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高中物理学生电场概念建立的调查研究 中文摘要 中文摘要 高中物理电场概念的教学是高中物理教学中的重点和难点，电场知识在现代 科学技术中有着举足轻重的地位与作用，学生通过电场的学习可加深对世界的物 质性和物质运动的多样性的认识。并且为磁场、电磁感应、电磁波的学习奠定一 定的基础。但由于电场的特殊性及抽象性，让学生科学、有效地建立电场概念十 分困难。 本文以认知结构理论、概念建构的相关理论为指导，采用二段式诊断性测查 和口语报告法，对高一学生就电场的存在、电场的性质及电场对处于其中的物体 的作用三方面进行了调查研究。通过调查问卷和口语报告的分析，了解学生对电 场概念的认知程度。针对高中物理电场教学的实际提出了教学策略：1 、概念的引 入要直观2 、给予学生丰富的物理感性材料3 、要让学生认知得到内化4 、充分了解 和利用学生已有的认识以及所具有的前科学概念5 、在教学中有意识让学生区分电 场的存在、性质与作用三个层面，并认识三个层面间关系。 关键词：电场概念：认知理论；概念形成；概念结构；二段式诊断性测验； 口语报告法 作者：王葭 指导教师：陈钢 r e s e a r c ho nt h ee l e c t r i cf i e l dc o n c e p tc o m s t r u c t i o n o f h i g hs c h o o ls t u d e n t s a b s t r a c t t h ec o n c e p to fe l e c t r i cf i e l di sn o to n l yak e yp o i n tb u ta l s oad i f f i c u l tp o i n ti nh i g h s c h o o lp h y s i c st e a c h i n g t h ee l e c t r i cf i e l dk n o w l e d g eo c c u p i e sp i v o t a lp o s i t i o na n d f u n c t i o ni nm o d e ms c i e n c et e c h n o l o g y t h es t u d e n t sc a ng e tv a r i o u su n d e r s t a n d i n g so f t h ep h y s i c a lp r o p e r t ya n dp h y s i c a lm o v e m e n t so ft h ew o r l db yd e e p e n i n gt h es t u d yo f t h ee l e c t r i cf i e l d a tt h es a m et i m e ，i ta l s oe s t a b l i s h e dc e r t a i nf o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo f m a g n e t i cf i e l d ，e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，a n de l e c t r o m a g n e t i cw a v e b u tb e c a u s eo f t h e s p e c i a l t ya n da b s t r a c m e s so ft h ee l e c t r i cf i e l d , i ti sr e a l l yh a r dt oh a v et h es t u d e n t s e s t a b l i s ht h ec o n c e p to fi ts c i e n t i f i c a l l ya n de f f e c t i v e l y 1 1 1 i sa r t i c l eh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ha b o u tt h eu n d e r s t a n d i n gb yg r a d eo n e s t u d e n t si nh i 曲s c h o o lo ft h ee x i s t e n c ea n dt h ep r o p e r t yo ft h ee l e c t r i cf i e l d ，a n dt h e f u n c t i o no fi tt ot h eo b j e c ti ni t ，t a k i n gt h er e l a t e dt h e o r i e so fc o g n i t i v es t r u c t u r ea n d c o n c e p tc o n s t r u c t i o na si n s t r u c t i o n , a n dt a k i n gt h em e t h o do ft w o s t a g ed i a g