（课程与教学论专业论文）学生牛顿力学前概念形成分析及转变策略研究.pdf

i 摘 要 前科学概念（简称前概念）是学习者在接受正式学习某个科学概念之前，在现实生活中通过 长期的经验积累起来的缺乏概括性和科学性的经验，或与科学知识相悖的观念和理解。建构主义 认为科学概念的学习建立在前概念基础之上。了解学生在物理学习中的前概念境况，并在物理教 学中实施前概念的有效转变，将成为物理教学中需要探讨的热点问题。 本研究以认知心理学和建构主义学习理论为指导，以中美同等概念水平的学生为被试，采用 问卷法，对没有学习过牛顿力学概念的中美学生 （实验组）和学习过牛顿力学概念的中美学生（对 照组）的牛顿力学前概念进行了调查统计。总结中国学生牛顿力学前概念的表现形式，比较分析 中美两国学生前概念的异同，探讨学生形成前概念的原因，提出转变学生前概念的教学策略，并 有针对性地设计了教学案例。 通过对学生的测试数据及回答理由分析发现牛顿力学前概念普遍存在于学生的认知中，测试 结果归纳如下：（1）中国学生牛顿力学前概念主要体现在四个维度：质点运动学、动力学、牛 顿第三定律、物体的运动方向及路径等；（2）中美学生前概念对比发现，牛顿力学前概念不存 在跨文化差异，即牛顿力学前概念普遍存在于世界各个国家的学生头脑中，学生持有的牛顿力学 前概念种类基本一致；（3）通过与对照组比较，中国学生前概念大部分依然存在，有些前概念 的选择人数有增加的趋势。学生关于牛顿力学前概念形成原因主要有以下四个方面：生活中的经 验、缺乏感性认识、思维定势、数学标量思维。 最后，针对学生形成的牛顿力学前概念，提出了前概念转变策略主要策略是：认识前概念、 培养学生的物理语言、培养学生的物理思维等。论文中以牛顿第三定律为例，给出了教学设计案 例，期望能为一线的物理教师一些启示。 关键词：前概念，前概念转变，建构主义，认知心理学 ii abstract pre- scientific concept (preconception for short) is perceptual impression which originates from long- term accumulation and discriminatory learning, and accumulated experience that lacked of generality and scientificity, also view and understanding inconsistent with scientific knowledge. constructivist think that learning of science concepts is based on students preconception, so understanding of students preconception and preconceptual effective transformation in physics teaching will be hot issues. guided by piagets cognitive theory and constructivist learning theory, the study chooses chinese students and americans who have the same level of understanding concept as subjects. questionnaires were adopted to investigate chinese and american students newtonian mechanics concepts. experimental group was chosen students who had not studied newtonian mechanics concepts, control group was chosen students who had learned it. answers from the study were used to detect whether grasp of mechanical concept vary according to country, and summarize the students newtonian mechanics preconceptions, and then reveal the minds of students preconceptions. the preconceptions were attempted to classify. the reasons of preconceptions were discussed. t eaching strategies were proposed to transform the students preconceptions. and evaluated