对高中学生电磁学前概念的研究硕士学位论文.pdf

河北师范大学 硕士学位论文 对高中学生电磁学前概念的研究 姓名：侯立宾 申请学位级别：硕士 专业：学科教学物理 指导教师：孟秀兰 20080403 摘要 在正式开始学习物理之前，学生通过生产生活及其它途径( 包括之前的学习过程) ， 已经广泛地接触到各种各样与物理相关的现象和问题，形成了大量对这些现象问题的直 觉认识，这些认识统称为前概念。这些前概念有的与科学概念比较一致，有的则不太一 致，甚至也有相当一部分是完全错误的，但是由于其建立过程大多有着深厚的实践基础， 因此都具有顽固性与易复发性的特点，特别是在力学和电磁学中，由于相关经验更丰富， 前概念便也越多越牢固。这些前概念对后续科学概念的学习将会产生举足轻重的影响。 目前前概念的研究已成为国际物理教育研究的重要课题。 本文以建构主义理论为指导，对高中学生关于电磁学部分的物理前概念( 主要包括 电场、直流电路和磁场三部分) 进行了调查研究，发现学生中普遍存在的一些前概念， 验证了其普遍性与顽固性，并在已有研究的基础上，根据建构主义学习理论中概念转变 的心理过程和条件，提出有效矫正错误概念的教学策略，如诊断策略、冲突策略、直观 策略、实验策略、应用策略、概念图策略、过程性策略。然后将其应用到课堂教学活动 之中进行教学实验，对教学效果做了对比研究。研究结果表明：针对学生前概念实施教 学策略的方法，在帮助学生建立正确物理概念方面优于传统的教学方法，它不仅有助于 学生理解物理概念，而且有助于提高学生分析解决问题和进行知识迁移的能力，帮助学 生自觉体验认识物理学习的意义所在，从而变被动学为主动学，激发其学习兴趣，提高 教学质量。 关键词：建构主义电磁学前概念调查概念转变物理教学 i i i a b s t r a c t c o n t e n t ：t h es t u d e n t sh a v ea l r e a d yc o n t a c t e dw i mv a r i o u sp h y s i c a lp h e n o m e n o na n d q u e s t i o n sb e f o r es t u d y i n gt h ep h y s i c si ns c h o o l ，a n df o r m e dm a s s i v ei n t u i t i o nu n d e r s t a n d i n g a b o u tt h e s ep h e n o m e n o na n dq u e s t i o n s ，w h i c ha r ec a l l e dp r e c o n c e p t i o n s o m eo ft h e s e p r e c o n c e p t i o n sa l ec o n s i s t e n tt os c i e n t i f i cc o n c e p t i o n , s o m en o tt o oc o n s i s t e n t ，e v e nq u i t ea l o ta r ec o m p l e t e l yw r o n g h o w e v e r , b e c a u s eo fh a v i n gt h ed e e pp r a c t i c ef o u n d a t i o nd u r i n gi t s e s t a b l i s h i n g ，a l lo ft h e ma r es t u b b o r n n e s sa n dr e c u r r i n g , e s p e c i a l l yi nt h em e c h a n i c sa n dt h e e l e c t r o m a g n e t i c ，a b o u tw h i c hs t u d e n t sh a v et h em o s tp r e c o n c e p t i o nf o rh a v i n gt h em o s t e x p e r i e n c e s t h e s ep r e c o n c e p t i o n sm a yh a v et h ep i v o t a lf u n c t i o nt ot h ef o l l o w i n gs c i e n t i f i c c o n c e p ts t u d y n o wt h ep r e c o n c e p t i o nr e s e a r c h i n t e r n a t i o n a lp h y s i c a le d u c a t i o nr e s e a r c h h a sb e c o m et h ei m p o r t a n ti s s u e s i nt h e t a k i n gt h ec o n s t r u c t i v i s mt h e o r ya st h ed i r e c t i o n , ir e s e a r c h