n o s t i ct e s t a n ds p o k e nl a n g u a g er e p o r t g e tt ok n o wt h ec o g n i t i o nd e g r e eo fs t u d e n t st ot h ee l e c t r i c f i e l dt h r o u g ht h eq u e s t i o r m a i r ea n dt h es p o k e nl a n g u a g er e p o r t p r o p o s e st h ep r a c t i c a ls t r a t e g yo ft h eh i 曲s c h o o lp h y s i c st e a c h i n ga b o u tt h e e l e c t r i cf i e l d ：f i r s t l y ，i n t r o d u c et h ec o n c e p ti n t u i t i v e l y s e c o n d l y ，p r o v i d et h es u f f i c i e n t p h y s i c a lp e r c e p t u a l d o c u m e n t st o s t u d e n t s t h i r d l y ，l e t s t u d e n t si n t e r n a l i z et h e c o g n i t i o n f o r t h l y , f u l l yu n d e r s t a n da n du t i l i z et h ek n o w l e d g ew h i c ht h es t u d e n t sh a v e a l r e a d yl e a r n e da n dt h ep r e - s c i e n t i f i cc o n c e p tp o s s e s s e db ys t u d e n t s l a s t l y ，i nt e a c h i n g ， m a k et h es t u d e n t sd i s t i n g u i s ht h ee x i s t e n c e ，p r o p e r t ya n dt h ef u n c t i o no ft h ee l e c t r i c f i e l do np u r p o s ea n dr e a l i z e t h er e l a t i o n s h i po ft h e s e3a s p e c t s k e yw o r d s ：t h ec o n c e p to fe l e c t r i c ：c o g n i t i o nt h e o r y ；c o n c e p tf o r m a t i o n ； c o n c e p ts t r u c t u r e ；t w o s t a g ed i a g n o s t i ct e s t ；q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fo r a lc o d e w r i t t e n b yw a n gj i a s u p e r v i s e db yc h c ng a n g i i 高中物理学生电场概念建立的调查研究 第一章引言 第一章引言弟一早jl画 1 1 研究背景 “概念是思维的细胞 ，人的任何思维过程都离不开概念。列宁指出：“自然 科学的结果是概念 ，“概念”反映了认识已经达到的水平。从教育心理学上讲，“概 念 是对事物本质属性的认识，是在感觉和知觉基础上产生的对事物的概括性认 识。物理学分为物理现象、事实、概念和规律，物理概念不仅是物理知识的重要 组成部分，同时也是构成物理规律，建立物理公式的前提和基础。所以，对物理 概念的理解和认识是教师进行物理概念教学的出发点。 物理概念是物理基础知识中不容易学习和掌握的内容，刚入高中的学生普遍 感到物理难学，其主要问题之一就在于对于物理概念没有辨析清楚和理解透彻。 学生只注重对于公式的记忆，记例题，做习题，而忽视了对公式、题目背后的物 理概念的理解，导致的结果就是含义丰富，清晰明了的物理概念被各种各样的数 学符号和表达式所淹没，概念模糊就会使得学生觉得物理越学越模糊，越学越困难。 多年来，一种“两难”状态一直困扰着师生，对教师来说物理概念难教，对 学生来说物理概念难学。而在现实的课堂教学中，许多教师对概念的教学往往只 停留在表面，让学生知道有某个概念就达到目标了，对概念的由来，为何引入， 前因后果，内涵和外延经常一带而过，极少花时间解释，试图让学生通过解决大 量习题来理解概念，忽视学生的认知结构和认知的发展规律，在学生一开始接触 某个概念时就没有形成对这个概念的正确认识，这就更增加了学生对物理概念理 解的难度，导致教学偏离学生的实际。所以，能否走出这种困境，让学生掌握好 物理概念是提高学生物理认识水平，提高教师物理教学能力的关键。 