中学力学两类前概念转变的教学尝试2例
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）6-0008-4
前概念广泛地存在于每个人的思维中，美国著名心理学家奥苏泊尔说：“影响学生最重要的因素是学生已经知道什么，我们应当根据学生前概念的状况进行教学。”[1]做学生前概念的调查揭示及转变策略的探索研究是很有必要的。本文选取中学力学中两个具有代表性的前概念，尝试将前概念理论运用于中学物理教学，提出调查诊断及教学的策略，探索物理前概念转变的有效途径。
1 前概念概述
1.1 前概念的界定、分类及特点
1）界定
前概念是前科学概念的简称，是指个体在没有接受正式的科学概念之前，通过长期的经验积累与辨别式学习而形成的对事物的非本质认识[2]。前概念的“前”，不仅指此观念是在学生学习系统物理知识之前形成的，也指学习后仍存在于学生头脑中的不正式、不准确、不合理的思维方式。前概念的“概念”，也不仅指常说的对某一事物现象的定义，还可以是在物理学领域的某种规律、某一原理，或者思维方式、逻辑习惯等。
2）分类
要想以前概念为出发点，提高教学有效性，就必须分清教学工作中哪些是拦路虎，哪些是推动器。前概念中与科学概念相矛盾的、对学生科学概念和严谨思维的建立造成不利影响的部分，称之为“相异前概念”，它们是教学的拦路虎；前概念中，有科学概念的雏形，对教师教学产生有利影响的部分，称之为“朴素前概念”，他们是教学的推进器。故此，对于前概念的教学处理不能一概而论，要做一分为二的辨证处理，因势利导，趋利避害。恰当的教学策略应该是对“相异前概念”采取暴露、转化，进而重构，而对“朴素前概念”，则进行顺化、补充、完善。
3）特点
物理前概念的5个特点：①普遍性，即每个中学生在学习物理前都积累了丰富的生活常识和日常经验，其中包括广泛的物理前概念；②直观性，即中学生对于摸得着、看得见、宏观的、日常生活中经常接触到的事物形成了较多的物理前概念；③顽固性，即物理前概念是中学生长期经验积累的结果，在他们脑海中印象深刻；④层次性，即每个中学生的知识背景和日常经验不同，对同一物理概念有不同层次的前概念。⑤反复性，即如果学生没真正理解和接受科学概念，一段时间后仍会用原有思维模式解决问题，反复出错、无法根除。
1.2 前概念的成因及转变
1）主要成因
知己知彼，方能百战不殆。要获知前概念转变的教学策略，就必须了解学生的原有认知结构、思维方式和经验系统从何而来。前概念的主要来源是，学生在学习科学概念前从日常生活经验中获得的对物理现象的理解和认知。另一种来源是，学生接触到此科学概念之前，学习过其他领域的类似概念，在此基础上进行一定的类比推理、主观联想，形成了自己的认知观念。
2）概念转变
概念转变是指个体原有的某种认知经验由于受到与此不一致的新经验的影响而发生重大转变[3]。一直以来，许多中学物理教育工作者以认知心理学的理论为基础，提出了一系列前概念的诊断方法和概念转变的教学策略。
①诊断方法
要完成新旧认知和经验的转变，对原有经验进行提升或重构，教学中首先进行的应该是“诊断”，通过诊断揭露出学生头脑中已有的认知结构、思维方式、经验来源，其次才是“治疗”[4]。中学常用的前概念诊断方式有问卷调查、访谈研究、二段式诊断测试、制作概念图等。
②转变策略
概念转变过程是认知冲突发生并得以解决的过程。在诊断后，教学程序可以是：首先，针对不同类型的前概念采用不同的教学策略，尝试创设物理情景，使学生对自身已有认知结构中的不足部分产生怀疑和不满。其次，配合教师的实验演示、探究和分析，学生进行小组合作讨论、交流与分享，以及教师进行引导、总结。最后，师生共同进行对比、分析，得出科学概念。如此，可以使学生的原有认知和经验有所增长或发生改变，实现概念转变。许多已有研究成果中的策略方法是值得借鉴和参考的。如：Savander-Ranne和Kolari提出的基于概念转变的PDEODE教学策略（Predict-Discuss-Explain-Observe-Discuss-Explain策略）[5]，周中森提出的前概念对话式反思教学策略[6]。
