（课程与教学论专业论文）中学生电磁学课程学习中错误概念的调查及其成因分析.pdf

西南大学硕士学位论文 中学生电磁学课程学习中错误概念的调查 及其成因分析 课程与教学论专业硕士研究生薛海国 指导教师廖伯琴教授 摘要 基本物理概念是物理学习的核心，在过去的三十多年里，关丁二学生对科学概念的理解以 及概念转变的研究一直是国际科学教育研究的热点。研究方法别具特色，内容涉及力、热、 光、电以及近代物理、量f 力学等在内，而尤以力学领域内的研究最为集中和彻底。电磁学 概念作为中学物理知识核心内容，由于其抽象性，所以它同时又是较难理解的内容之一。本 研究欲通过借鉴吲外的研究成果，丰富我国中学物理概念学习的研究内容，了解中学生在电 磁学领域的前概念或者错误概念，有助于教师更好地把握学生已有的知识经验，了解学生错 误概念形成的原因和个体差异，从而更有针对性选择教学方法，帮助学生转变学习方式建构 科学的知识框架。 在理论研究部分，本论文以概念学习的有关理论为指导，结合物理学科的特点，着重对 物理概念的特点、物理概念的形成、影响物理概念形成的认知因素以及物理概念形成的差异 性作了分析，并阐述了围内外关于电磁学概念学习的研究状况，其中包括了c s e m 问卷 ( c 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 ) 编制的过程、测量学质量分析以及 它的应用研究。在实践研究部分，首先通过初测对c s e m 问卷进行了项目分析，筛选了部分 题目用于正式测验。正式测试时通过对重庆市三所中学2 1 5 名高二学生的问卷测试和部分访 谈，收集到中学生电磁学方面的错误概念和形成原因的有关数据。经过分析和整理后，得到 以下结论： ( 1 ) c s e m 问卷中的部分题日对于探查中国学生电磁学概念学习方面的困难，具有一 定的效度和信度。 ( 2 ) 被试学生表现出电磁学概念建构水_ 甲不高，错误概念形成的原因比较多，如前概 念的影响、建立错误物理模型等等。中美学生错误概念有相似之处，也有不同。 西南火学硕士学位论文 ( 3 ) 在本测验中，学校类型是引起测验成绩差异显著的唯一原因。性别的主效应、性 别与学校的交互效应不明显。 最后，针对在调查中发现的问题提出中学电磁学概念教学的相关建议，以及有待进一步 探讨和研究的问题。 关键词：电磁学概念错误概念形成原因前概念概念转变 i l 西南大学硕士学位论文 t h ei n v e s t i g a t i o no f t h em i s c o n c e p t i o na n dc a u s e a n a l y s i si nh i g h s c h o o ls t u d e n t se l e c t r o m a g n e t i s mc o u r s es t u d y m a j o r ：t h e o r yo fc u r r i c u l u md e v e l o p m e n t i n s t r u c t i o n s p e c i a l t y ：t h e o r yo fp h y s i c si n s t r u c t i o n t u t o r ：p r o f l i a ob o q i n a u t h o r ：x u eh a i g u o a b s t r a c t t h eb a s i cp h y s i c a lc o n c e p ti st h ec o r eo fp h y s i c a ls t u d y i nt h ep a s tm o r et h a n 3 0y e a r s ，t h er e s e a r c hr e g a r d i n gs t u d e n t su n d e r s t a n d i n go fs c i e n t i f i cc o n c e p ta n d c o n c e p tc h a n g eh a sb e e naf o c u ss t u d yi ni n t e r n a t i o n a le d u c a t i o no fs c i e n c ea l lt h e t i m e t h er e s e a r c ha p p r o a c hh a sc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s e a r c hc o n t e n t si n v o l v e m e c h a n i c s ，c a l o r i f i c s ，o p t i c s ，e l e c t r i c i t y , m o d e r np h y s i c s ，q u a n t u mm e c h a n i c s ，e t c t h er e s e a r c ho fm e c h a n i c sf i e l di sc o n c e n t r a t e da n dt h o r o u g h t h ee l e c t r o m a g