电场知识在现代科学技术中有着举足轻重的地位和作用，学生通过电场的学 习可以加深对世界的物质性和物质运动的多样性的认识。电场部分知识的学习需 要应用学生之前所学的力和能量等模块的知识，是对前面所学知识的巩固和应用， 又是即将要学习的磁场、电磁感应、交变电流知识的基础。而电场又是客观存在 的一种特殊的物质形态，看不见摸不着，比较抽象，所以对电场所涉及的概念在 学生理解层面上肯定是有难度的，同时在教师教学上也会有不小的困难。因此许 多教师不愿意在电场相关概念的教学中多花时问，不愿意研究如何帮助学生科学 第一章引言高中物理学生电场概念建立的调查研究 地、有效地建立电场概念，而是依靠大量的电场习题来强行让学生背诵出结论， 教学效果往往差强人意。因此，我们必须了解学生建立场概念的图式，分析学生 建立抽象场概念所遇到的困难，有助于学生建立起电场概念的教学研究，研究学 生头脑中关于电场形成的认识过程，提出帮助学生建立电场概念的途径和方法， 把学生头脑中所形成的关于电场的认识和形象，与课程标准、教材等要求学生所 要达到的关于电场的认识和形象进行比较、诊断，根据调查研究的结果分析学生 在建立电场概念的过程中存在的问题和困难及其存在的原因，对这些问题和困惑 有针对性地提出解决办法。 1 2 研究目的与意义 1 2 1 研究目的 在物理课程标准中提出要重视科学探究的教育作用，强调过程和方法的 学习。在物理课程中，使学生学到获取知识的方法、增强探究未知世界的兴趣和 能力，以及学生对于科学本质的理解和科学价值观的树立，是与科学知识的学习 同等重要的。这里也强调了学生对于科学本质的理解的重要性。 本研究期望从高中物理教学角度，尝试将皮亚杰的建构主义理论和现代教育 学习理论用于高中物理教学中，让教师把教育学心理学的理论应用于教学实践中， 使理论与实践得到有效结合。深入分析学生认识和理解电场的特点、水平以及学 生头脑中对于电场有如何的空间认识，提出一些具有可操作性的建议。例如：学 生如何理解电场的物质性，是理解为物质存在还是将其作为一个概念。本研究的 目的是通过分析和研究学生头脑中所形成的关于电场的认识和形象，与课程标准、 教材等要求学生达到的关于电场的认识及形象进行比较、诊断，根据调查研究的 结果分析学生建立电场概念的图式，帮助学生克服抽象场概念建立中的理解困难 提出一些途径和方法，以期通过这些途径和方法增强学生对电场这一客观存在的 特殊物质形态的感性认识，提高学生对电场的空间认识，增强学生的空间构想能力。 1 2 2 研究意义 本课题从物理概念教学的现状出发，结合电场教学的实际情况，从教师教和 学生学两个角度入手，了解学生对电场的空间认识程度和对电场这种特殊物质形 式的认识水平，分析学生关手电场概念图式的结构形态，为教师在这部分内容的 教学提供一定的帮助。 2 高中物理学生电场概念建立的调查研究第一章引言 1 3 研究现状( 文献综述) 物理概念教学是物理教学中的一个重要组成部分。上世纪八十年代初期之前 我国关于物理教学方面特别是物理概念教学方面的著作极少，而从此之后我国在 这方面的著作和论文逐渐增多。特别到了上世纪九十年代对物理概念教学的研究 已经受到广大物理教师和物理教育研究者的关注，有不少论著和论文问世。 在物理教学论著中，如李忠、齐淑静编写的物理学概念教学研究( 湖南教 育出版社，2 0 0 0 年) ，主要分析了物理学中一些有代表性的基本概念的发展、变迁， 给出了一些理解和掌握基本概念规律的方法和普遍原则，以及在这些概念教学中 应注意的问题。乔际平、刑红军所著物理教育心理学( 广西教育出版社，2 0 0 2 年) ，其中进行了物理概念、规律学习的心理研究，包括建立物理概念、形成物理 规律的心理特征、认知过程、心理障碍的认知分析。阎金铎、田世昆所著中学 物理教学概论( 高等教育出版社，2 0 0 3 年) ，讲述了认识和进行物理概念教学的 一般规律性问题，包括物理概念教学的重要性，物理概念的特点，教学要求等。 查有梁等人所著物理教学论( 广西教育出版社，2 0 0 1 年) 、梁树森所著物理 学习论( 广西教育出版社，1 9 9 9 年) 等物理教学理论著作也都涉及到物理概念的 教学研究。 在中国知网的中国期刊全文数据库中以“物理概念教学”为题名查询，从1 9 9 4 年到2 0 1 0 年一共有4 2 0 篇文献，以“物理概念教学 为关键词的文献共2 5 8 6 篇， 在这些文献中作者主要研究的是某些较难理解或者较重要的物理概念的引入和形 成。部分论文是通过典型的物理概念的案例来阐述作者对概念教学的一些方法和 理念。也有部分论文是有关于物理前概念的研究。 在中国知网的中国优秀硕士博士论文库中，以“物理概念教学”为题名查询， 共有论文5 2 篇，其中高中物理概念教学研究的论文为4 0 篇，以“物理概念教学 为关键词查询到1 2 9 篇论文。研究的内容主要包含概念图在物理教学中的应用、 概念教学中存在的主要问题及对策研究、科学方法应用于概念教学中的教学研究、 前科学概念转变的教学研究、概念学习中的思维障碍、概念教学的设计研究等。 在如此之多的有关于物理概念的论文中却只有少数几篇针对电场概念、磁场概念 和电动势概念进行了深入研究。 