2 两个前概念转变的教学尝试
下面，选择中学力学中两个具有代表性的前概念作为研究对象：一为“重的物体比轻的物体下落得快”，属“相异前概念”；一为“重的物体保持匀速运动更困难”，属“朴素前概念”，以前概念理论为依据，进行前概念的调查诊断及概念转变教学策略的教学尝试。
2.1 “相异前概念”的教学尝试
1）“重的物体比轻的物体下落得快”的前概念诊断
教学过程中，笔者发现部分学生虽已学过自由落体运动，但在日常生活的理解、交流中仍有“重的物体比轻的物体下落得快”的想法。调查分析揭示，许多教师在概念教学中，是以口头阐述或强压、硬塞给学生新概念，而不是以在根除其头脑中根深蒂固的错误观念的基础上构建新概念的方式进行教学，这是导致学生出现这种“看似理解，一用就错”的情况的重要原因。
针对“重的物体比轻的物体下落得快”这一前概念，由于在做初步诊断时发现许多学生都存在此类错误观念，且学生反映出的问题较多。所以，笔者选取昆明某中学高一年级12个班，并在每班随机抽取10人共计120人，在学生未学习《自由落体运动》一节内容之前，进行问卷调查（见附录“关于‘重的物体比轻的物体下落得快’的问卷”），以完成对这一前概念的诊断调查。调查数据统计如表1。 “关于‘重的物体比轻的物体下落得快’的问卷”，通过贴近生活的一些问题的设置，把学生隐藏在大脑深处未根除的“相异前概念”暴露了出来。由表1可见，在学生头脑中，“重的物体比轻的物体下落得快”的前概念根深蒂固，而且对“同质量的物体在不同空气阻力下”和“不同质量的物体在无空气阻力下”的下落情况的认识也模糊不清。学生关于自由落体运动的“相异前概念”来自哪里？针对这一问题，笔者选择前面被调查学生中的部分学生，采用谈话的方式，就自由落体运动的“相异前概念”的形成原因和依据作了进一步调查，并观察各组员表达观点的方式，分析各组员表达的观点。调查表明，学生头脑中“相异前概念”的形成，更多是受日常生活经验的影响。
2）“重的物体比轻的物体下落得快”的概念转变策略
经过诊断环节，教师对学生的“相异前概念”已有一定了解，接下来的环节中教师可以采用创设物理情境，通过演示探究实验的方法，来突显出已有认知与物理事实的冲突，以激起学生对已有知识经验的怀疑与不满，主动意识到引入新概念的必要性。
为纠正学生这一错误的前概念，笔者采用PDEODE策略来设计相关教学，具体做法如下：
【预测环节】描述如下实验情景并要求学生记录预测结果。
①一张纸片和一个与纸片同质量的纸团同时从同一高度静止释放，哪个先着地？
②一个纸团和一个质量更大的纸片同时从同一高度静止释放，哪个先着地？
③一枚硬币和几枚粘合在一起的硬币同时从同一高度静止释放，哪个先着地？
④在真空状态下的牛顿管中，金属块和羽毛哪个下落得更快？
学生的预测：
①纸片和纸团同时着地。
②质量更大的纸片先着地。
③粘合在一起的硬币先着地。
④金属块下落得更快。
【讨论环节】让学生在各自的小组中（3～4人）讨论和分享彼此做出预测的理由，然后通过讨论和协商来对实验情景形成组内统一的预测，为之后的解释环节作准备。
【解释环节】让各小组内部在针对实验情景达成共识之后。通过全班讨论的形式向其他小组公布自己的预测结果，并在讨论中参考他人的见解和反思自己的观点。
【观察环节】经过以上环节学生很渴望知道自己的预测是否正确，教师要充分把握学生的积极性，对预测环节中的实验情景“④”涉及的真空管实验进行演示。引导同学进行与目标概念相关的观察：不仅要观察实验现象，也要注意观察老师的操作步骤和顺序，准确判断金属块和羽毛的下落情况，并做好记录。