n e t i s m c o n c e p ti st h ec o r ec o n t e n t so ft h eh i g hs c h o o lp h y s i c sk n o w l e d g e b e c a u s eo fi t s a b s t r a c t i o n ，s oi ti so n eo ft h ec o n t e n t so ft h em o r ed i f i c u l tc o m p r e h e n s i o na tt h e s a m et i m e i nt h i sr e s e a r c ht h ei n v e s t i g a t o ri n t e n d e dt om a k eu s eo ft h ep r o d u c t i o n f r o mt h ea b r o a da n dt oa b u n d a n to u rc o u n t f yt h er e s e a r c hc o n t e n t st h a tt h ep h y s i c s c o n c e p ts t u d yo ft h eh i 曲s c h 0 0 1 u n d e r s t a n d i n gt h ep r e c o n c e p t i o n o rm i s c o n c e p t i o n i nt h ef i e l do fe l e c t r o m a g n e t i s mo fh i g hs c h o o ls t u d e n tc a nf a c i l i t a t et e a c h e r st oh o l d s t u d e n t se x i s t i n gk n o w l e d g ee x p e r i e n c eb e t t e ru n d e r s t a n d i n gt h er e a s o nf o rs t u d e n t s m i s c o n c e p t i o nf o r m sa n d i n d i v i d u a ld i f f e r e n c ec a nh e l pt e a c h e r sc h o o s et h et e a c h i n g m e t h o de f f e c t i v e l y , a n dh e l ps t u d e n t sc h a n g et h ew a yo fs t u d y i n ga n dc o n s t r u c t i n gt h e s c i e n t i f i ck n o w l e d g ef r a m e i nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hp a r t ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e g a r d sr e l e v a n tt h e o r i e so f s t u d y i n gi nc o n c e p ta sg u i d e l i n e s ，c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fp h y s i c sd i s c i p l i n e t h er e s e a r c hc o n t e n t sf o c u s e so nt h ec h a r a c t e r i s t i ct ot h ep h y s i c a lc o n c e p t ，t h ef o r m n t 瞬南大学硕七学位论史 o ft h ep h y s i c a lc o n c e p t ，t h ec o g n i t i v ef a c t o r sw o r k ：a go nt h ep h y s i c a lc o n c e p tt of o r m ， a n dt h ed i v e r s i t yt h a tt h ep h y s i c a lc o n c e p tf o r m e d t h ei n v e s t i g a t o ra l s oe x p l a i n st h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hw h i c hs t u d i e so i lt h ee l e c t r o m a g n e t i s mc o n c e p t l e a r n i n g ，i n c l u d i n gt h ep r o c e s so fc s e mq u e s t i o n n a i r ew o r k i n go u t ，t h es u r v e yo f q u a l i t ya n a l