高中物理磁场相关知识教学的研究作者何永林2 0 0 9 苏州大学 主要研究内容及成果：作者通过对物理概念教学和规律教学的相关理论进行 第一章引言高中物理学生电场概念建立的调查研究 研究，对磁场相关知识在大纲、课程标准及新、旧教材中的要求对比，磁场相关 知识在中学物理知识体系中的重要性、必要性，重点、难点等分析，根据中学生 的认知特点，提出了磁场概念教学和规律教学的教学策略和学习策略，并进行了 教学实践。 高中物理电场概念教学设计研究作者陈伟2 0 0 8 广西师范大学 主要研究内容及成果：作者采用问卷调查法和访谈法对电场教学的现状进行 剖析，对高中生学习电场前、后情况进行调查研究，分析学习前后存在的相关概 念和错误想法的来源、形成原因和基本特征。在此基础上根据物理学科教育学理 论，结合作者的教学实践，对电场、电场强度、电势的概念进行探究式教学设计， 通过实验班和控制班对比分析，说明在高中电场教学中，对电场物质性予以重视， 配合现行教材，采取探究式教学，能有效提升学生的场观念、增强学习电磁学的 兴趣和提高学习物理的能力。 高中物理电动势概念的教学研究作者孙艳乔2 0 0 7 苏州大学 主要研究内容及成果：作者首先对电动势概念的相关知识进行了专题分析， 对与电动势有关的易混问题做出解释。通过问卷调查及个人访谈，对中学生电动 势概念的学习情况进行了调查，系统总结了电动势概念学习过程中产生障碍的主 要原因，针对这些原因提出可供操作的教学建议。通过对现有电动势教学设计的 分析与研究，理清了电动势概念教学设计的变化过程，归纳了教学目标的拟订、 教学媒体的选择及教学方法的应用三个方面的显著变化，设计了具有一定理论指 导和较强操作性的教学设计案例。 硕博论文绝大多数是对宏观的一般物理概念教学的研究，提出教学策略、课 堂教学设计或科学方法并进行实践，也有不少是研究将概念图应用到物理教学中 去的，只有极少几篇论文是针对电场、磁场概念和电动势概念进行深入分析。仅 有一篇论文是对电场概念教学设计的研究，论文主要针对学生对于电场所具有的 片面的错误前概念，根据物理教育学心理学理论和自身的教学实践，进行教学设 计，并进行后测，证明探究式教学的有效性。本文考虑根据教育学理论、思维理 论、学习理论和学科概念分析，通过问卷调查和访谈等方式来了解学生建立电场 概念的图式，分三个层次分析学生头脑中关于电场概念的认识过程，第一个是电 场存在的认识；第二个是电场作用现象的认识；第三个是电场物理性质的认识。 把学生头脑中所形成的关于电场的认识和形象与课程标准、教材等要求学生达到 4 高中物理学生电场概念建立的调查研究 第一章引言 的关于电场的认识和形象进行比较、诊断，分析学生在建立电场概念过程中存在 的问题与困难以及这些问题与困难存在的原因，在此基础上有针对性地提出解决 的办法，目的就是如何科学地、有效地帮助学生建立起电场概念。 第二章物理概念学习心理研究高中物理学生电场概念建立的调查研究 第二章物理概念学习心理研究 2 1 概念形成和概念结构的理论 2 1 1 概念形成的理论 一、假设考验说 1 、基本观点 假设考验说理论认为，人需要用已经获得的以及已经存贮的信息来主动提出 某些可能的假设，就是去设想所要掌握的概念可能是什么。在概念形成的实验中， 在对一个刺激作出反应前，被试必须从他的假设库中，取出一个或者是几个假设 并根据这些假设作出反应，就是去考验所应用的假设。如果被试作出的反应被告 知为正确的，那么被试认为这个假设成功了将会继续使用下去，不然就会更换假 设，然后就提取出其他假设进行考验。这样继续下去，直到获得某个正确的假设 为止，这样就形成了某个概念。 按照假设考验说，人形成和考验假设并不是随意的，而是有目的的，在概念 形成的过程中。布鲁纳等人认为，不管人们是否意识到这些目的，任何策略都能 从这些目的出发来加以评价，每个决定相应的后果反映这种策略的目的。所以， 概念形成的过程也是一种富有策略性的假设考验的过程。 2 、概念形成过程的特点 ( 1 ) 学习的方式：人们从早期的许多概念形成的实验结果得到的结论是似乎 概念掌握都是循序渐进的。这些实验结果表现出来人们是逐渐积累形成概念的。 但根据假设考验说来看的话，这种渐进性可能并不是真实的情况。被试在采用正 确假设之前，他作出正确反应的概率为一半，如果在某次试验中采用正确假设， 就可以掌握概念，那么作出正确反应的概率一下变为百分之百，表现出全或无的 学习方式。b o w e r 和t r a b a s s o 做了个实验，并将得到的实验结果绘制成一种逆向 学习曲线。这个结果说明，一个通常的渐进学习的过程可能隐含着全或无的学习， 也就是说被试是掌握概念是按照全或无的方式的。但这种实验结果是在比较简单 的作业中得到的 。 o 王建，汪圣安：认知心理学，北京大学出版社，2 0 0 6 年，p 1 5 8 o 王筵，汪圣安；认知心理学，北京大学出版社，2 0 0 6 年，p 1 6 3 6 高中物理学生电场概念建立的调查研究第二章物理概念学习心理研究 ( 2 ) 记忆的作用：b o w e r 和t r a b a s s o 发现，当被试作出错误反应而需要形成 或采用新的假设时，他们表现出对过去的事件没有记忆。b o w e r 和t r a b a s s o 做了 实验，实验结果表明以前曾经采用而被否定的假设和到目前尚未被采用的假设一 样，还是有可能被再次应用。他们得到的无记忆的结论和他们主张的全或无的学 习方式是一致的。 