the design. results of the study from data and answers show that the preconceptions of newtonian mechanics are ubiquitous among students, summarized as follows: (1) before any teaching was implemented, preconceptions of chinese students is mainly reflected in four dimensions: kinematics, kinetics ,newtons third law, direction and path of objects motion; (2) preconceptions of newtonian mechanics do not exist cross- cultural differences, they abounded in the students cognitive system; (3) compared with control group, most chinese students also have preconceptions and some preconceptions increased. analysis of reasons of students answers found that causes of newtonian mechanics preconceptions are four aspects: life experiences, lack of perceptual knowledge, thinking set, mathematics scalar thinking. according to preconceptions of newtonian mechanics, transformations was put forward: find out preconceptions, cultivate students physical language, cultivate students physical thinking. taking newtons third law as example, teaching case was gived, which is hoping for some enlightenment to physics teachers. keywords: preconception, preconceptual transformation, constructivism, cognitive psychology 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间： 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 (保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 时间： 年 月 日 导师签名： 时间： 年 月 日 宁夏大学硕士学位论文 第一章 引 言 1 第一章 引 言 著名教育心理学家戴维奥苏伯尔（david p. audubel）在教育心理学：一种认知观中写 道“如果我不得不把教育心理学的所有内容简约成一条原理的话，我会说：影响学习的最重要因 素是学生已知的内容。 ” 学生已知思维体系中的前概念阻碍了新知识的理解和应用，致使新知识 只能停留在短时记忆中，在实际的物理教学中，教师往往忽略学生头脑中的前概念，再加上学生 在学习物理概念的过程中机械地记忆，没有深入理解物理概念的本质，甚至将正确的科学概念与 头脑中的前概念融合，形成错误概念，阻碍了学生正确物理概念认知体系的建立。因此，了解学 生的前概念表现形式，通过有效的教学活动，把前概念转变为正确的科学概念，使学生形成正确 的认知结构是非常必要的。本论文基于国内外的相关理论和研究结论，对中美两国学生牛顿力学 前概念的表现形式、形成原因、转变策略等进行初步研究。 1 . 1 研究背景和意义 1 . 1 . 1 研究背景 大量国内外研究证明，在传统教学模式中，教师常常忽略物理概念的细致教学，直接给出概 念内容，然后进入习题，试图通过大量习题来让学生理解概念，致使学生疲于解题，缺乏对概念 的深层次思考。传统教学中忽略了学生的主导作用，导致学生形成思维惰性、懒于思考，缺乏创 新精神，表面上学生好像掌握了科学概念，实际头脑中仍然存在顽固的前概念和错误概念，并且 不容易改变，这阻碍了学生头脑中正确科学概念的形成（howe19a,b,c,d; 20b,c 2动力学 6a; 7a,d; 8c,d,e; 10b,d; 11b,c; 12c,d; 13a,b,c; 14e; 18c; 21a,d; 23a,d,e; 24c,e; 27b,d,e; 30b,d,e5a; 15d; 16d; 17e; 18a; 22a; 25a; 26a; 27a ;28b; 29e;30a 3牛顿第三定律 4a,d; 15b,c; 16b,c; 28d 4物体运动方向及路径 6d; 7c; 8a; 9b; 12a; 14c; 17a,d; 21b,c; 23c （2 ）信度分析 在各种调查研究中，调查问卷的质量高低对结果的真实性、适用性等具有决定性的作用。