e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i c c o n d x p t s ( m a i n l yi n c l u d et h ee l e c t r i cf i e l d ，r e s i s t i v ee l e c t r i cc i r c u i t sa n dm a g n e t i cf i d d ) ，a n d f o u n dm a n yp r e c o n c e p t i o n sd u r i n gm a n ys t u d e n t s ，a n di t sp e r t i n a c i t ya n du n i v e r s a l i t yw a s p r o v e d b a s e do nt h ep r e s e n tr e s e a r c h ，a n dt h ep s y c h o l o g yp r o c e s sa n dc o n d i t i o no fc h a n g e t h a td u r i n gt h ec o n s t r u c t i v i s mt h e o r y , ii m p r o v e de f f i c i e n c yt e a c h i n gs t r a t e g i e st oc h a n g et h e i n a c c u r a c yc o n c e p t i o n ，f o ri n s t a n c e ，d i a g n o s t i cs t r a t e g y , c o n f l i c ts t r a t e g y , i n t u i t i o n i s ts t r a t e g y , e x p e r i m e n t a ls t r a t e g y , a p p l i e ds t r a t e g y , p r o c e s ss t r a t e g ya n dt h es t r a t e g yo fc o n c e p t i o nm a p t h e nia p p l i e dt h es t r a t e g i e st om y t e a c h i n g i nt h ee n d ，ic o m p a r e dt h et w ot e a c h i n ge f f e c t a sar e s u l t ，t h es t r a t e g i e st h a tii m p r o v e d ，w h i c ha i m e da tp r e c o n c e p t i o n s ，a r es u p e rt h a nt h e t r a d i t i o n s i ti sn o to n l yh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h ec o n c e p t s ，b u ta l s oh e l p f u lt oi m p r o v et h e a b i l i t yo ns o l v i n gp r o b l e m s i l i l l l ( t h em o s ti m p o r t a n ti st oh e l pt h es t u d e n t s - s e l ft ot a s t e p u r p o r to fp h y s i c s ，t h e nc h a n g et h ep a s s i v i t yt oi n i t i a t i v e ，e x p l o d ei n t e r e s t ，a n di m p r o v et h e t e a c h i n gq u a l i t y k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i v i s m e l e c t r o m a g n e t i cp r e c o n c e p t i o ni n v e s t i g a t i o n c o n c e p tc o n v e r s i o np h y s i c st e a c h i n g i v 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文对高中学生电磁学前概念的研究，是在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ：彳兵立定 7 寸昭年中月歹日 指导溯确认( 签孙鲕乏 2 蔼年戽茂考f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论 文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编学位论文。 