念的表现主要在知识的理解和应用这两个方面。从这两方面的分析来看，学生中的错误前概念对学习有重要影响。
一、前概念广泛存在于学生头脑中，错误的前概念会严重影响学生物理概念的学习
Clement（1982）在抛硬币实验的研究中发现88%的被试认为上抛的硬币受到两个力的作用：一个是硬币的重力，另一个是抛力；硬币上升时抛力大于重力，下降时重力大于抛力。Thomtom和Sokoloff（1989）也利用抛硬币问题对240名俄勒冈州大学的物理专业学生进行了教学前测试，学生的正确率也只有10%。华盛顿大学教育研究小组在利用“图像和轨迹”软件测试时发现，很多学生认为s-t图像就是物体运动的实际轨迹。McDermott和Shaffer在研究中发现，学生对于电流概念的理解会受到“流”的影响，学生认为越靠近电源正极的元件其流过的电流越大，位于后方的元件得到的电流是前面元件用完剩下的，灯泡和其他的用电器，是让电流“流进”并将电流消耗的终端设备，而并不只是让电流“流过”。
在我们所做的测试中发现，很多学生由于直观感觉带来的错误、或知识迁移的负效应、或语言带来的曲解、或不正确的课外渠道，形成了较为广泛的错误前概念。例如，铁比棉花重；冬天室外的铁块比木块温度低；车不拉就不走等等；看到电阻的定义式
，理所当然地认为电阻的大小与电压成正比，与电流成反比；“裂变”就是把整体分为部分，因此把一些放射性元素的衰变也都归为裂变；重量、重力和质量三者不分；路程和距离互相混淆；将电容器概念与描述电容器容纳电荷本领的电容不分等等。其他的许多研究也证明了物理前概念广泛存在于学生的头脑中。
二、前概念顽固的存在于学生头脑中，传统教学很难改变学生的错误前概念
Clement（1982）通过研究发现，在接受了一个学期的基础力学课程学习后，学生的错误率也只从教学前的88%降到了75%；Thomton和Sokoloff（1990）对240名俄勒冈州大学物理专业的学生进行了教学后测试，其正确率仍不超过20%。Hestenes、Wells等（1992）对传统讲座式教学方式下的1500多名中学生以及500多名大学生进行了FCI测试，发现学生教学前后测试的FCI分数提高并不明显，同时还发现物理前概念的转变与学生的数学基础没有明显相关性，所在测试班级教师水平（达到合格以上）与测试的结果也没有必然的联系.
由于前科学概念是学生长期生活经验对现象的反映在头脑中的积累而形成的，且长期的日常生活经验与观察又反复加强了这些概念，因此前科学概念在学生头脑中印象深刻，可谓根深蒂固。国内外物理教育界近年来的一些研究表明：一旦学生对某些物理现象形成了前概念，要想加以转变是极其困难的。例如，物理学中的“惯性”概念就是如此。如果让学生叙述惯性的概念时，他们往往能“倒背如流”，而让学生运用惯性去解释一些问题时，又往往用他们的前概念的经验去解释。因为在有些学生的经验中，早已有了与亚里士多德“力是维持运动的原因”的理论相类似的概念（观念）。在物理教学中，那种认为只需要“正面”传授知识，学生就能接受，如果他们仍不理解，可以多讲几遍，就能达到目的的观点，实践证明是过于简单化、理想化了。
三、前概念隐藏于学生头脑中，同一种错误认识反复出现
前概念的反复性表现在：学生经过学习理解了一些物理概念，过了一段时间后再遇到类似的问题时，受到先前错误的影响又会对该概念产生糊涂的认识。前概念的反复性和其顽固性密切相关。
Goldberg和Bendall（1995）认为：“传统教学中，学生都把记忆性的、以公式为中心的问题解决方法作为学习物理的正统工具，缺少面对陌生环境利用所学的概念和定律进行推理的能力，因为他们的知识只是由零散的、少量的事实和公式组成，当遇到陌生的环境时，学生外显的还是他们的前概念”。因此为了防止死记硬背，最好的预防措施就是教没有数学的物理，至少在教学的初期应该这样做。
拥有前概念的学生，尤其是拥有错误前概念的学生，他们看到的只是弹簧、绳子、斜面、滑车等问题中的实物，而不能像物理学家那样看到问题背后的物理概念。错误前概念的存在使得学生听不懂物理课，从而导致他们强行记忆一些没有关联的片段，做着没有意义的作业，所以很多学生有厌学情绪。