为 了保证问卷具有较高的可靠性和有效性在形成正式的问卷之前应当对问卷进行试测，并对测量的 结果进行信度和效度分析。 信度（reliability） 即可靠性，是指采用同一方法对同一对象进行调查时，问卷调查结果的 稳定性和一致性，即测量工具（问卷或量表）能否稳定地测量所测的事物或变量。信度分为内在 和外在信度两类。内在信度指调查表中的一组问题( 或整个调查表) 是否测量的是同一个概念，也 就是这些问题之间的内在一致性如何。最常用的内在信度系数为克龙巴赫系数和折半信度。外 在信度指在不同时间进行测量时调查表结果的一致性程度。最常用的外在信度指标是重测信度， 即用同一问卷在不同时间对同一对象进行重复测量，然后计算一致程度。 本研究只对测试卷的 内部信度进行分析。 各种系数应当到多大才能认为该问卷信度较高？这方面没有统一的标准，但根据多数学者的 观点，任何测验或量表的信度系数如果在0.9以上，则该测验或量表的信度甚佳；信度系数在0.8 以上都是可接受的；如果在0.7以上，则该量表应进行较大修订，但仍不失其价值；如果低于0.7， 则应该弃之。 表 3 - 2 实验组 f c i 试卷及各维度内在一致性信度表（n = 4 0 0 ） 总试卷 维度1 维度2 维度3 维度4 cronbachs系数 0.803 0.808 0.819 0.806 0.800 折半信度 0.814 0.811 0.824 0.815 0.802 表 3 - 3 对照组 f c i 试卷及各维度内在一致性信度表（n = 4 0 0 ） 总试卷 维度1 维度2 维度3 维度4 cronbachs系数 0.865 0.796 0.801 0.794 0.801 折半信度 0.859 0.803 0.799 0.809 0.802 由表3- 2可以看出实验组总试卷的内部信度克龙巴赫系数(cronbachs alpha)超过0.8， 因此可 袁方. 社会研究方法教程. 北京: 北京大学出版社,2000,3.187- 192. 张文彤. spss 统计分析高级教程. 北京: 高等教育出版社, 2 0 0 4 , 9 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 15 以认为本问卷的内部信度是比较好的。各维度内在一致性信度也较高：除维度2和维度4的克龙巴 赫系数较理想，认为问卷是可靠的。 由表3- 3可以看出对照组总试卷的内部信度克龙巴赫系数(cronbachs alpha)有所提高。 笔者 认为对照组（学习过牛顿力学概念的学生）总试卷的内部信度系数提高的原因在于：学生在学习 牛顿力学概念后的掌握程度接近。根据有关专家的研究发现，世界不同国家和地区的学生在接受 正式的学习后对牛顿物理概念的理解程度近似相同（thijs leite,mendoza, 19.5(19c); 6.0(19b) k2 22.0(20c); 18.0(19a); 12.0(20b) k3 11.0(9c) 通过观察表中数据发现中国学生在 k1 和 k2 的错误类型比较集中。25.5%的中国学生混淆位 置和速度概念，将两者简单的等价；22.0%的中国学生混淆了速度和加速度的概念；持有“ 速度是 标量” 的前概念的中国学生较少， 只有 11.0%。 下面具体分析中国学生在质点运动学维度的前概念。 （1 ）k 1 ：位置- 速度混淆 第 19 题：图示为两块石头的运动记录。两石块向右运动。现每隔 0.2 秒记录下石块的位置， 用一带数字标号的小黑正方形标识。 在这个过程中，假设这两块石头的加速度各为常量，两石块的速度是否曾经相同? a)不曾相同； b)在位置 2 瞬间两石块速度相等； c)在位置 5 瞬间两石块速度相等； d)在位置 2 和 5 两处瞬间两石块速度相等； e)在位置 3 到 4 之间的某一时刻两石块速度相等； 此题要求学生从所给图象中提取数据及信息，上升到物理学中便是考查位移和速度的概念。 其中有 25.5%的中国学生选择了 d 选项： 在位置 2 和 5 两处瞬间两石块速度相等； 学生理由主要 有“因为在位置 2 和位置 5 处，位移相同，时间也相同，所以速度也相同” ， “位置 2 和位置 5 位 置相同，故速度相同” ，即选择 d 的理由主要是在位置 2 和 5 两处位置相同，时间相同，所以速 图 3 - 0 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 18 度相同。即学生此时只是简单地根据直觉判断，将位置相同等价于速度相同。 （2 ）k 2 ：速度- 加速度混淆 第 19 题：有 18.0%的中国学生选择 a：不曾相同。学生的主要理由有“因为两石块的加速度 不同” ， “不曾相同，因为一个做加速运动，一个做一个匀速运动” ，学生简单地认为两个运动物 体的加速度不同，那么速度也不会相同。 第 20 题：图示为两块石头的运动记录。两石块向右运动。现每隔 0.2 秒记录下石块的位置， 用一带数字标号的小黑正方形标识。 假设这两块石头的加速度各为常量，它们之间的关系是： a) 石块 a 的加速度比石块 b 的加速度大； b) 石块 a 的加速度和石块 b 的加速度一样，两个加速度都大于零； c) 石块 b 的加速度比石块 a 的加速度大； d) 石块 a 的加速度和石块 b 的加速度一样，两个加速度都等于零； e) 没有足够的证据回答这个问题。 此题同样要求学生从所给图象中提取数据及信息，有 22.0%的中国学生选择 c 选项：石块 b 的加速度比石块 a 的加速度大；选择此选项的学生理由有： “因为物体之间的时间都为 0.2s，且 在相同的时间内，石块 b 的位移大于石块 a 的位移，所以石块 b 的加速度比石块 a 的加速度大” ， “相同时间内石块 b 的位移变化量大于石块 a 的位移变化量” ， “从图中看出在单位时间内，b 石 块的速度变化量大，所以加速度也大” 此题是让学生依据位置判断加速度的大小，学生受到字 面意思的误导，认为“加”速度就是速度的增加，加速度增大，则速度一定增大。速度为零，则 加速度一定等于零。速度大小不变，则物体的加速度也不变。说明在学习相关概念前，学生头脑 中简单地将平均速度与加速度等价，不了解速度与加速度是表示完全不同物理意义的物理量。 （3 ）k 3速率合成 第 9 题（见附录 a） ：根据冰球在与原来运动方向垂直的方向上受到一击，后判断冰球的速 度与静止时可以获得的所击方向的速度进行比较。让学生判断它们之间的关系。由于中国学生在 接触速度这个概念时， 教师就利用中国学生的好的数学功底， 直角三角形直角边小于斜边的规律， 让学生能够充分理解速度的合成。所以中国学生对速度的大小速率构成容易辨别。 图 3 - 0 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 19 图 3 - 3 质点运动学前概念分析图 综上所述，中国学生在牛顿力学概念之前有存在位置- 速度与速度- 加速度的前概念。图 3- 3 简要总结了运动学的各类前概念及其具体表现形式与原因，即没有接受相应牛顿力学教育的高一 学生头脑中关于速度- 位置的判断处于非科学的思维定势阶段。类似地，学生认为如果两个物体具 有相同的速度，那么它们应该有相同的加速度。这些结论和国外专家调查研究结论相似 （rosenquist trowbridge whitaker,1983） 。 3 . 3 . 2 动力学 动力学维度包括了 6 类错误类型：分别为 i1：冲击力等价于恒定力；i2：惯性变化具有延迟 效应。即运动物体受到与运动方向不同的合外力时不会立刻改变其运动状态或撤去合外力后不会 立刻变为匀速直线运动或静止的惯性；i3：惯性运动可以是曲线运动；i4：力是维持运动的原因， 只要运动就必有力；i5：恒速率意味着恒定力；i6：速度增加意味着力就增加；i7：力最终会使 物体速度瞬间增到最大值。由于各个类型前概念所对应的选项较多，所以只给出了选择人数最多 的选项。 表 3 - 5 动力学前概念及对应的最高频数分布（% ） 前概念类型 i1 i2 i3 i4 i5 i6 i7 对应选项最高频数分布（%） 28.5(11c) 34.0(10d) 43.5(6a) 22.0(27a) 29.5(22a) 21.5(3b) 37.0(22d) 表 3- 5 给出了动力维度前概念所对应的最高频数分布，由表中可以看出不同种类的前概念所 对应的学生人数均较多，如 i1：冲击力等价于恒定力（第 11、27、30 题），中国学生的最高选 择率达到了 28.5%（第 11 题）；i2：惯性变化具有延迟效应（第 7、8、10、12、13、14、21、 运动 学前 概念 位移变化量大，速度变化 量也大，导致加速度大 （加速度是速度增加的 那部分） 位置相同，速度相同 位置- 速度混淆 速度- 加速度混淆 速度是标量 合速度等于分速度的算 术和 具体表现形式 本质原因 标量思维 思维定势 概念错误理解 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 20 23、24、27 题），中国学生的最高选择率达到了 34.0%（第 10 题）；i3：惯性运动可以是曲线 运动（第 6、7、18 题），中国学生的最高选择率达到了 43.5%（第 6 题）；i4：力是维持运动的 原因（第 27 题），有 22.0%的中国学生有这样的前概念；i5：恒速率意味着恒定力（第 22、25、 26 题）有 29.5%中国学生认为速度恒定，就意味着有恒定的力作用；i6：速度增加意味着力就增 加（第 3 题）21.5%的中国学生速度增加是因为力增加的结果；i7：力最终会使物体速度瞬间增 到最大值（第 3、22、26 题）认为力作用在物体上，会让物体速度瞬间达到最大值，然后物体在 恒力的作用下以这个最大速度前进。 （1）i1：冲击力等价于恒定力 第 11 题（见附录 a）问如果冰球受到一击之后沿着你在第 8 题所选择的无摩擦轨迹运动， 则冰球在受到这一击之后所受到的作用力是什么？高达 20.0%中国学生选择了 b：向下的重力和 运动方向的水平分力，有 28.5%的中国学生选择 c：向下的重力，水平面向上的支承力和运动方 向的水平分力，两个选项中均涉及让学生判断：通过一击，是否在运动方向上产生力，中国学生 选择这两项的比例较高，理由是“认为冰球受到击打，所以它产生了一个力 水平分力” 。 第 30 题：尽管风很大，网球手还是试图用网球拍把网球打出去。因此网球过了球网到了她 对手的场地。考虑以下几种作用力： 1 向下的重力；2 球拍的打击力；3 空气作用力。 试问在网球离开网拍到落到地面之前这段运动中受到的作用力有哪些? 第 30 题与第 11 题类似，中国学生有很高的错误率，有 28.0%的中国学生选择了三个力都存 在，学生们认为球拍的打击力是一直存在的。足以见得，学生虽然记住了“力是改变物体运动状 态”这句话，却对力的本质没有真正理解，总是错误地将冲击力与恒定力等价。由此得出：很多 中国学生认为当物体受到一个冲击力的作用后，力会一直伴随物体的整个运动，或者说他们认为 运动的物体在运动方向上一定受力。很多外国学者的研究也证实：学生坚信维持运动的必要条件 是一个力的持续作用。即学生认为，如果一个物体正在移动，那么肯定与作用在它上面的力有关， 如果一个物体不发生移动，那么就没有力对它作用。 （clement,1982; gilbert sadanand 17.5(16c) 实验组的中国学生牛顿第三定律出现了两类前概念：a1：质量越大产生的力越大；a2：施力 物体产生最大的力。持有 a1 前概念的中国学生最高仅为 11.0%，说明学生在这方面的前概念不 强。对于 a2，选项的比率较高。本分类包括第 15、16、28 三题。 一辆大卡车在路上抛锚了，现它被一辆小型汽车从后面推它向城里开去。如图所示： 图 3 - 8 15. 在小车推大车的速度慢慢增大到一个稳定速度的过程中： a) 小车推大车的作用力和大车对小车向后的作用力相等； b) 小车推大车的作用力比大车对小车向后的作用力小； c) 小车推大车的作用力比大车对小车向后的作用力大； d) 因为小汽车的发动机工作着，所以它对大卡车有推动作用，但是大卡车的发动机没有工作， 所以大卡车对小车没有向后的作用力。大卡车只受到向前的作用力，使它和小车一样运动； e) 两车之间没有相互作用力。 16.当小车达到预期速度，并以该速度推动大卡车时： a) 小车推大车的作用力和大车对小车向后的作用力相等； b) 小车推大车的作用力比大车对小车向后的作用力小； c) 小车推大车的作用力比大车对小车向后的作用力大； d) 因为小汽车的发动机工作着，所以它对大卡车有推动作用，但是大卡车的发动机没有工作， 所以大卡车对小车没有向后的作用力。大卡车只受到向前的作用力，使它和小车一样运动； 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 25 e) 两车之间没有相互作用力。 有 31.5% 的中国学生第 15 题中选择了 c 选项：小车推大车的作用力比大车对小车向后的作 用力大； 17.5%的中国学生在第 16 题中选择了 c 选项： 小车推大车的作用力比大车对小车向后的 作用力大。第 15 题的选项中，c 选项所代表的前概念是：主动施加力的物体会产生更大的力， 所以选择此选项的学生认为小车主动推着大车前进，小车推大车的力肯定比大车对小车向后的力 大，所以它们才能一起运动，速度逐渐增大。而在第 16 题中，选择 c 选项的学生往往认为速度 的大小与力的大小成正比，当小车达到预期速度，并以该速度推动大车时，两车都有速度，那么 小车就一定会对大车有个作用力，使两车共同运动。由此可以看出中国学生对运动过程中的牛顿 第三定律有理解上的困难。 3 . 3 . 4 物体运动方向及路径 物体运动方向及路径概念错误属于间接的前概念错误。包括了 3 类前概念，分别为 p1：混合 错误即在运动方向必有力的前概念基础上导致的错误，物体沿合外力方向运动；p2：混合错误即 速度与力等价和力是维持物体运动的原因导致的错误，运动路径是沿力的合成方向。 p3 最后一瞬 间的力决定运动方向。 表 3 - 7 物体运动方向及路径前概念及对应的最高频数分布（% ） 前概念类型 p1 p2 p3 对应选项最高频数分布（%） 20.0(17a) 11.5(21c) 31.5(23c) 有 20.0%中国学生存在 p1 的前概念；存在 p2 前概念的学生只有 11.5%（第 21 题）；p3 最 后一瞬间的力决定运动方向 （第 8、 9、 21、 23 题），中国学生的最高选择率为 31.5%（第 23 题）。 