论文作者( 签名) ：；云五素 仞蛑明歹日 指导教师( 签名) ： 靳兰 咖8 ，年夸只6 e t i i 引言 基本物理概念是物理教学的核心，但过去的概念教学并不成功，在传统教学观指导 下的灌输式教学将学生当作一张白纸，忽视学生头脑中原有的对相关物理现象和知识的 认识和理解，导致学生死记硬背科学概念，在学习完科学概念之后仍然坚持自己原有的 理解，无法运用科学知识解决实际问题，错误概念屡教不改。 随着认知科学特别是建构主义的发展，人们越来越认识到：概念的学习是学生头脑 中已有的认知结构与新的学习材料之间相互作用，将新的知识纳入自己认知结构的同化 与顺应的过程。学生都是带着对一般物理现象的强烈直觉信念开始学习物理的，这其中 大部分的信念是与科学概念不一致的，因此被称作错误概念或相异构想【l 】。这些错误概 念或相异构想，有些是在日常生活中自发产生的，有些是在教学中对概念的错误或片面 的理解。它们都会对学生学习新的概念产生负面影响，表现出顽固和不易改变的特点。 因此教师在教学过程中要深入了解学生头脑中已有的前概念，在此基础上采取有针对性 的教学策略。 从上个世纪七十年代起，关于学生对科学概念的理解以及概念转化的研究直是国 际科学教育研究的热点。西方国家一些从事科学教学研究的学者先后针对物理教学中的 具体问题，采用科学的研究方法，对学生的前概念进行了大量的调查研究，涉及到从小 学低年级到大学高年级的全部物理学习阶段，取得了丰富的第一手资料和研究成果，并 直接促进了物理教学改革。而我国在这方面的研究起步较晚，对学生概念的调查还比较 零散、不够全面和深刻，多集中在理论探究和经验总结介绍上，缺乏就某一问题( 课题) 的深入研究。特别是电磁学的研究就更少，且多集中于电路部分。国外大量的研究成果 还没有实现本土化，不能有效地为我国的物理教育所用。因此，需要在借鉴国外研究成 果的基础上，做大量深入细致的工作，特别是实证研究。 鉴于此种情况，为了了解高中学生物理前概念的存在情况及其产生原因，进而设计 有针对性的教学策略，为中学物理课堂教学中的概念学习提供一些思路和方法，提升课 堂教学的效率。本研究以建构主义及概念转变理论为指导，首先借鉴了d a v i d 等人设计 的电磁场概念调查问卷( c s e m ) 和p a u l av e t t e re n g e l h a r d t 等人开发的直流电路概念调 查问卷( d i r e c t l o ) ，对高中学生在学习电磁学部分( 主要包括电场、直流电路和磁 场三部分) 过程中表现出的前概念进行了问卷调查，通过研究证实了前概念的普遍性和 顽固性。然后针对发现的错误概念进行分析，寻找其产生的原因和对新概念学习的影响。 最后在已有研究的基础上，针对学生表现出的典型前概念设计了教学策略，并将其应用 到课堂教学之中，进行教学实践，对教学效果做了对比研究。研究表明针对学生前概念 设计和实施教学是促进学生概念转化和提升课堂效率的有效途径。 2 1 问题提出与文献综述 1 1问题的提出 基本物理概念是物理学习的核心。物理概念掌握不好，会直接影响物理规律的掌握， 并进而影响学生整个物理课程的学习。因此，形成概念和掌握规律是物理教育的中心任 务之一。在物理教学中，使学生形成牢固和正确的物理概念，具有特别重要的意义。在 物理教学中，重视学生对基本物理概念的理解，这已成为世界范围物理教师和研究者的 共识。 但是，我们以前的概念教学并不成功。实际教学中，学生常常出现“错误概念屡教 不改“ 、“迅速遗忘科学概念“ 和“不能有效运用所学科学知识解决日常生活与生产中所 遇问题”的现象，其原因就在于科学概念并没有内化到学生自己的认知结构之中。苏霍 姆林斯基曾说过：“道德准则，只有当它们被学生自己去追求获得和亲身体验过的时候， 只有当它们变成学生独立的个人信念的时候，才能真正成为学生的精神财富【2 1 。而知识 的学习又何尝不是这样，在没有形成自觉认识之前，科学概念对学生是没有意义的。 在传统教学观指导下的教学设计只关注科学知识本身，把学生当作一张白纸，教学 的目的只是将课本上的知识灌输给学生，忽视学生头脑中原有的对相关物理知识的认 识。结果是学生在死记硬背科学概念应付考试的同时，仍然坚持自己原有的想法和观念。 实际上，学生在正式学习物理之前，在日常生活中积累了不少与物理有关的感性经 验，对事物的物理属性有了一定的认识，形成了一定的观念，这些观念就属于前概念。 前概念在学生中广泛存在着，特别是现代科技同益普及，使学生更加广泛地接触到与物 理有关的现象和事物。例如，微波对于以前的大部分学生可以说是天书名词，闻所未闻， 但是现在微波炉却已走进了各个超市及用户家庭之中。 前概念所具有的顽固性对学生新概念的建立有何影响，学生都普遍存有哪些前概 念，如何针对学生的前概念设计、实施教学策略，实现概念的转变? 本文将就这些问题 进行探讨。 1 2 文献综述 1 2 1 概念界定 在有关概念及概念转变的文献中，研究者使用了很多不同的名词，其中比较常用的 有“前概念( p r e c o n c e p t i o n ) ”、“错误概念( m i s c o n c e p t i o n ) “ 、“相异构想( a l t e r n a t i v e f r a m e w o r k ) ”、“概念框架( c o n c e p t i o nf r a m e w o r k ) ”等，下面对它们进行一些说明。 “前概念有很多种称谓，前苏联心理学家维果斯基把它称为“同常概念“ 、“自发 概念“ 。【3 】它是指“未经专门教学，在同其他人进行日常交际和积累个人经验的过程中掌 握的概念”f 4 】。 “教学前概念“ 是指“在进行教学之前学生就已持有的概念”【5 】o 杜伊特 r d u i t t 6 】 将其划分为错误概念和前概念两部分。同时，他认为错误概念是指“学生在以前的正式 学习中形成的错误理解”，其中前概念的含义与前面的相同。 “相异构想”是指学生头脑中存在的与科学知识或认识不一致的个人前概念。它是 由德瑞弗和依斯利( d f i v e r & e a s l e y ) 【_ 7 】提出来的，当时他们把儿童围绕“前概念” 建立起来的一种特有的知识结构称为“相异构想”，北京师范大学的王磊【8 】老师则将它解 释为“与科学概念不一致的理解”。 “概念框架”是指学生对自然现象的认识，通常并不是个别的孤立的概念，而是大 都能形成一种结构并且在自然中得到拓展。现有研究的成果充分地支持了这一观点，学 生的概念通常并不是“模糊“ 观点的集合，而是非常清晰的，尽管从科学角度来看他们 的认识范围十分有限【9 】。从上面分析说明中我们可以看出，虽然这些概念的称谓有所不 同，但其基本涵义是一致的，都是指学生对某一科学概念的解释与教材内容不完全相同 或不相同。 本研究旨在探查高中学生在电磁学方面存在的某些错误前概念( 尽管也有人认为前 概念不一定都是错误的，但本研究更注重的是其中错误的或不全面的部分对学生学习的 影响及教师相应的教学策略，虽然学生前概念中所包含的科学成分也会对学习有一定的 影响，但不在本文的研究范围之内) 。所以，在本文中使用的前概念主要指：学生在接 受物理教育之前或在物理学习过程中，通过自己的观察、体会形成的对各种物理现象、 物理过程和物理概念的理解和认识，这些认识和理解大多是非本质的、不全面的、有别 于目前科学家所公认的想法，甚至是错误的想法，亦即“前科学概念。特别说明的是， 本文中提到的“概念”指的是广义的物理概念，也包括对某一事物或现象的看法和观点。 1 2 2 国内外有关前概念及其教学对策研究的概况 ( 一) 国外研究概况 最早提出前概念研究的是美国的霍尔( s t a n l e yh a l l ) ，他在1 9 0 3 年曾启动一个计划， 调查儿童对自然现象如热、霜和火的观念。1 9 4 7 年，奥克斯( o a k e s ) 又对大量有关学 生对自然现象的解释的研究进行了综述，杜伊特( d u i t ) 认为，这一综述已包括了目前 4 研究学生的科学概念领域中所讨论的许多观念。 对前概念大规模的研究始于上世纪七十年代中期，在这一时期，西方国家一些从事 科学课程教学研究的学者先后对学生的前科学知识进行了大量的调查研究，并取得了丰 富的第一手资料和研究成果，分析了学生在各个课题上的前概念。并且从这一时期开始， 学者们的研究逐渐开始多样化并注重实验数据分析。19 7 3 年d r i v e r 在作博士论文时就 采取了比较系统和细致的观察方法，详细记录了四所初中学生做实验时和课堂上的讨 论，发现学生对被动力的理解有很大的困难。 在八十年代，前概念研究迅速扩展，召开了多届有关自然科学和数学教育中学生错 误概念的国际研讨会，对前概念的研究达到了一个高峰。在这一期间，不仅研究报告多， 而且研究课题广泛，并且开始注重了前概念的原因分析和教学策略的研究。1 9 8 1 年， j c l e i i l e m 【1 0 】研究了学生对力学中力与加速度关系的认识，发现学生头脑中原有的前概念 难以改变并且与伽利略时代的哲学家们的想法相似。1 9 8 5 年，美国的h e s t e n e s 等人在 前人研究的基础上精心设计了一份力学概念理解的测试问卷一力的诊断测试 ( m e c h a n i c sd i a g n o s t i ct e s t ) ，简称m d ，并于1 9 9 2 年发表了它的改进版力的概念 测量表( f o r c ec o n c e p ti n v e n t o r y ) ，简称f c i 。该问卷由2 9 道选择题组成，分六个方面， 主要是与牛顿力学有关的概念，包括运动学、牛顿三大定律、力的叠加原理、力的种类 等。错误的选项都是从问卷调查中提炼出来的学生最常见的前概念【1 1 1 。1 9 9 8 年，国际 物理教育委员会出版了一本书名为物理教育研究与师资培训相结合的电子著作，该 著作综述了十几年来物理教育研究领域的主要研究成果，其中包括学生对力学、热学、 电学中主要概念的理解等方面的研究。2 0 0 1 年，美国的d a v i d 1 2 】等人在前人研究的基础 上设计出一份电场和磁场概念理解的调查问卷t h ec o n c e p t u a ls u r v e yo fe l e c t r i c i t y a n dm a g n e t i s m ，简称c s e m 。该调查问卷由3 2 个选择题组成，主要包括电荷在导体和 绝缘体上的分布、库仑定律、电荷的受力、电场线的涵义、等势面与场强之间的关系等 方面的内容。