我们认为：前概念的形成是无意识的，且在一般的情况下，学生使用前概念可以让他们觉得满意地解决了一些问题，不易引起学生发现它们的不足及不满，这就给前概念转变带来困难，导致前概念与科学概念并存或者根本没有进行转变。常规教学未能充分认识到学生学习概念的困难。在教学中，教师简单地把概念引入，然后就直接讲例题，练习，没有考虑学生对这些概念是怎样理解，有些错误概念，学生在结束课程时和刚刚接触该课程时没有什么区别。他们仍然具有刚开始的那些前概念和错误概念；仍然运用以公式为中心解决问题的策略。通过大量的习题训练学生学习物理，会使相当一部分学生习惯用记忆的办法而不是理解来学习物理知识，很多学生是凭经验去解决问题而不是凭思考、概念推理，造成学生应变能力是有限的，难以面对各种新的复杂问题。为什么有些题目一而再，再而三地讲、练，学生总是记不住，常常是一讲就会，一考就错？这是许多物理教师为之困惑的原因所在。
四、转变错误前概念，构建科学概念的策略
瑞士心理学家皮亚杰的认知发展理论认为：人的心理发展是通过其认知结构的发展而实现的。而图式是指个体对世界的知觉、理解和思考的方式，是认知结构的起点和核心，或者说是人类认识事物的基础。图式的形成和发展是认知发展的实质。当个体面临新的刺激时，总是试图先把它纳入头脑中原有的图式之中，以引起个体原有认知结构量的变化，这个过程叫同化。如果个体头脑中已有的图式不能同化新刺激时，他必须修改原有图式或者重建新的图式，以容纳新刺激，这个过程叫顺应。
由皮亚杰的认知发展理论不难看出：同化是引起认知结构的量的变化，而顺应是引起认知结构的质的变化，可见顺应的难度远远大于同化。因此，学生面临新知识、新问题时，总是试图采用同化的方式去学习、理解它。无法同化时，他们才试图采用顺应的方式。若学生不理解新知识在头脑中与已有认知结构有着本质的不同，他们很可能采取了与新知识不相符的头脑中已有的认知图式去同化。这就是常说的前概念影响了学生的解题心智。
上述的前概念的特点和皮亚杰的认知发展理论，给物理教学以重要启示，也为我们转变学生的错误的前概念提供了可操作性的策略依据。
1.进行教学前测，了解学生的错误前概念
对于前概念及其转变的研究来说，诊断学生的错误前概念就显得非常重要。教师在教授新知识之前，应采用诊断性的测试方式，如谈话法、问卷调查法，了解学生的原认知结构。这样，一方面通过教学前测，能激活学生的经验图式，让它从隐蔽之处呈现出来；另一方面，进行教学前测并及时反馈，能够有效地激发学生的学习动机，这样学生就可以根据自己原有的认知结构进行同化和顺应新概念的学习。如热现象是学生比较常见的物理现象，学生对热现象有很多自己的想法，教师在新授内能知识时，可采用谈话的方法，了解学生脑中的前概念。教师可以向学生提出这样一个问题：“温度高的物体热量就多？”通过学生的回答，教师就能知道学生对于温度、热量以及内能概念的错误前认知，以采用恰当的教学方法，转变学生对热现象认识的错误前概念。
2.创设教学情景，形成正确的科学概念
让学生在与实际情况相类似的教学情境中修正错误想法是帮助他们获得科学概念的最佳途径。学生头脑中的前概念大多是在生活的具体情境中建立起来的，用他们获得前概念的真实问题作为实例，会产生真实感和亲切感。通过创设教学情境，让学生根据自己的理解，预测实验或问题的结果；让他们用自己的前概念对现象进行解释，并为自己的前概念进行辩护，从而使思维结构发生冲突，并强烈意识到前概念的存在；教师在适当时机进行参与，并步步引导他们用正确的物理概念来解释问题。如对正压力的理解，有部分学生认为压力是由重力引起的，而且重力越大，压力也越大。针对这种错误的前认知，教师可创设教学情景，使一木块分别静止于水平面上、斜面上和竖直墙壁上，学生通过比较3种不同情形下压力的不同，得出：压力与重力并不存在对应关系，只有静止在水平面上的物体，压力的大小才等于重力的大小，形成压力的科学概念。