2 1 2 概念结构的理论 心理学有关于概念的研究几乎都是局限于概念形成的范围内的，而概念的表 征是由哪些因素构成的和这些因素之间的相互关系并没有直接研究。但概念形成 的研究总归要涉及概念的结构。一般来说，任何一种人工概念形成的研究都体现 出对概念的结构的某种看法。现在，概念结构问题逐渐引起心理学家的重视，在 实验研究基础上，提出几个关于概念结构的理论。其中两个重要的理论是特征表 说和原型说。 一、特征表说 基本观点：特征表说认为从一类个体具有的共同主要特征来说明概念。这种 认识和共同因素说有明显联系，但特征表说吸取了很多语义记忆和人工概念的研 究成果。 特征表说认为概念或概念的表征是由两个因素构成的： ( 1 ) 概念的定义性特征( 2 ) 诸定义性特征之间的关系。这两个因素有机结 合起来，组成一个特征表。用方程c = r ( x ，y ，) 来表示这种概念结构。 c 是表示概念；x ，y ，为一类个体具有的共同定义性特征；r 表示整合这 些特征的规则。这些规则被称为概念规则，它们确定这些定义性特征的关系。 从特征表说可以看出，概念规则在概念结构中具有十分重要的地位，但以前 常常被忽视。一个概念只有定义性特征是不够的，还必须具备整合这些特征的规 则。要完整地表征一个概念( 构成一个特征表) ，应该把定义性特征和概念规则进 行一个有机的结合，两者缺一不可。 特征表说的优点是能很好解释人工概念的研究，而且能与当前的一些语义极 易模型相一致。它的弱点是只涉及一些逻辑概念和取自命题演算的概念规则，还 难以解释各种类型的自然概念或现实概念 。 o 王娃，汪圣安：认知心理学，北京大学 i 版社，2 0 0 6 年，p 1 6 4 雪王筵，汪圣安：认知心理学，北京大学出版社，2 0 0 6 年，p 1 7 1 7 第二章物理概念学习心理研究高中物理学生电场概念建立的调查研究 二、原型说 一些心理学家认为特征表说和假设考验说主要是利用人工概念，针对单个的 有关维量或属性和简单的逻辑操作，没有考虑自然概念或现实概念的结构，而人 工概念与自然概念区别比较大。r o s c h 提出，人工概念是由一些独立的刺激维量组 成，概念实例是具有所规定的全部有关属性的刺激，任何一个肯定的实例都可以 在同样程度上，来表征这个概念。自然概念就不一定能以独立的刺激维量来解释， 自然概念的维量可能既不独立也不单一，一个维量可能是由几个更基本的维量结 合成的，因此常常难以确认，而且不是所有的个体都能在同样程度上表征一个自 然概念。集合概念不同于普遍概念，一个集合体的特征不一定时它的组成部分所 具有的，特征表说很难解释集合概念。因此就逐渐形成了与特征表说不同的原型说。 l 、基本观点 r o s c h 是原型说的主要代表，他认为概念主要是以原型就是它的最佳实例表征 出来的，我们主要是从一个可以最好说明概念的实例来理解这个概念的。人对一 个概念的理解不仅包含原型也包含维量。r o s c h 把这个维量称为范畴成员代表性的 程度，它表明了同类个体容许的变异性。r o s c h 认为概念是由两个因素构成的：1 原型或者最佳实例；2 范畴成员代表性的程度。 为了证实自然概念中存在原型和范畴成员代表性的程度，r o s c h 给被试呈现属 于不同语义概念的许多语词实例，让他们就其代表相应概念的程度由高到低给予 等级评定。有最高等级评定的实例就是这个概念的原型或是最佳实例，其他实例 则有不同的范畴成员代表性。实验结果证实自然概念的确是有原型和范畴成员代 表性的程度。在具体确定一个概念的原型时，很多因素的影响会造成一定的差别， 但一个概念总会有其原型。 2 、原型的实质和编码 r o s c h 认为，原型之所以能够最好地表征概念，是因为它有更多的特征与该概 念的其他成员相同，然而这不是特征表说所主张的一个概念的全部成员都具有的 共同特征。按照他的看法，概念的原型是概念的这样一种实例，与同一概念的其 他成员相比，它与更多的成员有共同的特征；也可反过来说，一个概念的原型具 有最少的与别的概念相同的特征。概念允许实例在一定范围内发生变化，但原型 是核心，它为这些各具特点的众多实例组成一个整体提供基础。这样的概念结构 也体现了自然概念的边界是不清楚的。 现在还需要证实概念确实由原型而不是由互相联系得诸定义性特征，并需要 。王蹩，汪圣安：认知心理学，北京大学出版社，2 0 0 6 年，p 1 7 5 1 7 6 8 高中物理学生电场概念建立的调查研究 第二章物理概念学习心理研究 揭示这种原型的编码。r o s c h 进行了匹配实验。实验结果表明，易化效应在具有较 高的范畴成员代表性的项目中，显得比较突出。因此说明当人们听到一个范畴名 称时，在他们的头脑里出现的不是这个范畴所有成员都具有的特征表，而是该范 畴的原型。 从概念结构的角度来看，一个范畴或概念的原型是它的最佳实例，能使诸概 念能够区分开来，但在一个概念内部，原型与更多的其他成员有共同的特征，与 其他成员相比，也可以说原型可能带有概念成员的平均特征的色彩。 特征表说和原型说之间有明显的差别。特征表说着重概念的诸定义性特征， 带有分析性色彩，原型说强调最佳实例或原型，带有整体性或综合性色彩。特征 表说认为特征是由语义表达的，原型说设想原型是以一般表象来编码的。目前来 看，特征表说比较符合一般对概念实质的理解，因而容易被大家接受。