该问卷历经四年的修订过程，在美国，有3 0 所学校的5 0 0 0 多名学生参与 了测试，最后研究者对每个知识点给予讨论和分析，并提出了相应的教学建议。 h e s t e n e s 等人的研究表明：“传统教学对改变学生头脑中错误概念的贡献是微乎其 微的【1 3 p 。这就使得教育工作者们不得不重新审视传统的教学方式。许多人在此之前对 自己的教学都是感到很满意的。随着时间的推移，越来越多的人加入到研究中来。到目 前，大约有几百个班的几万名学生接受了m d 或f c i 测试。另外，针对电磁学、光学、 热学等物理学导论课程中其它内容的相似研究也相继展开。随着研究的深入，越来越多 的人认识到传统教学的弊端，那就是不顾概念的理解，只顾解题。这使得许多学生把学 习时的精力主要集中在解题策略或诀窍上，而没有认真理解物理概念的本质。 1 9 9 2 年以来，由h e s t e n e s 测试引起的研究工作仍在继续深入。在此研究成果的支 持下，人们开始革新教学策略，设计、提出了许多教学方法方面的改革倡议，目的是促 进学生积极主动地理解基本概念。比较引人注意的是1 9 9 1 年哈佛大学的e m a z u r 教授 提出的一种课堂“激活式“ 的教学方法( i n t e r a c t i v e e n g a g e m e n tm e t h o d ) ，简称i e 。 这种方式主要是为了增加课堂中学生的参与，激励学生主动思维的能动精神。最近 一项对i e 方法与传统教学方法教学效果比较的研究报告表明：i e 方式确实比传统教学 方法优越，它不仅有利于学生对基本物理概念的理解，而且有利于学生实际解决问题能 力的提高。 另外，还有英国l e e d s 大学学生科学学习研究组建立在“学习就是概念发展或转变” 这一观点上的两套主要教学策略1 4 1 。 第一套是以s t a v y 和b e r k o u i t z ( 1 9 8 0 ) 、c h a m p a g n e 、g u n s t o n e 和k l o p f e r ( 1 9 8 5 ) 、 r o w d l 和d a w s o n ( 1 9 8 5 ) 、n u s s b a u m 和n o v i c k ( 1 9 8 2 ) 等人提出的以认识冲突和冲突 解决为基础的策略。这一策略来自皮亚杰的观点。这种教学策略把学生的认识记录下来， 使学生意识到他们认识上存在的矛盾。选择平均年龄在1 0 岁的学生做实验，试验表明： 这种冲突教学法提高了学生对物理概念的理解。 第二套是以c l e m e n t ( 1 9 8 7 ) 、n i c d d e r e r ( 1 9 8 7 ) 提出并验证了的以学习者原有的认 识为基础扩展到新教学领域的教学策略( 例如可以通过引桥性例子比喻分析) 。第二套 教学策略是建立在学生现有的知识基础上的，随后的教与学都在学生这些现有的想法的 基础上向科学认识发展和拓宽。 这两套策略分别强调了促进学习者概念转变的责任因素的不同方面。强调学习者积 极进行知识的重组是学习的核心。教师要采用适当的教学设计为学生提供“脚手架”， 引导学生的新思路。 ( 二) 国内研究概况 国内有关前概念的研究起步较晚，但是近年来有关学生前概念的研究越来越引起了 大批物理教育工作者的关切和投入。相关研究主要有以下几个方面：1 9 9 3 年，广西师范 大学物理系的郭平生等对1 1 8 名物理系大一学生和3 0 名化学系大一学生在力学方面存 在的前概念进行了调查研究，得出了不同于科学概念的1 3 个力学概念点，并提出了相 应的教学转变策叫1 5 】。1 9 9 4 年郭平生等又对大学生有关光学的前概念进行了研究，总 6 结出了1 2 种常见的前概念，并对教材的改革提出了建议。1 9 9 9 年河北师范大学的孟秀 兰、鲁增贤老师对中美两国中学生在物理电路部分存在的典型错误概念进行了研究，并 比较了中美两国学生在相同知识点上存在错误概念的异同【1 6 】。2 0 0 0 年，华南师范大学 黄敏兴利用自编的测试卷对广州两所中学的9 4 名学生( 其中高二6 3 人，初三3 1 人) 进行了有关磁场前概念的调查研究，得出了学生在磁场方面存在的前概念主要表现形式 并分析了其产生原因【1 7 】。2 0 0 2 年杜军义对高中学生在学习摩擦力、惯性、分子热运动、 电流、路端电压、光、自感、人造卫星、力矩等方面进行了研究，揭示了学生形成各种 相异构想的原因，明确了学生学习相关知识存在的困难，并提出了相应的教学策略【l 引。 2 0 0 4 年华中师范大学的李晶晶和候丽梅结合功的概念对中国、美国和英国三国教材中概 念教学的方式进行了比较【l9 1 。2 0 0 4 年沈金林利用自己编制的问卷对高中学生有关分子 动理论的前概念进行了调查研究，总结出了典型的前概念，并通过与学生的访谈总结出 了学生产生前概念的原因【2 。 