y s i sa n di t sa p p l i c a t i o ns t i ：d y i nt h ep r a c t i c er e s e a r c hp a r t ，t h ei n v e s t i g a t o r c a r r i e f , 9 1 1t h ei t e ma n a l y s i st oc s e i “q u e s t i o n n a i r et h r o u g ht h ei n i t i a ls u r v e ya tf i r s t a n dc h o o s e ss o m et o p i c sf o rf o r m a ll e s t t h e nt h ei n v e s t i g a t o ra d o p t e dq u e s t i o n n a i r e t e s tt o2 1 5s t u d e n t si ns e n i o rt w of r o mt h r e eh i g hs c h o o l si n c h o n g q i n ga n d i n t e r v i e w e ds o m es t u d e n t si n 血ef o i t f l a lt e s ta n dc o l l e c t e dt h er e l e v a n td a t ao ft h e m i s c o n c e p t i o na n dt h ec a u s eo fh i g hs c h o o ls t u d e n t se l e c t r o m a g n e t i s mc o n c e p t i o n a f t e ra n a l y z i n ga n dp u t t i n gi ti no r d e r , w eg o tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 1 s o m et o p i c so fc s e mq u e s t i o n n a i r ef o r a s c e r t a i n i n gc h i n e s es t u d e n t s m i s c o n c e p t i o ni ne l e c t r o m a g n e t i s ms t u d ya r ca p p l i c a b l e 2 t h ec o n s t r u c t i n gl e v e lo fe l e c t r o m a g n e t i s mc o n c e p tf o rc h i n e s es t u d e n t si s l o w t h e r ea r em o r er e a s o n sf o rt h em i s c o n c e p t i o nf o r r m s ，s u c ha st h ei n f l u e n c eo ft h e p r e c o n c e p t i o na n dt h ew r o n gc o n s l r u c t i o no fp h y s i c a lm o d e l ，e t e i th a ss i m i l a r i t ya n d d i f f e r e n c ei nm i s c o n c e p t i o nb e t w e e nc h i n e s es t u d e n t sa n da m e r i c a nu n d e r g r a d u a t e s 3 i nt h i st e s t ，t h es c h o o lt y p ei st h eo n l yp r o m i n e n tr e a s o no fc a u s i n gt h e d i f f e r e n c eo nt h et e s ts c o r e t h em a i ne f f e c to nt h es e x ，m u t u a le f f e c to nt h es e xa n d s c h o o la r en o to b v i o u s f i n a l l y , t h ei n v e s t i g a t o rg i v e ss o m et e a c h i n ga d v i c ef o rc h a n g i n gt h e e l e c t r o m a g n e t i s mm i s c o n c e p t i o n s ，w h i c ha r ef o u n di nt h ei n v e s t i g a t i o n a tl a s t ，t h e r e a r es o m ep r o b l e m sr e m a i n e dt of u r t h e rp r o b ei n t oa n ds t u d y