实验：教师完成真空管实验后，实验结果与学生预测出现极大反差。此时，认知冲突将激励同学们迫切地找出原因，接着让学生分组进行实验情景“①”“②”“③”的实验，教师给予适当的提示。实验结果如下：
①纸团先着地。
②纸团先着地。
③硬币和粘合在一起的硬币几乎同时着地。
④金属块和羽毛下落得一样快。
【讨论环节】教师抓住时机引导学生通过组内讨论的方式，对比分析实验结果与预测不一致的原因，试图寻找新概念。
【解释环节】最终，教师只需给予学生关于“空气阻力”问题的适当提示，学生即会豁然开朗，此时讲述科学概念，即可实现“相异前概念”向科学概念的转变，同时保障理解效果和长时记忆。
2.2 “朴素前概念”的教学尝试
1）“重的物体保持匀速运动更困难”前概念诊断
摩擦力部分教学过程中，了解到学生对“滑动摩擦力的大小与接触面所受正压力成正比”结论较容易接受，未出现明显疑惑。是什么样的原有认知和经验使学生对与此相联系的科学概念的理解和接受更顺利呢？本次诊断因为所需研究的问题较单一、不复杂，笔者采用访谈方式，在昆明某中学高一年级学生未学习《摩擦力》一节的内容之前，与其中的10名同学进行对话式交流。
下面是笔者与其中一名同学的谈话。
教师：物体在水平面上运动，要保持其匀速运动，是否需要一个水平拉力F？
学生：当然需要。
教师：那如果是两个质量不同的物体，哪个需要的拉力更大？
学生：重的物体需要的拉力大。
教师：物体越重保持其匀速运动需要的拉力越大吗？
学生：是的，应该与物体的质量有关。
教师：具体是什么样的关系，你能用数学表达式说明吗？
学生：我想，是质量越大的需要的拉力越大。
教师：那是什么支持你的想法？
学生：应该是平常的生活经验吧。
对话式访谈诊断揭示：学生头脑中关于“滑动摩擦力大小与接触面所受正压力关系”的前概念虽也源于日常生活经验，但并没有完全与科学概念相冲突，只是不够抽象严谨，与抽象的科学概念比较而言，相对表面、感性。仅有“所需推力F与物体重力G有关”的定性认识，并没严谨到“F=μFN”的定量表达。
2）“重的物体保持匀速运动更困难”的概念转化策略
经过诊断环节，教师对学生的“朴素前概念”已有一定了解，教学时可以采用以原有认知经验为起点，进行适当同化和顺应的策略。通过适当的实验演示，创设物理模型，即可抽象提升出科学概念。
为了同化、顺应学生脑海中的“朴素前概念”，笔者作了如下的教学设计。
【观察环节】 教师进行实验演示，引导同学进行与目标概念相关的观察。
实验：取质量约200 g的带挂钩木块，置于长木板上，用弹簧测力计拉动，然后保持匀速运动，读取测力计读数，即为拉力大小，视为木块受到的摩擦力的大小。然后，逐步往木块上加50 g的砝码，分别读取读数，完成表2第三行的内容。实验过程提示学生检查并调整弹簧测力计，注意量程和分度值。（g=9.8 m/s2） 由此，同学发现拉力F与重力G间有数据上的具体联系，刺激学生找出原有认知与科学概念的差距。
【讨论环节】此环节教师利用学生熟悉的控制变量法，引导其对比分析，通过分组讨论，分享想法，找出数据比值的共同点，发现拉力F与重力G的线性关系。
【解释环节】利用二力平衡，作用力和反作用力的受力分析，明确正压力FN=G=mg。引导学生得出“滑动摩擦力的大小与接触面所受正压力的线性关系”，从而顺利地完成朴素观念“重的物体保持匀速运动更困难”向“滑动摩擦力大小与接触面所受正压力成正比”的科学概念转变，将感性认知抽象成 “F=μFN”的定量表达。
通过教学，学生基本理解“自由落体运动规律”和“滑动摩擦力大小与接触面所受正压力的关系”。但是，概念转变的教学环节不是封闭的，而是不断循环的，每次循环中对概念的理解都在不断深入[7]。在随后的教学中还将留意进一步的反馈信息，分析评价采用的策略，针对未达效果的情况再次调查诊断和修改，以求得出更完善的教学模式，让学生体会严谨地建立科学概念的过程。
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