近年来，国内很多高校的研究生也加入到了有关前概念的研究行列，其中在湖南师 范大学罗维治、黄生训教授的指导下，2 0 0 1 年杨进琼【2 3 】对中学生有关力学部分存在的 前概念进行了研究；在苏州大学吴永熙教授的指导下，2 0 0 2 年王明怡【2 2 】对学生力学概 念建构的现状与影响因素进行了分析研究；在广西师范大学罗星凯教授的指导下，杨小 红( 2 0 0 3 ) 、罗运文( 2 0 0 3 ) 、吴娴( 2 0 0 3 ) 、罗海军( 2 0 0 4 ) 、朱喜香( 2 0 0 5 ) 等分别对 沉浮现象、分子运动论、电学概念、几何光学中的某些概念、热胀冷缩现象、密度概念 的发展及其影响因素等进行了深入的研究；在首都师范大学邢红军教授的指导下，2 0 0 5 年高学掣2 1 1 对高中力学方面存在的前概念进行了研究；在曲阜师范大学陈万平教授的指 导下，2 0 0 5 年范应元对高中学生在几何光学方面存在的前概念及教学转变策略进行了深 入研究。另外，南京师大刘炳升教授( 2 0 0 1 ) 、北京师大郭玉英教授( 1 9 9 9 ) 等也都从 不同角度对有关前概念问题进行过深入研究。 ( 三) 已有研究的不足及本研究的意义 从国内外已有的有关前概念的研究中可以看出： ( 1 ) 近2 0 年来，已经有很多关于学生物理前概念的研究，特别是国外相关的研究 已经比较全面和系统。但是，我国研究者对学生概念的调查还比较零散、不够全面和深 刻，且多集中在理论探究和经验总结介绍上，缺乏就某一问题( 课题) 的深入研究。国 外大量的研究成果还没有实现本土化，不能为我国的物理教育所用。 ( 2 ) 对于电磁学概念的研究，大部分集中于对简单电路部分，涉及到场和电磁感 7 应的相关概念较少，不能满足现在课程改革的迫切需要。 在本文中，我们将比较系统地研究学生的电磁学概念发展情况。从研究内容看，包 括对直流电路、电场、磁场相关概念的研究，对概念间联系的研究，对影响学生概念发 展的相关因素的实证研究，并在此基础上针对电磁学教学提出一些建议。从研究方法上 看，除了采用问卷调查法，还采用了访谈法来研究影响学生概念发展的因素。综合使用 各种方法可以帮助我们更加全面、深刻地了解学生概念发展的真实情况，为物理教学改 革提供更有价值的参考资料。 2 理论基础 目前，在教育心理学中正在发生着一场革命，它正在以一种新的观念来理解学习和 教学，这就是建构主义理论。本文将以现代建构主义理论及奥苏伯尔的有意义接受学习 理论为依据，对中学生前概念及教学策略的研究进行探讨。 2 1建构主义教育理论 人类对学习和教学的认识经历了从传统的行为主义到认知主义，再到建构主义的发 展过程。行为主义于二十世纪初起源于美国，以华生为主要代表。认为学习就是通过强 化建立刺激与反应之间的联结，无视学生在学习过程中的理解与心理过程。认知主义是 以二十世纪中叶兴起的信息加工论为典型，它认为学习就是信息的输入、编码、存储和 提取，反对行为主义忽略内部认知过程的做法。 建构主义是认知主义的进一步发展，在皮亚杰和布鲁纳的早期思想中已经具有了建 构的思想。但相对而言，他们的认知学习观主要在于解释如何使客观的知识结构通过个 体与环境的交互作用而内化为个体的认知结构。七十年代末，以布鲁纳为首的美国教育 心理学家将前苏联教育心理学家维果斯基的思想( 特别是“最近发展区“ 思想) 介绍到 美国后，对建构主义思想的发展起了极大的推动作用。八十年代以后，建构主义在教育 领域逐渐流行起来，当代建构主义的代表人物是美国的心理学家维特洛克( m c w i t t r o c k ) 。 2 1 1 建构主义的知识观 建构主义认为，知识是个人经验的合理化，而不是说明世界的真理。科学知识包含 真理性，但不是绝对的、唯一的。知识并不是精确的概括世界的法则，而是学习者主体 针对具体情景再创造的产物。知识不可能以实体的形式存在于具体的个体之外。尽管我 们通过语言符号给知识赋予了一定的外在形式，甚至还得到了较普遍的认可，但由于学 习者的经验背景不同，因而对同样命题的理解也不一定相同【2 4 1 。 2 1 2 建构主义的学习观 建构主义认为，学习活动不是教师向学生传递知识的过程，而是学生根据自己先前 的认知结构主动地、有选择地知觉外在信息，建构自己理解的过程。心理学证明，学生 在学习的过程中往往会依据自己认知结构对呈现的信息进行选择性注意【2 5 1 。因此，对于 像“电场线是电荷运动的轨迹”这样的错误观点，教师常常感觉学生会“屡教不改”， 9 其实这是我们教师的失误，我们只是考虑到教师“教”了，却没有考虑学生是否接纳了 这一信息。由于学生不具备相关方面的知识准备，或者具有相异甚至相反的认知结构， 他很可能会对这一信息拒绝注意。为了引起学生足够的注意，教师必须了解学生已有的 知识结构及情绪状态，据此设置问题的表现形式，以引起学生足够的注意，比如促发共 鸣或冲突。由此可见，学习活动应该包括四个要素，即：学生的背景知识、学生的情感、 新知识本身蕴涵的潜在意义以及新知识的组织和呈现形式。 与传统学习观相比，建构主义学习观更加强调学生先前经验的重要性；更加注重以 学习者为中心；更加注重互动的学习方式；更加尊重个人意见，认为不应以正确或错误 来区分人们不同的知识概念。 2 1 3 建构主义的教学观 从建构主义的观点来看，教学是学生在教师的指导下，利用情境、协调、会话等学 习环境要素，充分发挥主动性、积极性和创造精神，最终实现对当前所学知识的意义建 构的过程。 在建构主义的教学活动中，师生关系发生了很大的变化。学生必须通过自己主动或 互动的方式学习新知识，教师必须根植于学生的先前经验进行教学，知识建构的过程在 学生和教师身上同时发生，教师也必须随着情境的变化，改变自己的知识和教学方式以 适应学生的学习。