k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i s mc o n c e p t m i s c o n c e p t i o nf o r m i n gr e a s o n p r e c o n c e p t i o n c o n c e p tc h a n g e 附件3 ：( 装订在学位论文封面后首页) 独创性声明 y9 0 1 8 2 s 论文题目：生堂生电蕉堂矍墨堂型生壁送攫垒煎泅查曩基成圈盆堑 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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，也刁i 包含 为获得西南大学或其他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 说明并表示谢意。 学位论文作者：形旃妇】虱 签字日期： 动。房夕月日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权谣南火学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：街沟国导师签名： 签字日期：彩年咱加 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 两南大学硕士学位论文 l 问题提出 基本物理概念是物理学习的核心，在过走的三十多年里，关于学生对科学概念的理解以 及概念转换的研究一直是国际科学教育研究的热点。大话研究证明，在传统教学模式中，教 与学之间存在距离。企图通过告诉学生一个荆j ! 的概念而使学生在头脑中建立起该科学概念 往往是无效酏( 曲亮生，郭玉英，1 9 9 9 ) 。k 站际的教学中，由于多方面的坂冈，教师往往 只重视知识的传授而忽视学生原有的知识状亦和学生的反应，这是造成学生学习困难的很煎 要的一个原因。当学生学习谋堂知识时，头脑中已经存在了一些来自f 生活经验的对一般物 理现蒙的直觉认识，学生总是试 封将新的信息、观念、经验与域适合的已有知识联系起来。 学生已有的直觉认识中不仅包含有科学的成分，而且还宵片面的、错误的观点和认识。学生 认知结构中的错误概念会影响他们对科学教材和讲授的理解、对物理实验的观察以及对观察 结果的解释，极大地阻碍了学生科学概念的建立，严贡地影响了物理的教学质最。闻此有效 的教学只有充分重视学生在学习中的主体地位，倾听学牛的心声，解学生的各种想法，探 察学生认知结构中的错误概念，并采取相应的教学策略去纠正学生头脑中的非科学观念，这 样才能够达到教学所期望的物理学习目标。因面针对学生在物理概念理解方面进行研究，揭 示学生在概念理解中存在的备种错误概念，无论是在教学方法还是在课程设计方面，对促进 物理教学改革多将大有裨益。 在物理教学中，随着物理教育研究的不断发展，计算机、人丁智能领域中的成果不断应 用于物理教育实践中，认知心理学的理论与实证研究的发展成熟，使物理概念学习的现代研 究己发展到了一个全新的阶段。人们开始用建构主义的观点研究物理概念的认知活动，并从 物理结构、物理思维、物理文化等多方位多角度对物理概念的认知进行全新的阐释。自上个 世纪八十年代始，包括英国、美国、法国等在内的西方物理教育研究_ 【作者就着手对于学生 如何理解物理概念进行了大量研究，研究方法别具特色，内容涉及力、热、光、电以及近代 物理、量子力学等在内，而尤以力学领域内的研究最为集中和彻底。研究对象己从几岁的儿 童、中学生扩展到大学毕业生、研究生以及教师。近三十年来，国外物理教育工作者在此领 域取得了丰硕的成果，并把研究成果运用到课程开发和教师培训及教学改革中去，旨在促进 学生积极主动地学习和对基本概念的理解，对学生有效理解物理概念以及实现错误概念的转 化做出了很大贡献( 杨小红，2 0 0 3 ) 。 日前，国内物理教育研究者们对学生物理概念理解的研究也展开了充分的研究，己有的 西南大学硕 二学位论文 研究大多是以刚外的相关研究为基础进行的，仃更多的研究则还停留在教师教学经验总结的 阶段，研究范用已涉及力学( 王孝厂，2 0 0 4 ：廖敦利，2 0 0 4 ；千明怡，2 0 0 2 ；潘江洪，2 0 0 2 ) 、 光学( 范应元，2 0 0 5 ；杨小红，2 0 0 3 ) 、热学( 章学云，2 0 0 6 ；柳福提2 0 0 5 ；施沈阳，2 0 0 3 ) 、 电磁学( 陈继红，2 0 0 4 ；h l 春风，2 0 0 4 ) ，其中主要集中在学生对力学方面的概念理解研究 ：。继力学课程之后，电磁学作为普通物理课程中的核心课程之一研究的内容并不多见。 q f 究学生在电磁学学习过程c ：簪在的嗣难，这和电磁学在中。：物理教学中的地位和作用赴密 不可分的。概括地说来，在i ：0 物理课程中，电磁学的教学能使学生获得多方面的收益，比 如了解电磁场是物质世界的重要组成部分。电磁作用是自然界的基本相互作用之一。结合法 拉第发现电磁感应定律等物理学史的学习，能使学生了解到物理发现中的科学研究方法，培 养学生的科学思维能力，接受科学精神的熏陶。