3.引发认知冲突，转变学生错误的前概念
国内外研究表明，对当前概念的不满意是产生概念转变学习的关键因素，一旦引发这种认知冲突，就会引起学生认知心理的不平衡，就能激起学生的求知欲和好奇心，使学生产生解决这种认知冲突获得心理平衡的动机。因此，引发认知冲突是转变学生错误前概念的有效策略。如在位移概念的教学中，针对学生在学习位移概念前，不但已经有了距离和路程来描述物体位置移动的经验，而且根深蒂固的事实，首先提出在研究物体运动的过程中，需要描述物体从位置A到位置B的移动问题，并让学生充分利用他们已知、熟悉的描述方法——“距离”和“路程”发表见解，讨论这些方法对正确描述位置移动存在的不足。从而引发学生用“距离”和“路程”已经无法科学完整表达位置移动这一新问题的矛盾冲突。再在讨论的基础上，总结出描述物体位置移动应该包括“表示末位置相对于初位置的距离和方向”这样两个要素。然后引出“位移”概念，使学生实现从“路程”概念到科学的“位移”概念之间的自然转变。
4.开展合作学习，使隐蔽的错误前概念显露出来
合作学习可以克服个体知觉系统的局限性。通过学生与学生之间合作、交流与讨论，使他们超越自己原来狭隘的认识，了解彼此的见解，了解那些不同观点的基础。而且，在合作学习中，每个学生都是积极的参与者，在自由平等、相互信任的气氛中最适宜表达各种荒诞的观念，这些荒诞的观念有些是自相矛盾的，在激烈的争论和积极的思考中，常常会促使他们认识到自己原有认识的片面性和不合理之处并萌发一些新的猜想，这些猜想往往已经走近真理的边缘。此时，教师也可以作为合作学习的一分子参与讨论。当积极的学习发生时，教师参与讨论的效果远远大于直接提供正确答案。
我们在教学中尝试了“卡片”教学策略。首先，把与所讲授概念有关的选择题写在黑板上，这些问题的不同选项可以引起学生的讨论；然后，学生参与小组讨论，有时一个小组会挑战另一个小组的结论；再次，在思考和讨论之后，学生被要求高举写上答案的“卡片”，答案可以写不知道、不确定，从而鼓励所有学生积极参与；最后，教师针对学生“卡片”中所表现出来的前概念进行科学概念的讲解。测试结果表明，这种方案可以解决传统教学中草率对待重要概念的问题，从而让学生更好地理解概念，很好地转变了学生的错误前概念。
5.探究与体验是转变错误前概念的重要途径
概念的形成和发展过程对于每个学生来说都是不一样的，因此在教学过程中要尽可能地让每个学生依据自己独特的发展方式进行科学概念的学习。探究式教学为每个学生提供了通过各种途径形成概念的条件，满足了每个学生自主学习、探究问题的天性。学生可以从所要探究的概念出发，通过阅读课本或查阅有关资料或与同学老师之间的相互交流，收集有关的材料，并通过自己对材料的分析提出主观的猜想并亲自动手设计实验来进行验证。在探究中，通过丰富的体验和感悟逐步纠正一些错误的观念和看法，为获得科学概念提供有力的心理支柱。如物质的密度，学生中有很多隐藏在头脑中的混乱想法：质量大密度大、体积大密度大，硬度大密度大等等。只有通过学生的亲身体验和探究，学生才较容易的获得科学概念，从而纠正错误的前概念，且不易反复。
多媒体技术和教育资源的整合，作为一种新的教学工具，主要作用是让学生在第一时间得到实验数据并进行处理和分析，建立物理图景，促进学生的认知冲突。在转变学生错误的前概念，构建正确的科学概念方面发挥出越来越重要的作用。
总之，对于物理前概念，我们不能持全盘否定的态度，必须一分为二的观点来分析对待这个问题。若在物理概念教学中对前概念关注不够，最终必将影响教学的有效性。在物理教学中，转变学生的错误前概念，就是要改造和重组学生原有的知识结构，通过教学前测、开展合作学习，挖掘学生头脑中隐藏的错误物理前概念，再运用创设教学情景、引发认知冲突、探究与体验、多媒体技术等多种教学策略和手段，转变学生的错误前概念。因此，在物理教学中，教师要从学生的实际出发，从概念本身的特点出发，注意物理概念间的内要联系，帮助学生形成概念体系，不断改进教法，实现概念教学的突破。