原型说把 概念与感性形象相联系，有合理的成分但表象的概括是有限的，抽象概念与表象 没有直接联系，难以解释所有的概念。 2 2 建立物理概念的心理特征 物理概念学习的心理研究主要在于研究学生学习物理的认知机制，这样做既 有利于指导教学实践，也有利于学习理论本身的发展。传统的教学理论认为学生 学习知识过程是感知、理解、巩固和运用。而皮亚杰认为学习是认知结构的形成。 皮亚杰的认知理论中包含图式、同化、顺应、平衡、组织五个概念。 一、图式 图式是皮亚杰认知理论中的一个非常重要的概念。他认为人的心理就是像身 体一样的，必须具有结构。人接受任何的刺激作用并作出相当稳定的反应时，在 人脑中就形成了关于这个刺激物的模式( 或图式) 。这种图式就称为认知结构或心 理结构。学生学习的知识越多，图式也越多，经过分类、整理，形成比较大而且 复杂的图式组织。 帕斯科尔里欧在皮亚杰理论的基础上进一步提出自己的观点。 1 、图式的分类 ( 1 ) 动作图式表示人对自己的身体动态经验的感觉和理解。 ( 2 ) 形象图式一些信息单位的表象。如质点、电子、速度等。 乔际平，刑红军：物理教育心理学，广西教育出版社，2 0 0 2 年，p 5 7 9 第二章物理概念学习心理研究高中物理学生电场概念建立的调查研究 ( 3 ) 运算图式把一个形象图式改变或转换成为另一个形象图式，它涉及数 和逻辑规则的应用。 ( 4 ) 执行图式在解决多种多样问题或任务时所形成的总策略属于执行图 式。例如控制变量、对物体受力情况分析等。执行图式是对动作图式、形象图式、 运算图式有支配作用的图式。 2 、图式的独立自主作用 一般我们进行有意识的运算，我们支配图式。然而图式还有独立自主的作用， 不受我们的意识支配。 3 、图式之间的相互作用 图式之间的相互作用表现为图式间的相互合作、相互支持或相互斗争、相互 抑制，有时也表现为彼此之间互不干扰、互相独立。 图式间的相互配合、相互支持是图式相互作用的最主要、基本的形式。例如 在进行物理实验就同时需要四个图式进行操作、确定测量量、处理实验数据，协 调几种图式。 图式之间可能有矛盾和斗争。例如学生往往有“摩擦阻碍运动”的图式，这 样就产生了人向前走的时候，摩擦力阻碍运动的图式，这将影响教师所要传递的 信息。 图式间也可能相互抑制。大多学过物理的中学生都会知道物体沿圆轨道运动 受合力来提供向心力。但在涉及汽车沿真实圆形路径运动时，很多学生会认为作 用在汽车上的合力指向前方。这个图式完全抑制了有关于力的合成的图式。 图式间也可以没有相互作用而各自独立起作用，互不干扰。例如打字员可以 只看手稿而不看键盘以很快的速度打字。 4 、图式的“生物 本质 图式具有生物机体的某些特征。因此学生的头脑就是形形色色的“生物机体 的集合场所。这些机体有时候相互抑制、斗争，反抗教师的行为，使得教师的工 作变得十分困难。 二、同化 学生学习新知识、解决新问题时，一般是在原有知识或心理行为的基础上发 展的。如果新的刺激物能够纳入到原有的图式中，这个认知过程就叫做同化。例 函乔际平，刑红军：物理教育心理学，广西教育出版社，2 0 0 2 年，p 5 8 5 9 l o 高中物理学生电场概念建立的调查研究第二章物理概念学习心理研究 如，学生在高一学习功的概念时，与初中学习时的不同在于力和位移之间方向成 某一角度，要把这个新的情境下做功的刺激纳入到原有图式当中，就必须把原有 的图式进行扩展。同化只是扩大了图式的范围，内涵没改变，只发生了量的变化。 三、顺应 如果新的刺激物不能与原有图式同化，学习者要么修改原有的图式，以符合 新的刺激物；要么创造一个能容纳新刺激物的新图式，这就是顺应。例如，关于 电场力做功的图式，就不可能为机械做功的图式所包容，通过改造构建了w = q u 的图式这与w = f s c o sq 是完全不同的两个图式。经过顺应修改旧图式或创造新图 式，使得认知结构发生质的变化。 四、平衡 在学生的学习过程中，同化与顺应是两种最基本的认知方式，但如果只有同 化，会导致图式简单、粗糙：只有顺应会导致没有概括图式，不能形成合理的认 知结构，因为把新的刺激都看成彼此无关的新事物。所以同化和顺应在认知结构 中缺一不可，同化与顺应间的“均衡 称为平衡。 五、组织 由一个运算模式的改造而引起的与其它运算模式的协调和重组，也是一个平 衡作用过程，为了区分，我们称之为组织。平衡和组织这两个过程形成一个模式， 称为心理功能模型。 2 3 建立物理概念的认知过程 2 3 1 学生学习物理物理概念的心理研究 物理概念是物理现象、物理过程的概括化和抽象化的思维形式，是物理学习 或物理思维的基本单位，是物理基础知识最重要的内容。在教学的过程中，特别 重要的任务就是使学生形成正确的、牢固的物理概念。 这与儿童智力发展的阶段有关，皮亚杰把儿童智力的发展分为4 个阶段： 1 、感知运动阶段这一阶段儿童语言还没出现，主要通过感觉运动图式来与 外界相互作用并与之取得平衡。 2 、前运算思维阶段符号和语言的机能在这一时期开始形成，儿童能够通过 符号等媒介来注意当时感知不到的对象或事物，从而使其再现。 3 、具体运算思维阶段这一阶段儿童可以进行初步的逻辑思维，但不具有足 。乔际平，刑红军：物理教育心理学，广西教育出版社，2 0 0 2 年。