因此，本文欲借箍国外已有的研究，进一步 考察在中国的教汀背最下我国学生在电磁学学习方面的困难，为更好地促进学生知识掌握提 出相应的建议。 2 相关理论基础和文献综述 2 1 概念学习的理论研究概述 2 1 i 概念学习的有关理论 由于概念的学习和掌握对人的认知活动有着重要影响，因此，从2 0 世纪初开始，有关 概念的研究就己成为教育心理学领域中的一个重要方面，许多学习理论对此进彳亍了独到的阐 述。其中，较有影响的理论包括：皮亚杰的认知发展理论、布鲁纳的认知结构学习理论、奥 苏贝尔的意义学习理论以及建构主义的学习理论。 ( 1 ) 皮亚杰的认知发展理论 瑞士心理学家皮亚杰( j p i a g e o 是当代最著名的儿童心理学家之一，它是认知发展理论 的代表人物。皮亚杰认为，知识既不是客观的，也不是主观的，而是个体在与环境的交互作 用的过程中逐渐建构的结果。在这个过程中，学习者将新经验或新材料和旧经验或旧材料结 为一体，形成学习者内部的知识结构，即认知结构。皮亚杰指出，这个结构足以图式、同化、 顺应和平衡的形式表现出来的。所谓图示，就是个体对世界的知觉、理解和思考的方式。图 示是认知结构的起点和核心。图示的形成和变化是认知发展的实质，而影响认知发展的三个 两南大学硕士学位论文 基本过程是：同化、顺应和平街。 i 司化是个体将客体纳入到已有的图式之中，引起图示摄的变化，认知结构得到丰富和发 展，但总的模式不会发生根本的改变。如，学生在高一学习功的概念时，与初中学习时的不 同情景在于力与位移的方向互成任意角度，要把这一新情境下做功的刺激纳入到原有罔式 中，就必须把原有圈式扩展为w = f s c o sn 。 顺应是描个体因环境作用而引起的原i ? 吲示的变化，它是图示质的变化。顺应是认知结 构的更新或重建。如，电场力的做功图式，就不可能为机械做功的图式所包窖，于是通过改 造，得到静电场中电场力对电荷q 做功为w = q u ，与w = f s c o sa 是截然不同的两个图式。 平衡是指个体通过自我调节机制使认知发展从一个平衡状态向另一种较高平衡状态过 渡的过程。平衡过程足皮杰认知发展理论的核心内容之一。皮亚杰认为，在一般情况下， 当个体遇到新概念时，总是试图用原有网示去同化，若获得成功，便得到暂时的平衡，否则， 个体就会做出顺应，即调节原有图示或重建图示，直至达到认识上的新的平衡。从平衡一不 平衡一新的平衡的连续不断的发展，就是整个认知发展的过程，即是学生科学概念的发展过 程。 ( 2 ) 布鲁纳的认知结构理论 布鲁纳对学生概念的学习进行了系统的实验研究，提出了概念的假设一检验理论，并对 概念形成和概念获得作了区分。布鲁纳认为，学习者在学习的过程中是主动参与获得知识 的过程。即学习者是主动地对进入感官的信息进行选择、转换、存储和应用的，而不是知识 的被动的接收者。 布鲁纳认为，所有的知识，都是一种具有层次的结构。因此，教学时，要使学生理解学 科的基本结构，即要求学生以有意义的联系起来的方式去理解事物的结构。当学习者的认知 结构与教材的基本结构相结合就会产生强大的学习效益。 根据布鲁纳的观点，学生在概念学习的过程中，始终是以一种主动的方式来记忆和改造 概念的。学生的概念具有层次性，其中最基本的概念影响最大、最具概括性，当它们可以和 教材中的相关概念结合时，就会取得最佳的知识结构。 ( 3 ) 奥苏贝尔的意义学习理论 奥苏贝尔的学习理论将学习分为机械的学习与有意义的学习两大类。有意义学习的实质 使个体获得有逻辑意义的文字符号的意义，是以符号为代表的新观念与学生认知结构中原有 的观念建立实质性的而非人为的联系。有意义学习的过程是学习者获得对有意义材料的心理 意义的过程。 3 阿南大学硕士学位论文 奥苏贝尔认为，有意义的学习是以同化的方式实现的。这里的同化，按照奥苏贝尔的观 点，是学习者头脑中某种认知结构吸收新的信息，当新观念被吸收后，就使原有的观念发生 变化。 奥苏贝尔将概念学习模式分为上位学习、下位学习、并列结合学习模式。所谓上位学 习就是通过下位概念概括得出 二位概念的学习方法，如相刘丁机械能这一物理概念来说，幔 力势能、弹性势能，都属予r - , f ；z 概念，机械能则属于l ：位戳：岔，由重力势能、弹性势自概括 总结出机械能这一物理概念旧厅法就属于上位学习。所谓下位学习就足通过上位概念和原辣 己知的下位概念学习新的下位概念的方法如通过机械能这一上位概念和重力势能、弹性势 能这两个下位概念学习引力势能这。新的下位概念的方法就属下位学习。所谓_ ：j i = 列结合学习 就是寻找不同概念之问相似特征的方法，如万有引力定律和库仑定律这两个物理概念有它们 相似的特征：相瓦之问作用力与它们之间距离的平方成反比，由此可通过类比万有引力概念 建立的方法来建立库仑定律的概念。 ( 4 ) 建构主义学习理论 建构主义认为，前人积累下来的科学知识，包括物理学的基本规律、原理、理论等，不 是客观世界物质运动的固有规律本身，而是科学家提出来的被科学界所承认的一种较好的模 型或假设。建构主义的核心思想是“即使我们能够以很大程度的准确性预测物理现象，也并 不意味着我们所创造的关于现实的图景与实际的外部世界是符合的”。既然科学知识是科学 家群体经过社会性建构的结果，学生学习科学知识也要经过一个自我建构的过程。