下面结合题目研究学生前概念的具体情况。 （1）p1 混合错误：运动方向必有力+物体沿合外力方向运动 本分类只有第 17 题。第 17 题持有前概念“物体沿合外力 方向运动”的中国学生最高选择率分别为 20.0%，原题如下： 设一电梯由钢缆吊着匀速上升。如图所示。忽略所有的摩 擦。在该情况下，作用在电梯上的力：电梯匀速上升 a) 钢缆作用电梯向上的作用力比电梯向下的重力要大； b) 钢缆作用电梯向上的作用力等于电梯向下的重力； c) 钢缆作用电梯向上的作用力比电梯向下的重力要小； d) 钢缆作用电梯向上的作用力比电梯向下的重力和空气作用 电梯的向下的力之和要大； e) 上面都不对。 （电梯上升是因为钢缆变短，不是因为钢缆对 电梯有向上的作用力） 。 20.0%中国学生选择 a 选项，学生认为“因为电梯上升的作用力大才能使电梯匀速上升，如 果向上的作用力等于重力，那么电梯处于静止状态” 。由此可以得出：物理概念之间是相互联系 的，一个概念的理解错误直接会导致其它概念的错误理解。 图 3 - 9 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 26 （2）p2 混合错误：速度与力等价+力是维持物体运动的原因+运动路径是沿力的合成方向 本分类包括第 6、7、12、14、21 五题。虽然持有这种前概念的中国学生较少，但有必要对 学生的持有这种进行详细的分析，了解学生混合各种概念的方式。 第 21 题：设有一火箭在外太空从 a 点移动到 b 点在外太空，火箭不受外力作用。设在 b 点， 火箭的发动机开始工作，产生一个恒定的推力（对火箭的推动力） ，其方向是与 ab 连线方向成直 角。假设这推动力维持火箭运动到 c 点。试问下图中哪一条轨迹最好地描述了火箭从 b 点到 c 点的运动?（图见附录） 中国学生选择 c 的理由是认为原来火箭水平方向作匀速直线运动， 说明在水平方向上受到一 个恒力作用，而后火箭在竖直方向上也受到一个恒力，那么它们的合力方向决定了火箭应该沿着 c 路线前进。学生这个前概念也是建立在“力是维持物体运动的原因”的前概念的基础上的。 （3）p3 最后一瞬间的力决定运动方向 考察 p3 前概念的题目为第 8、9、21、23 四道题目。中国学生的最高选择率为 31.5%（第 23 题 c 选项）题设与第 21 题相同：设火箭运动到 c 点发动机关闭，推动力立刻变成零。判断火箭 离开 c 点以后的运动轨迹? 学生的理由是因为在外太空没有外力的情况下，火箭应该保持静止或匀速直线运动，那么当 发动机给火箭一个竖直向上的力时， 无论火箭之前如何运动， 火箭应该沿着竖直向上的方向运动。 图 3 - 1 0 物体运动方向及路径 图 3- 10 给出了本维度的前概念分析图，简单罗列了各种前概念的具体表现与本质原因。可 以发现当学生遇到较复杂的物理情景的题目时，往往会利用头脑中的概念图综合判断，激发多个 概念结点，利用多个前概念或前概念与正确的科学概念融合来解决问题。如在运动方向必有力的 前概念基础上，认为物体沿合外力方向运动。物体在所谓的分力方向实际并不受力，那么所谓的 合外力也是错误的合成，必定得出错误的结论。 物 体 运 动 方 向 及 路 径 在物体想要运动就必须在运动方向上有力 的作用的前概念下，匀速向上运动的电梯， 电梯运动能运动说明绳的拉力减去电梯的 重力剩余合外力大于零，方向沿合外力的方 向（向上） 物体沿合外力方 向运动 运动路径是沿力 的合成方向 速度与力等价+ 力是维持物体运动的原因+ 合成力决定运动方向三种前概念同时作用， 判断物体运动轨迹 本质原因 思维定势 生活中的经验 最后一瞬间的力 决定运动方向 无论物体之前做什么运动， 当判断物体运动 方向时， 是需要看物体最后一瞬间的受力情 况就行 具体表现 缺乏感性认识 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 27 3 . 3 . 5 中国学生牛顿力学前概念汇总 由以上分析可知，实验组中国学生的前概念非常丰富，综合以上分类，结合学生 fci 试卷题 目的回答理由现将中国学生的前概念按照四个度列于下表，并给出相应的学生选择百分比。 表 3- 8 总结了实验组中国学生在牛顿力学方面存在的前概念，可以看出学生在四个维度中均 有前概念，虽然不同种类的前概念分布不均，但说明学生在接受牛顿力学概念之前确实对相应的 概念有错误的认识。那么这种错误的认识是普遍存在的吗？不同文化和教育背景下学生是否存在 一定的相似性，接下来对中美实验组学生的前概念进行比较研究。 表 3 - 8 中国学生牛顿力学前概念分类 3 . 4 中美学生牛顿力学前概念的比较分析 牛顿力学概念学习在美国物理学界进行了多年的研究。 