p 6 3 1 1 第二章物理概念学习心理研究高中物理学生电场概念建立的调查研究 够的形式化，脱离不了具体事物或形象的支持。 4 、形式运算阶段这一时期儿童思维发展已与成人相近，可以在头脑中把形 式和内容分开，可根据假设和条件进行逻辑推理，达到形式思维水平。 如果要求处于具体运算思维阶段的儿童去理解一些极为抽象的物理概念如电 场概念，显然学生无法形成正确的、牢固的物理概念，因为他的思维阶段还没有 到达那个层次。当然大部分高中阶段的学生应该是达到了形式运算阶段，但也有 个别例外的情况。 长期以来，描绘学生形成物理概念时是以“感知一理解一巩固一应用”的公 式来分析的。物理概念依赖于物理表象，传统的物理概念建立理论是这样认为的。 经验论认为物理概念的建立是按照感觉一知觉一表象一概念的顺序。皮亚杰不同 意经验主义关于概念的内容和形式都来源于知觉的主张，他认为概念产生于从感 知运动阶段起就在主客体之间积极发挥效用的活动，以及活动构建起来的图式， 并且由活动和结构提供的非知觉因素来加以丰富和发展。因此，概念是运算的基 本成分，概念属于认识的运算方面，思维的形象结构和形式结构以活动为基础， 形成了两种平行进展而又截然不同的结构体系。 ( 1 ) 活动一感觉一知觉一表象 ( 2 ) 活动一感知运算图式一前运算图式一具体运算图式一形式运算图式一概念 因此可以认为物理概念并不是由物理知觉、物理表象产生的，而是由学生的 观察活动及观察活动构建起来的认知图式产生的 。 2 3 2 物理概念教学中的前科学概念 每个儿童在学习物理课程以前的生活实际中，对于各种物理现象和过程会有 一些自己的经验和认识，并且会形成一些比较稳定的看法，这就是前科学概念。 前科学概念具有广泛性、自发性、顽固性、隐蔽性等特点，这些特点都会影响学 生头脑中的图式，进而影响对物理概念的认知和理解。 2 3 3 运用认知心理学理论指导学生学习物理概念 人的认识是从一个从现象到本质、从初级的本质到比较深刻的本质的逐渐深 化的过程。对学生来说一个完整的物理概念的形成同样也需要有个过程。中学生 学习物理概念的心理过程一般可以分为三个阶段。 认识领会阶段 顾明远、盂繁华：国际教育新理念，海南出版社， 2 0 0 1 年，p 3 1 9 - 3 2 0 o 乔际平，刑红军：物理教育心理学 ，广西教育出版社，2 0 0 2 年，p 6 6 1 2 t 高中物理学生电场概念建立的调查研究第二章物理概念学习心理研究 这一阶段主要是让学生初步形成概念。第一，让学生能记住说出知识的要点、 大意。第二，要求学生明确知识的物理意义，来龙去脉。最后还要学生能将知识 进行简单、直接的应用。 完善巩固阶段 学生往往比较重视概念定义。但定义常常是仅仅从某个主要方面来揭示概念 的内涵和外延。概念还有其它侧面表现，只有掌握概念的各个主要侧面，对概念 的认识才比较全面，才能做到对概念、规律的灵活应用。而这个完善过程必须在 应用概念解决具体物理问题的实践中去完成。 深化扩展阶段 在物理教学中我们不但要让学生掌握物理知识更要培养学生的能力。前两个 阶段是基础教学阶段，深化扩展阶段是培养学生能力的极好机会，也是学生活化 知识的阶段。 2 3 4 建立物理概念时心理障碍的认知分析 学生在学习物理知识和运用物理知识的时候常常出错，这既有教师教学方法 和学生学习方法的问题，同时也有学生认知结构上的问题。 不能全面、正确地理解物理概念 1 、没有深入理解物理概念的物理意义，仅从字面上去理解，导致出现错误。 2 、不能准确区分相近的物理量。虽然很多学生能背出物理概念的定义但无法 正确应用。一旦遇到具体的问题就会受到易混淆的物理概念和物理量的干扰。 分析实际问题的基本观点模糊、方法错误 l 、片面分析问题，只见局部不顾整体。 2 、凭自己的主观想象，缺乏从论证推理得出结论的习惯。 3 、死记硬背物理公式和结论，对具体问题不会具体分析。 4 、没有掌握处理一些问题的基本观点和方法。 对研究对象及其物理过程不能正确地建立物理模型 1 、对物体受力情况和运动情况的判断产生错误。 2 、不能全面、准确地分析题目描述的整个物理过程 3 、不能通过对题意的分析建立起清晰的物理图景。 4 、缺乏分析、综合能力。这是由于学生对物理概念、定律的来源和建立过程 国乔际平，刑红军：物理教育心理学，广西教育i i ；版社，2 0 0 2 年，p 8 1 8 3 1 3 第二章物理概念学习心理研究高中物理学生电场概念建立的调查研究 等还不怎么了解的情况下就要应用它们来解题。 基本技能差、运用基本法则不熟练 l 、数学运算能力差。 2 、基本规则掌握不好。 受思维定势影响和缺乏推理能力 在环境不变的情况下，定势能帮助人们迅速解决问题，而当情境发生变化时， 它会妨碍人们采用新方法。学生用物理规律解决问题时，思维定势的消极影响表 现在： 1 、学生习惯于单向思维和顺向思维，不善于发散性思维和逆向思维。 2 、教师在教授知识时，因为偏爱一些方法而造成绝对化。 3 、受日常生活经验所形成的思维定势影响。 思维的肤浅性所产生的错误 学生在学习物理知识时往往表现出思维肤浅性，不能深入对物理问题进行分 析、研究。 1 4 高中物理学生电场概念建立的调查研究 第三章高中物理电场相关知识教学内容的研究 第三章高中物理电场相关知识教学内容的研究 3 1 高中物理电场课程标准的分析 物理学作为一门基础自然科学，研究最普遍的物质的基本结构、物质的运动 规律与基本的实验和思维方法。