最重要的 是，这些知识在经学生个体重新建构之前对学生没有任何意义，其合理性不是外在的，不是 由科学家、课本和教师的权威赋予它的，因而，知识是不能用权威的方式传授的。 当代建构主义认为，学习是学习者主动建构知识的过程，而不是将课本和教师的知识装 入学生头脑中的过程。建构包括两方面的含义：第一，对新信息的理解是通过运用已有经验， 超越所提供的新信息而建构成的。第二，从记忆系统中提取的信息，也要根据具体情况进行 建构，而不是简单的提取。这表明，在学习过程中学习者的原有经验是十分重要的，这些经 验不仅包括学生在学校所学的系统知识，它指的是学生全部生活经历的积累，其中包括大量 非结构性的经验背景。这些经验不仅构成了学生学习新知识的基础，而且决定着新知识的意 义。所谓建构，实质上是学生头脑主动地将原有经验和新信息进行对比、分析、批判、选择 和重建知识结构的过程。这个过程类似于生命体成长的过程，是有机的，和盖房子的机械建 构有所不同，信息的提取也依赖于具体情景。因而有意义的学习不是一个简单的信息的输入、 存储和提取过程，而是在具体情景下新旧经验之间双向的交互作用过程。 4 西南大学硕士学位论文 由建构! 义对学习过程的解释可以推论，既然学习者不是带着空头脑来装知识，由于学 习者的原由经验不同，建构的方式也会崮人而异。即使在同学习情景【| l 接受同样的新信息， 不同学生也会获得不同的新信息，不同学生也会获得不同的意义或解释，即使取得不同的学 习结果。而且，学习结果与课本或教师所提供的信息也是古差异的。传统教学认为可以通过 文字或语言准确无误地将知识传递给学生是一种误解。从教学角度看，由于不同学生理解同 讷容的不同方面，学生之问的讨论和交流将促进学生对知议更会面的理解。 2 1 2 概念转变模型理论及其发展 学生在学习科学之前，头脑中己经存在了一些来自于生活经验的对科学的直觉认识，其 中，有些理解与科学概念基本一致， h 是有些理解与科学概念相违背，这就是错误概念 ( m i s c o n c e p t i o n ) 或者是相异概念( a l t e r n a t i v ec o n c e p t ) 。这些概念的核心特点有：是学生 头脑中强烈具有的一种稳定的认知结构不同与专家概念会对学生如何理解自然现象并 做出科学的解释产生重要影响必须克服、避免或消除，以使学生接受科学的理解。在科学 教学中，学生认知结构中的错误概念不但会妨碍新知识的理解，而且会导致学生产生新的错 误概念，从而严重阻碍他们对科学概念的学习。 概念转变是指个体原有某种知识经验由于受到与此不一致的新经验的影响而发生的重 大改变。对概念转变的研究始于2 0 世纪7 0 年代。从8 0 年代起，研究成果开始涌现。1 9 8 2 年，康奈尔大学的p o s n e r 、s t r i k e 、h e w s o n 、g e r t z o g 四位教授提出了概念转变模型( c o n c e p t u a l c h a n g e m o d e l ，简称c c m ) ，大大推动了概念转变的研究与教学。该理论是在皮亚杰的认知 建构主义理论、a u s u b e l 的认知同化理论基础上，参照k u h n 的科学史与科学哲学对知识的 “范式更替”的观点提出来的( 胡卫平、刘建伟，2 0 0 4 ) 。 这一理论提出了概念转变的条件，即为了促使学生进行概念转变，必须提供以下四个 条件( 张建伟，1 9 9 8 ) ：( 1 ) 必须引发学习者对当前的概念产生不满。只有感到自己的某个 概念失去了作用他才可能改变原概念，甚至即使他看到了原来的概念的不足，也会尽力作 小的调整。个体面对原来的概念所无法解释的事实( 反例) ，从而引发认知冲突，这可以有效 地导致对原有概念的不满。( 2 ) 必须使学习者意识到新概念的可理解性。学习者需懂得新概 念的真正含义，而不仅仅是字面的理解，他需要把各片段联系起来，建立整体一致的表征。 ( 3 ) 必须显示新概念的合理性。合理性，意味着他相信新概念是真实的。个体需要看到新概 念是合理的，而这需要新概念与个体所接受的其他概念、信念相互一致，而不是相互冲突， 5 西南大学硕士学位论文 它们可以一起被重新整合。这种一致包括：与自己的认识沧信念的一致；与自己其他理论知 识或知识的一一致；与自己的经验一致：与自己的直觉一致等。个体看到，新概念的合理性， 意味着他相信新概念是真实的。( 4 ) 必须使学习者意识到新概念的有效性。个体应看到新概 念对f j 已的价值，它能解决其他途径所难以解决的问题，并且能向个体展示出新的可能和方 向，具有启发意义。有效性意味着个体把它嚣作是解释某问题的更好的途径。概念的可理解 性、合理性、有效性之间密切相关，其严棍程度逐级上升，人对概念有一定的理解是看到概 念的合理性的前提，而看到概念的合理性又是意识到其有效性的 静提。h e w s o n 把概念的可理 解性、合理性和有效性称为概念的状态，是学习者对于概念所处的状态，包括可理解的、可 相信的及可广泛应用的等三个状态。学习者对于概念所处的状态愈高，其发生概念转变的可 能性也就愈高。也就是说，概念转变是发生在学习者能够充分理解与应用新概念时。而且他 还提出，不仅新概念的状态，原有概念的状态也会对概念转变产生影响，两者之间存在交互 作用。