在这个过程中，师生是一种平等的、互动的合作关系。 2 2 概念转变理论 概念转变理论是在建构主义的基础上发展起来的，它认为科学学习是儿童关于自然 现象的原有概念的发展或转变过程，而不是新信息的点滴积累过程。例如，p o s e n e r 的 同化和顺应理论认为：概念转变的机制是个体学习过程中同化( a s s i m i l a t i o n ) 、顺应 ( a c c o m m o d a t i o n ) 的认知建构过程和平衡一不平衡。新的平衡寸认知发展过程的 统一。同化( a s s i m i l a t i o n ) ，用以描述学生用已有概念处理新现象的过程，而新旧知识 并没有发生重组，学习者原有概念体系的中心概念没有发生变化；顺应 ( a c c o m m o d a t i o n ) ，用以描述学生必须替换或重新组织其中心概念的过程。这样主体通 过同化和顺应两种机制，达到与环境的平衡。概念转变理论具有以下几个特征： 2 2 1 承认学生的观点 概念转变理论，强调学生原有认识和理解方式的重要性。它认为学生的原有认识影 响着他们对教师或教材所呈现的信息的理解，学生在科学学习过程中遇到的很多困难都 来自于学生对所学现象、概念或规律的原有认识。这些原有认识主要来自于：对现象的 1 0 感觉体验、日常语言、大众传媒或以前的科学课程。其中，来自日常经验的概念，尤其 基于感觉体验的概念，通常是根深蒂固的。而且，这些原有认识往往与科学概念存在一 定的差距，甚至完全是两回事。 所有的概念转变教学策略，都给学生阐明自己观点的机会，从而明确学生观点与科 学概念之间的差异。并以此为基础选择教学的切入点来设计课程。如k r a j c i k ( 1 9 9 1 ) 所提 出的“概念改变”教学策略第一步就是学生描述自己的理解。 2 2 2 强调冲突的作用 概念转变理论认为，教学的一个基本要素是实际的或潜在的冲突。这些冲突存在于 科学理论和学生的观点之间，存在于学生现存的两种观点之间，存在于学生持有的解释 模型和不能被这种模型解释的事件之间，存在于学生的观点和其他同学的观点之间。 在教学中，有意识地利用冲突可以使这些矛盾明确化，但是以冲突为基础的策略能 否取得成功主要取决于学生认识和解决冲突的意愿和能力，除非学生本人准备建构和理 解这些观点和事件，并试图建立彼此之间的联系，认知冲突才会发生。但有些情况下， 即使面对与自己已有的经验相违背的异例，人们仍然会忽视或拒绝矛盾的存在而坚持自 己原有的观点。也有研究者( 如：g y o u n g h ol e e ) 认为，冲突策略可能会使学生失去信 心，有时甚至会从正确判断退行到错误的概念，因此要避免冲突【2 6 1 。 2 2 3 科学概念的建构 科学概念是为了理解经验而形成的个体建构。在教学过程中，可以通过头脑风暴， 最大限度地鼓励学生自己提出更可行的概念。然后，通过所有学生的讨论和试验，肯定 其中的一些观点，否定另一些观点，引导学生得出科学的概念。 科学概念也是从科学的社会团体中发展起来的一种“思维方式“ 。在教学过程中， 教师根据对学生的了解，提供一种综合的“思维方式”，并与学生讨论它的应用，这实 际上是教师将科学团体提出的概念和理论提供给学生，并讨论其意义的过程。或者通过 一个明显的“支架式”阶段，发展学生新的能力。 在知识建构过程中，要想建立某一领域的科学模型，就必须建立起这一领域的一系 列概念及其相互联系，学生构建牛顿力学体系和电学体系时情况都是如此。力学需要在 力、速度、加速度、动量、动能等概念之间建立联系，电学则需要建立电场、磁场、电 流、电压、电阻、电功率等相互联系的一些概念。在这些情况下，学生需要花费时间来 建立新的模型，在这个过程中可能( 无意识地) 试图解释原有的经验。尽管这些知识只 能一点点地建构，但这种复杂的思维方式只有作为一个整体才能被学生理解，这样就给 教学提出了一个更复杂的问题。 2 3 奥苏伯尔的有意义接受学习理论 美国著名认知教育心理学家奥苏伯尔及其合作者曾根据学习进行的方式把学习分 为接受学习和发现学习，又根据学习材料与学习者原有知识结构的关系把学习分为机械 学习和意义学习，并认为学习应尽量在具备有意义学习条件的基础上进行。在此基础上， 奥苏伯尔等人又用双维坐标形式说明了有意义学习与机械学习、接受学习与发现学习的 关系。如表1 所示： 表1 分布于有意义学习与机械学习、接受学习与发现学习之间的学习举例乜7 3 意义l 弄清概念之间的关设计良好的视听教学科学研究 学习 系 讲演或呈现教材学校实验室实验大多数常规“研究” 或智慧的“生产“ 机械 背乘法表应用公式解题尝试与错误 学习， r 迷宫问题的解决 接受学习有指导的发现学习发现学习 2 3 1 有意义学习与机械学习 所谓有意义学习是指符号所代表的新知识与学习者认知结构中已有的适当观念建 立起了非人为的和实质的联系。相反，如果学习者并未理解符号所代表的知识，只是依 据字面上的联系，记住某些符号的词句或组合，则是一种死记硬背式的机械学习。即， 要在新知识与原有认知结构中有关的观念建立起某种实质性的和合理的联系。 