现行的江苏省高中物理教材在内容呈现上摒弃了 原来的力、热、电、光、原的知识体系，将处于物理学核心地位的守恒定律以及 基本概念、定律等理论按照逻辑关系组织成一个有机的整体。在内容上删难去烦， 增加经典物理知识以及物理学在生活、技术中的应用，体现物理学在科技前沿的 重要性，突出物理学与其它科学及生活的紧密联系。 高中物理电场课程的内容标准 1 、了解静电现象及其在生活和生产中的应用。用原子结构和电荷守恒的知识 分析静电现象。体现在课程内容的选择上紧跟时代，注重基础，加强了课程内容 与生活、科技发展的联系，培养学生的学习兴趣。 2 、知道点电荷，体会科学研究中的理想模型方法。知道两个点电荷间相互作 用的规律。通过静电力与万有引力的对比，体会自然规律的多样性与统一性。体 现在课程目标上注重提高学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态 度与价值观三方面培养学生，为学生的终身发展奠定基础。 3 、了解静电场，初步了解场是物质存在的形式之一。理解电场强度。会用电 场线描述电场 4 、知道电势能、电势，理解电势差。了解电势差与电场强度的关系。 上述3 、4 两点是对学习理科的学生提出的要求，学习文科的学生只需对静电 场的相关概念初步了解即可，不要求深入分析物理量间关系。表明在课程结构上 重视基础，体现课程的选择性。在注重所有学生的必要基础的同时，针对学生的 兴趣、发展方向，设计可供选择的物理课程模块，以满足不同学生的需求。 5 、观察常见电容器的构造，了解电容器的电容。举例说明电容器在技术中的 应用。活动建议中提出让学生通过查阅资料、阅读说明书、观察实物等方式，了 解避雷针、静电除尘器、等设施的基本原理。体现在课程实施上注重自主学习， 提倡教学方式多样化。 由此可见在高中物理电场课程的教学要求中在课程目标、结构、内容等方面 1 5 第三章高中物理电场相关知识教学内容的研究高中物理学生电场概念建立的调查研究 处处体现了课程的基本理念。 3 2 电场相关知识在不同层面的对比分析、研究 在2 0 0 7 年出版的江苏省普通高中物理课程标准教学要求中，电场这一章关于 电场的认识：1 、了解静电场，初步了解场是物质存在的形式之一。理解电场强度。 会用电场线描述电场。2 、知道电势能、电势，理解电势差。了解电势差与电场强 度的关系。从中可以看到就电场本身的认识来说，这些要求并不低，要认识到电 场是一种物质，对电场强度、电势差、电势能、电势都需要理解知道。从电场概 念的理解出发，唯有理解这些知识才能对电场有一个初步的正确认识。 3 2 1 新、旧教材的对比分析 江苏省高中物理在0 5 年之前所用的教材是人教版全国适用教材。静电场这一 章在第二册第十三章。现在江苏省高中物理教材也是人教版教材，于0 5 年开始试 用，虽然当中经过了几次修改但主体基本没变，分为选修和必修两部分。必修部 分：基本要求的物理课，要求全体学生都必须学习，内容和要求着眼于提高学生的科 学文化素养，知识主要涵盖了物理力学部分的内容。选修部分，适于基础较好的学生 学习，内容和要求着眼于为学生的将来进一步深造学习打下比较坚实的基础。静电 场在选修3 1 这一册的第一章。为了方便起见称这两版教材为新教材与老教材。 一、新旧教材相同部分的分析 两版教材都涵盖了库仑定律、电场强度、电势差等基本内容，内容范围两个 版本相差并不大，都是从电荷在电场中受力和电场力做功两个方面研究电场的基 本性质。对每个知识点要求的掌握程度也相差不多。 二、新旧教材差异部分的分析 第一节的内容老教材主要侧重于对电荷的认识，以及对库仑定律的认识和理 解。新教材在第一节除了电荷、元电荷还特别把“电荷守恒定律 作为单独的内 容呈现，同时把库仑定律放置在第二节，其目的是突出守恒的思想。因为各种守 恒定律都是物理学的基本定律。这个思想在必修部分力学功和能的关系时就已体 现出来。 关于电场和电场强度的一节，老教材是把场强和电场线分成了两节内容，把 电场线单独作为一节来讲述；而新教材则把电场线放入场强这一节内容，这样保 持连贯性，因为电场线是人为用来描述电场的一个手段，电场和场强的概念比较 。江苏省教育科学研究院教材研究中心，普通高中课程标准教学要求 ，江苏教育出版社，p 1 3 1 4 1 6 高中物理学生电场概念建立的调查研究第三章高中物理电场相关知识教学内容的研究 抽象，学生正需要一个比较具象的事物来描述电场，电场线正好提供了这样的手段。 老教材的第四节是静电屏蔽而新教材是电势能和电势。新教材在讲授完电势 能和电势、电势差等内容后有专门一节静电现象的应用，该节不但分析静电平 衡状态且对许多与静电平衡状态有联系的静电现象的应用做出大量的解释，充分 体现出新教材注重物理与生活的联系。如此处理的优势在于可把静电平衡状态中 场强的情况和电势的情况都能够涵盖，让学生对于静电平衡状态的理解更加透彻。 老教材安排顺序是先讲授电势差再讲授电势最后才讲授电势能，而新教材则 恰恰相反，先电势能然后电势、电势差，其目的是要突出通过做功研究能量变化 这个思想，这一处理更加突出功能之间的关系，这也是这版物理教材的一条重要 的线索。因此在分析静电力做功之后自然而然可获得电势能的概念进而再获得电 势的概念、电势差的概念，