这里应注意，概念的上述三种状态不是概念实际上如何，而只是个体所看到、所意识 到的可理解性、合理性和有效性，是个体对新、旧信息整合过程的元认知监控。所以，概念 状态实际上就是学习者进行概念转变学习时的元认知。 p o s n e r 等人提出概念转变模型以后，对科学教学产生了重要的影响。很多科学研究者开 始利用概念转变模型的观点来分析、解释前概念，从而利用概念转变模型来解决学生们对前 概念的理解，使其接受科学概念。概念转变模型在得到发展之后也遭到一些批评，概括起来 主要有以下几种： ( 1 ) 除要看到概念内容的改变之外，还要看到学生认识方法的改变。学生的错误概念 往往是与他们认识的直觉经验方法相联系的( 2 ) 概念转变除受认知影响外，还受动机、态 度的影响。d r e y f u s 等在教学实验中发现，学生的积极的态度、较高的责任感对概念转变很 熏要，对知识漠不关心的学生很难产生认知冲突。另外，不成功的学生由于消极的自我印象、 过高的焦虑或消极的态度等，也会妨碍认知冲突的产生。( 3 ) 不要过于强调儿童日常经验 中的核心信念对具体概念的限制，概念转变常常并不是随核心信念的改变而整个地改头换 面，而是一个一个地进行的( 4 ) 概念转变并不一定是一步完成，它是一个渐进的过程，有 时两种概念同时存在和使用，或者把原由概念和科学概念揉合成新的混合概念。针对上述批 评，s t r i k e p o s n e r 对概念转变模型作了一些修改，其中之一就是他们把学习动机、对某 学科的性质和价值的认识等因素放到概念生态中。 6 两南大学硕士学位论文 2 物理概念教与学的理论概述 2 2 1 物理概念的特点 物理概念是在大挝观察、实验的基础上，运用逻辑思维的方法，把一些事物本质的、共 同特征集中起来加以概括而形成的( 阎金铎，1 9 8 4 ) 。不论是物理概念还是其它概念，逻辑 思维是其形成的必要条件，问时概念都有其内涵和外延。本文中提到的概念是广义的，它包 括定理、定律、规则等，即为高中物理电磁学课程中的基本概念和基本原理。 物理概念既有一般科学概念的共性，又有f i 身的个性。概括起来，物理概念具有如下的 特性( 梁树森，1 9 9 6 ：保俊，2 0 0 3 ) ： 物理概念的客观性。物理概念赖以产生的源泉是物理观察和科学实验，持别是那些具有 普通意义的物理概念更高不开相应的物理实验。同时，在实验验证和实际应用中，物理概念 的内容和表达更加丰富和完善。 物理概念的抽蒙性。一个物理概念就能反映出极其大量形形色色的物理现象的共同本质 属性，物理概念具有高度的抽象性它揭示的是事物的本质特征，如场的概念。己被抽象的 概念还可以派出新的物理概念，这称为物理概念的多重抽象性。例如，依赖电阻的概念可以 建立内阻、阻抗、电导、超导性等概念。物理概念的多重抽象性增加了物理学习的难度， 是学生感觉物理难学的原因之一。 物理概念的可测性。所有的物理概念都有质的规定性，其中的多数又同时具有量的规定 性。具有质和量两个规定性的物理概念叫物理量。大多数物理量可以通过一套测量程序予以 直接或间接的测量。例如，力、质量、电流、电压等物理概念可通过仪器直接测量，电阻的 概念也可以通过测量流经导体的电流和导体两端的电压得到。物理概念的这种可测性特点， 使具有抽象性的物理概念获得了赢观的特征，从而为人们理解和掌握物理概念提供了一条有 效的学习途径。 物理概念的发展性。物理概念随着人们掌握物理知识的不断增加，研究物理问题的不断 深入，不断的变化和发展。例如：法拉第发现了电磁感应定律后对于电磁现象的广泛而深 入的研究使他深信，在带电体和磁体的周围存在着某种特殊的“紧张”状态，并用电场线和 磁场线来描述它们。他认为电力和磁力不是通过空虚空间的超距作用，而是通过电场线和磁 场线来传递的。就这样，法拉第形成了他特有的电场和磁场的观念。电磁感应定律和场的观 念为电磁现象的统一理论准备了条件。到了法拉第的时候，人们认为对电磁场基本规律的了 7 两南大学硕士学位论文 解已经基本完成。当麦克斯韦把已有的电磁规律用几个方程式表达出来以后，发现其中有f 盾，只有加上他称之为“位移电流”的一项，方程式才是彼此相容的，然而这却导致了另一 项非常重大的发现一电磁波。 2 2 2 物理概念的形成 概念形成是人学会按照定的原则对二j ：物进行正确的分类。关于概念形成机制最有影响 的学说主要订两种：假设检验理论和样例学习理论( 王苏，1 9 9 2 ；樊琪，2 0 0 2 ) 。 l b o u t h i l e t 首创了假设检验模型( t h eh y p o t h e s i st e s t i n gm o d e l ) 。该模型认为，在 概念的形成过程中，概念的学习者是作为个问题的积极解决者出现的，学习者不断地产生 和检验假设，这些假设都是关于确定概念属性的规则和方式。每一个成功的假设通过运用它 把事物分为可以作为概念的例子和不可作为概念的例予两类得到检验。无论何时，一个不能 成功分类的假设就会被抛弃，而一个新的假设就会产生，商到正确的假设被发现为止。这一 假设检验模型己三被许多研究者所支持和应用。e h r o s c h 等人提出，假设检验理论是以对人 工概念的研究为基础的，而人t 概念不能成为实际生活中真实概念的代表。