有意义学习的发生既受学习材料本身性质( 客观条件) 的影响，也受学习者自身因 素( 主观条件) 的影响。从客观条件来看，有意义学习的材料本身必须具有逻辑意义， 在学习者的心理上是可以理解的，是在其学习能力范围之内的。从主观条件看，首先学 习者认知结构中必须具有能够同化新知识的适当的认知结构；其次学习者必须具有积极 主动地将符号所代表的新知识与认知结构中适当的知识加以联系的倾向性。如果学习材 料本身具有逻辑意义，而学习者认知结构中又具备了适当的知识基础，那么，这种学习 材料对学习者来说就具有了潜在的意义，即学习材料有了和学习者认知结构中的适当观 念建立联系的可能性。最后，学习者必须积极主动地使这种具有潜在意义的新知识与认 知结构中的有关l e i t h 识发生相互作用，使认知结构或旧知识得到改善，使新知识获得实 1 2 际的心理意义。 2 3 2 发现学习与接受学习 发现学习是指学习的主要内容不是由教材或教师以定论的方式呈现给学习者，而必 须由学习者自己发现，并且使发现的内容成为学习者原有认知结构的一部分。相反，接 受学习是指学习的主要内容是由教材或教师以定论的方式呈现给学习者的，学习者不需 要发现，只需要接受和理解，学习者通过这种学习把新知识纳入自己原有的认知结构中， 其中贯穿着教师有计划的指导。 奥苏伯尔认为，接受学习适合于年龄较大、有较丰富的知识和经验的人。接受学习 中，所要学习的内容大多是现成的、已有定论的、科学的基础知识，包括一些抽象的概 念、命题、规则等，通过教科书或老师的讲述，用定义的方式，直接向学习者呈现。这 时不可能发现什么新知识，学习者只能接受这些已有的知识，掌握它的意义。学习者接 受新知识的心理过程表现为：首先在认知结构中找到能同化新知识的有关观念，然后找 到新知识与起到固定点作用的观念的相同点，最后找到新旧知识的不同点，使新概念与 原有概念之间有清晰的区别，并在积极的思维活动中融会贯通，使知识不断系统化。实 际上，接受学习是学习者掌握人类文化遗产及先进的科学技术知识的主要途径。在教师 的讲授和指导下，学习者可以在较短时间内掌握大量的间接知识，所获得的知识是系统 的、完整的、精确的和便于贮存和巩固的。 奥苏伯尔认为，影响接受学习的关键因素是认知结构中适当的起固定作用的观念的 可利用性。为此，他提出了“先行组织者”的教学策略。所谓“先行组织者”，是先于 学习任务本身呈现的一种引导材料，它的抽象、概括和综合水平高于学习任务，并且与 认知结构中原有的观念和新的学习任务相关联2 8 1 。其目的是为新的学习任务提供观念上 的固着点，增加新旧知识之间的可辨别性，以促进学习的迁移。 2 3 3 奥苏伯尔的认知结构迁移理论 奥苏伯尔认为任何有意义的学习都是在原有学习的基础上进行的，有意义的学习中 一定有迁移。原有认知结构的清晰性、稳定性、概括性、包容性、连贯性和可辨别性等 特性始终影响着新的学习的获得和保持。继奥苏伯尔之后，研究者对迁移进行了更为深 入的探讨，主要表现为：一种观点主张认知结构中的某些成分是决定迁移能否发生的根 本条件，强调认知结构在迁移中的作用；另一种观点强调外界环境与主体的相互作用对 迁移的影响，强调通过社会交互作用与合作学习，可以促进迁移的产生。可以说，迁移 实质上是新旧经验的整合过程。整合是新旧经验的一体化现象，即通过分析、抽象、综 1 3 合、概括等认知活动，使新旧经验相互作用，从而形成在结构上一体化、系统化，在功 能上能稳定调节活动的一个完整的心理系统。整合可以通过同化、顺应与重组实现。 一方面，使学生产生最大程度的迁移，这是有效教学的主要目标之一；另一方面， 真正有效的教学又必须依据迁移规律。教学中应充分考虑影响迁移的各种因素( 学习材 料的相似性、学生原有的认知结构、学习的心向与定势等) ，利用或创设某些条件，以 促进迁移的产生。学生迁移能力的形成有赖于教学，促进迁移的有效教学应从以下几方 面考虑：精选教材，布鲁纳强调要掌握每门学科的基本结构( 即基本原理、基本概念和 基本的典型事实材料等) ；合理编排教学内容，使教材达到结构化、一体化、网络化， 为迁移的发生提供直接的支撑；合理安排教学程序，无论是宏观的整体教学规划还是微 观的每一节课的教学活动，都应努力体现迁移规律；教授学习策略，提高学生迁移的意 识性，从根本上促进迁移的产生。 1 4 3 高中学生电磁学前概念的调查研究 3 1研究设计 3 1 1 研究内容 本研究以概念转变理论为基础，在阅读相关文献的基础上，结合高中电磁学部分的 教学内容，对学生在电场、磁场和直流电路中存在的前概念进行调查研究，并对结果进 行分析，以期发现学生中普遍存在的前概念、前概念产生的原因及其对学生概念学习的 影响，为有效地进行概念教学做准备。 3 1 2 研究方法 根据研究目的及具体的研究条件，本研究采用了问卷调查法。 3 1 3 调查问卷的编制： 电场和磁场部分所采用的调查问卷参考了2 0 0 1 年d a v i d 等人设计的一份电场和磁 场概念理解的调查问卷( ( t h ec o n c e p t u a ls u r v e yo fe l e c t r i c i t ya n dm a g n e t i s m ) ) ( 简称 c s e m ) 。电路部分参考了19 9 5 年p a u l av e t t e re n g e l