他们的研究结论是传统教学对美国学 概念 测试题目及对应选项 百分比（%） 1 运动学 k1 位置- 速度混淆 19b,c,d 25.5 k2 速度- 加速度混淆 19a; 20b,c 22.0 k3 速度是标量 9c 11.0 2 动力学 i1 冲击力等价于恒定力 11b,c; 27d; 30b,d,e 28.5 i2 惯性变化具有延迟效应 7d; 8b,c,d,e; 21a,d; 23a,d,e; 10c; 12c,d; 3a,b,c; 14e; 24c,e; 27b,e 34.0 i3 惯性运动可以是曲线运动 6a; 7a,d; 18c 43.5 i4 力是维持运动的原因 27a,25d 22.0 i5 恒速率意味着恒定力 22a; 25a; 26a 29.5 i6 速度增加意味着力就增加 3b 21.5 i7 力最终会使物体速度瞬间增到最大值 3a; 22d; 26d 37.0 3 牛顿第三定律 a1 质量越大产生的力越大 4a,d; 15b; 16b; 28d 11.0 a2 施力物体产生最大的力 15c; 16c; 28d 31.5 4 物体运动方向及路径 p1 混合错误：最大的力决定物体运动方向 17a,d 20.0 p2 混合错误：合成力决定运动方向 6d; 7c; 12a; 14c; 21c 11.5 p3 最后一瞬间的力决定运动方向 8a; 9b; 21b; 23c 31.5 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 28 生物理前概念的影响甚微。美国高中学生只有不到三分之一的学生选修 2 学期即 1 学分的物理课 程 ，因此从物理受教育程度看美国大一新生与中国高一学生水平相当。我们选取了宁夏高级中 学 200 名学牛顿力学之前高一新生与美国俄亥俄州立大学没有学习牛顿力学的大一理工科学生 200 名作为实验组被试，从 fci 试卷得分来看，其正确率基本接近（见表 4- 6） ，说明本研究中选 取样本具有对比意义。 表 3 - 9 中美两国实验组学生正确率 正确率 中国 47.76% 美国 44.97% 由表3- 9可以清晰的看出，中美两国学生的正确率都低于60%，说明中美两国学生在学习牛顿 力学概念前没有达到掌握水平。那么中美两国学生在牛顿力学前概念方面是否有跨文化的相似性 呢？ 综合对比美国俄亥俄州立大学没有接受过牛顿力学概念大一新生的fci各选项后发现，美国 学生主要存在的前概念如下表： 表 3 - 1 0 牛顿力学前概念分类 由上表可以清晰地看出，中美学生存在的牛顿力学前概念表现形式基本相同，即不同文化背 景下学生牛顿力学前概念有一定的相似性，只是前概念的程度不同。这与国外的很多研究结果相 lei bao, tianfang cai,e.t. learning and scientific reasoning. science.2009,323: 586- 587 概念 中国（%） 美国（%） 1 质点运动学 k3 速度是标量 11.0 23.0 2 动力学 i1 冲击力等价于恒定力 28.5 43.5 i2 惯性变化具有延迟效应 34.0 61.0 i3 惯性运动可以是曲线运动 43.5 16.0 i4 力是维持运动的原因 22.0 20.5 i5 恒速率意味着恒定力 29.5 25.0 i6 速度增加意味着力就增加 21.5 60.0 i7 力最终会使物体速度瞬间增到最大值 37.0 21.0 3 牛顿第三定律 a1 质量越大产生的力越大 11.0 77.5 a2 施力物体产生最大的力 31.5 68.5 4 物体运动方向及路径 p1 混合错误：最大的力决定物体运动方向 20.0 71.0 p2 混合错误：合成力决定运动方向 11.5 33.0 p3 最后一瞬间的力决定运动方向 31.5 23.0 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 29 同：1999年伯格达诺和威瑞（bogdanov minstrell,1982; sadanand&kess,1990） 。虽然中国学生在第 4、28 题的同类问题的得分较高，即前 概念不强，只是由于教师在初中讲解力时对牛顿三定律也有初步的介绍，并且反复强调作用力和 反作用力是大小相等，方向相反，作用在不同物体上的，学生强化记忆的结果确实有效，但是当 换了题目情景后，学生就不能正确解决问题，说明有些中国学生没有真正理解作用力与反作用力 概念。 3 . 4 . 4 物体运动方向及路径 此维度基本上要求学生通过具体分析物体受力情况来判断物体的运动轨迹。 部分中美学生不 能通过力的变化推理到物体轨迹的变化，即在学生的思维模式中，错误地判断了力的变化导致的 速度的变化，从而不能正确地解答相应的问题。所以此维度往往是学生综合了多种前概念后产生 的结果。 bogdanov, s.&viiri, j. students understanding of the force concept in russia and finland. in m. komorek, h. behrendt, h. dahncke, r. duit, w. graber,& a. kross (eds.), proceedings of the second international conference of the european science education research association (esera), kiel, august 1999. trumper, r., raviolo, a.