f i 然情况下，概 念形成以样例学习为主。真实概念不像人工概念那样有准确的定义，其样例上的特征不像人 工概念那样明确而有限。真实概念的内涵和外延往往比较模糊，因此比人工概念复杂得多。 结合这两种理论，我国有学者选用物理学科内的真实概念，探讨了科学概念形成的过程 和规律。母小勇( 2 0 0 0 ) 以“熵”概念为例进行了实验研究，研究发现人们总是应用最熟悉 的生活实例和日常经验、应用最熟悉的科学概念体系形成假设，形成假设的基本策略是首先 从最熟悉的科学概念体系中提取信息形成虽简单的假设，经过反复检验，逐步形成复杂抽象 的假设。母小勇( 2 0 0 2 ) 以“反作用力”、“机械能守恒”、“熵”、“场”四个物理概念 为例，对成人和中学生的物理概念形成过程进行了实验比较研究。成人与中学生的物理概念 学习曲线有一定的差异。与中学生相比，成人知识范围广，相关背景信息多，受思维定势影 响大，因此其学习曲线在振荡期有时持续上攻，有时振荡上行，且高原期出现较晚，持续时 间长，而中学生学习曲线在振荡期往往开始下行然后上攻，且高原期出现较早，持续时闻短。 成人与中学生物理概念学习过程曲线都有一段以较快的速度急剧上升呈突变式的过程，说明 成人与i 1 学生物理概念学习的最终完成还是要依靠他们的自组织学习活动。此研究表明，在 概念教学过程中，教师对学生的学习能起到缩短振荡渐进期和高原期的有限的但是非常必要 的作用，教师对学生最终完成认识的突变或飞跃则无能为力，最终完成突变或飞跃要靠学生 j q 南犬学硕士学位论文 己。这与建构主义的学习理记一h l 点有着相似之处。另外樊供i 0 0 1 ) 选取真实的自然科学 i _ _ 念“力”米刖概念形成过程在川，的外显与内隐学习进行! 、。i 隧探索证明了自然科学概 念形成过程中内隐学习的存在，阐释了概念形成过程中内隐学习的效率可与外显学习不相上 f ；揭示了真实的f j 然科学概念形成过程足l h 渐进期一高原期突变期三个阶段构成的，与 母小勇等人怕研殳结论一敛。 物理概，纠i l 括两种层次：足科学家立物理概念的过释：_ 是学，f 建立物理概 念的过程。从认涂角度嚣，两种层次的物理槭i ；i 形成都足对物理i | = 界的认识过程，它们是 一致的、统一的。既以脯觉、知觉和袭象为基础，通过分析、综合，抽致、概括等思维活动， 从个刷刊一般从 ；体到抽豫，从知识到心用，逐步把握物r 十现象和物理过程的水质的认识 过程。戎l j j 箍( 1 9 9 6 ) 认为物理概念的口成显然是概念形成的个子集，先从一般的认识论 来研究概念? 戒，垃后落实到研究物i b 概念形成。综讨论得到物理概念形成的认识论模式 肯：“实践恐模式”、“发生认识论模式”、“科学认识论模式”。同时杏有梁( 1 9 9 6 ) 认 为“力”、“场”、“能”、“熵”、“时问柑对性”、“波粒二绿性”这6 个重要物理概 念的形成，小仅仅用单她的模式【】j 虹j j 系统科学的基夺原理，充分吸收认识论关于概念 形成岫种种漠式，综合丽成的“系统关联模式”。且以“力”的概念j ；成进行了理论探讨和 实验研究，：。明“系统关联模式”施0 叶。：“踟作现象模式”的利学啦和有效性。 2 2 3 影吭：0 理概念形矗曲认知因未分析 学生的。乎习效果主要受两个方面的影响，一是环境因素，即教师、教材、教法、学校及 班集体，乃至家庭环境等外部因索。_ 是心理冈素，即学生本身的认知因素、学习动机、人 格特征等内部因素。已有的调查和理论分析中( 颜伟明，2 0 0 3 ；乔际平，2 0 0 2 ；马开剑，1 9 9 6 ； 田世昆，1 9 9 6 ) ，对影响物理概念学习的因素作了一定的探讨。在这里综合已有研究，讨论 一下影响学生物理概念形成的主要认知因素。 ( 1 ) 前概念 前概念( p r e c 。n c e p t i o n ) 是前科学概念的简称，它是指个体在没有接受正式的科学概 念教育之前，对日常生活中所感知的现象。通过长期的经验积累形成对事物非本质的认识。 因此前概念也称为日常概念。大多数前概念是错误的或片面的，会干扰正确的物理概念的形 成。在物理概念学习中，学生头脑中的前概念足必然存在的。他们从出生就开始了探索环境、 顾应环境的活动，在与环境的相互作用中，有了大量的感性经验，并形成了关于客观世界的 表孽。他们头脑巾的概念只是依据这种表象形成的，没有经过科学抽象。概念之间虽形成了 9 西南大学硕士学位论文 一定的网络，但没有严密的逻辑联系。学生头脑中的错误概念含有自己对自然界的先入为丰 的印象，又是 l 已切身体验到的东西。嘲此，学生往往对自己早先形成的各种错误概念深信 不疑，并试图将这些错误概念迁移到对新环境新现象的解释【| i 去。例如，物体的自然状态是 静止的，物体只有在力的作用下才能运动，并且运动快慢与力的人小有关；落体的快慢与物 体的j 覆量有关，物体越重，落得越快；冬天，室外铁块比术块的釜j 度低等。 ( 2 ) 感性认识 婪形成正确的物理概念，充分理解物理概念的内涵和外延，爿活解决物理问题，必须获 得有关客观事物足够多的感性材料。最主要的感知形式有观察、实验、i 听讲、阅读。观察不 是一般意义上的感知，是有目的、有计划和有思维参与的知觉过程，是“思考着的知觉”。 通过观察应能够比较深入地r 解物理现象，物