&shnersch, a. a cross cultural survey of conceptions of energy among elementary school teachers in training: empirical results from israel and argentina. teaching and teacher education,2000,16：697- 714 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 30 由此得出牛顿力学前概念是广泛存在在未接受相应教育的学生头脑中的，只有消除或转变学 生的前概念，才能使学生正确地建立科学概念体系，形成正确的概念图。那么在接受了牛顿力学 教育后，学生的前概念是否继续存在？中美学生的前概念又会有怎样的变化？接下来对学习过牛 顿力学概念的中美学生（对照组）牛顿力学前概念进行比较分析。 3 . 5 实验组与对照组牛顿力学前概念的比较分析 3 . 5 . 1 对照组中美学生的 f c i 测试卷总体分析 表 3 - 1 1 中美两国平均成绩及正确率 正确率 中国 67.20% 美国 67.67% 由表3- 11可以清晰的看出，对照组的中美两国学生fci正确率非常接近，说明对照组学生之 间在理解牛顿力学相关概念没有显著性差异。两国学生的正确率都高于60%。说明中美两国学生 总体上已经具有了初步利用牛顿力学概念解题的能力。 3 . 5 . 2 中国学生实验组与对照组前概念分析 表 3 - 1 2 中国学生各类型前概念的频数分布（% ） k1 k2 i1 i2 i3 i4 i5 i6 i7 a2 p1 p2 p3 实验组 25.5 22.0 28.5 34.0 43.5 22.0 29.5 21.5 37.0 31.5 20.0 11.5 31.5 对照组 23.0 14.5 30.0 24.0 25.5 10.5 15.5 3.5 28.0 29.0 23.5 15.5 29.0 图 3 - 1 1 中国学生实验组与对照组各类型前概念的频数分布 通过表 3- 12 与图 3- 11 可以清晰地看出，对照组中中国学生的前概念基本呈下降趋势，说明 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 31 牛顿力学教学对学生消除和转变牛顿力学有一些帮助。但是消除和转变的程度不大，且对于某些 具体前概念，对照组学生的选择率有增长趋势。 由表 3- 12 可以看出对照组的中国学生在混淆位置- 速度 （k1） 前概念和混淆速度- 加速度 （k2） 的选择率仍然高达 23.0%；动力学 i2 至 i7 的六个类型的前概念上呈下降趋势，但 i1 的选择率有 一些提高；牛顿第三定律中 a2 最高选择率虽然有所下降，但仍旧很高；物体运动方向及路径维 度的 p3 类型前概念几乎没有改变，p1 和 p2 有增长的趋势。这说明学习相关科学概念后对某些 前概念有改善作用，但是整体上观察，对照组中国学生的前概念消除或转变的效果不明显。 3 . 5 . 3 美国学生实验组与对照组前概念分析 下表给出了美国学生实验组与对照组的前概念频数分布表和相应的频数分布图。与中国学生 对比，美国学生在 k1、k2 与 i3 类型前概念选择人数较少，这里没有进行详细的对比分析。 表 3 - 1 3 美国学生各类型前概念的频数分布（% ） k3 i1 i2 i4 i5 i6 i7 a1 a2 p1 p2 p3 实验组 23.0 43.5 61.0 20.5 45.0 60.0 21.0 77.5 68.5 71.0 33.0 23.0 对照组 24.5 7.0 17.5 13.0 25.0 7.0 13.0 30.0 47.0 53.0 19.0 12.5 图 3 - 1 2 美国学生实验组与对照组各类型前概念的频数分布 由表 3- 13 与图 3- 12 可以清晰地看出，对照组美国学生出了 k3（速度是标量）的前概念有增 加的趋势，其他类型的前概念均有下降的趋势。说明美国的物理教学方式对学生消除和转变前概 念的有一定的作用。下面对比分析中美学生实验组和对照组的学生前概念的变化情况。 3 . 5 . 4 小结 由于中美两国教育体制不同，课程设计也有很大差异。本次测试选取的实验组测试样本有中 国学生为宁夏地区高中一年级入学的新生，美国学生为俄亥俄州立大学新入学大一新生。因为彼 宁夏大学硕士学位论文 第三章 学生牛顿力学前概念形成现状分析 32 此都未经过系统地牛顿力学课程教学，所以作为实验组被试；对照组测试样本为中国学生为宁夏 大学接受了大学物理教育的学生，美国学生为俄亥俄州立大学接受了一年大学物理教学的学生。 表 3 - 1 4 中美