概念图在物理概念教学中的应用 高中物理获奖论文.doc

免费教育文稿网 无需注册，免费下载，关注课件、试题、教案的打包下载和参考高中物理论文概念图在物理概念教学中的应用温岭中学 江丽芳摘要：概念图是表示概念和概念之间相互关系的空间网络结构图，是用来组织和表征知识的工具。概念、命题、交叉连接和层级结构是概念图的四个基本要素。目前出版的教育心理学著作中都把概念图作为促进概念形成的一种策略进行了专题介绍。新课程的基本理念提倡教学方式多样化，在课程评价上强调更新观念，关注过程性评价，注意学生的个体差异。遵循新课程理念，笔者在高中物理教学中向学生介绍概念图的制作和应用，将概念图作为一种教与学的技能和策略，应用于高中物理概念教学实践中，以帮助展示学生的前概念、促进概念学习的结构性形成、实现概念教学效果的评价和自测、提升应用物理知识分析解决问题的能力。关键词：概念图，物理概念，教学实践一、什么是概念图概念图是由美国康乃尔大学的Novak教授首先提出来的。概念图是某个主题的相关概念及其关系的图形化表示，是用来组织和表征知识的工具。它通常将某一主题的有关概念置于圆圈或方框之中，然后用连线将相关的概念和命题连接，连线上标明两个概念之间的意义关系。概念图以直观形象的方式进行表达和思考，非常接近人的自然思维过程。从概念图中可以非常直观地从图中看出各个概念要素之间的联系。它们的联系不是随意的，而是有着非常清楚的层级；它们的联系也不是单线的，而是纵横交错的，这样的联系是全面的而不是孤立的。概念、命题、交叉连接和层级结构是概念图的四个基本要素。王立君. 概念图在促进认知和评估知识结构方面的理论与实证研究M.四川:四川大学出版社,2008:18图1和图2就清楚地显示了概念图的四个基本要素。可以看出概念图是表示概念和概念之间相互关系的空间网络结构图。图1 “力”概念图 图2 “运动”概念图二、概念图作为概念教学的策略Novak和他的同事们在1970年早期发明的概念图，就是用于研究儿童对科学概念的学习。至今概念图越来越受到教育心理学领域的关注，对于概念图在概念教学中的应用，目前出版的教育心理学著作中都进行了专题介绍。桑切克 （美）桑切克（Santrock, J. W.）著；周冠英，王学成译.教育心理学.北京:世界图书出版公司，2007 在其著作教育心理学“复杂的认知过程”一章中，将概念图作为促进概念形成的一种策略，“让学生对某个概念的层次结构进行图示有助于他们掌握这个概念。层次划分可用于帮助学生从了解概念的一般特点到了解其具体特点。层次结构也有利于记忆。”陈琦和刘儒德陈琦，刘儒德.当代教育心理学M.北京：北京师范大学出版社,2007 在其著作当代教育心理学“知识的学习”一章中，将概念图作为掌握概念的一种策略，“概念教学不仅仅止于让学生准确了解所教的概念联系起来，这就涉及概念关系图策略。”“概念关系图在教学中主要有两方面的功能，它既可以作为一个教学工具，建构概念图的过程中，学生能对概念之间的关系进行梳理，有利于理解的深入。同时它也可以作为评价工具，一个学生如果在做概念关系图时遗忘了某些概念或某些连线就表明学生对这一概念缺乏足够的理解，以此来发现学生对概念，特别是概念之间关系理解的疏漏”。三、概念图在高中物理概念教学实践中的应用全日制普通高中物理新课程标准中提出物理新课程的基本理念是“以提高全体学生的科学素养为目标, 在课程实施上注重自主学习，提倡教学方式多样化，在课程评价上强调更新观念，关注过程性评价，注意学生的个体差异，帮助学生认识自我、建立自信，促进学生在原有水平上发展。”遵循新课程理念，笔者认为在高中物理教学中向学生介绍概念图的制作和应用，在促进学生的自主学习、实现过程性评价、关注学生个体差异等方面能起到一定的辅助作用。（以下所给出的概念图均为学生手工绘制，笔者应用Inspiration软件加工整理而成。）作为一种科学教与学的技能和策略，笔者将概念图应用于高中物理概念教学实践中的以下几个方面：1、用概念图帮助展示学生的前概念物理是一门精密的科学，物理概念从实际中抽象而来，界定比较严格。物理学中许多概念与人们在日常生活里形成的直觉或潜意识（所谓“前概念”）相左，这对学生是不能绕过的障碍。如果不了解学生的前概念而进行单纯的新概念的教学，往往会导致学生在课堂上“暂时”接受了新概念，而在独立解决问题时又按照自己原有的理解来思考。制作概念图可以展示出学生的前概念，根据概念图展示出的前概念，学生就可以有重点地引发自己的思维冲突，从而进行有效的新概念的学习。学生头脑中的前概念有时是何等的顽固，相信大多物理教师绝对是深有体会、心有同感的。下面举一个例子说明。“一对相互作用力，大小一定相等” ，在进行力学中“相互作用力”这一概念的教学时，教师一定采取了很多的教学手段来帮助学生理解。比如用比较的方法让学生区别“一对相互作用力”和“一对平衡力”的不同，用实验的方法来验证或研究一对相互作用力之间的大小关系等。可是大小考试下来，学生头脑中对于“一对相互作用力”和“一对平衡力”的概念混淆总是无法杜绝。在07学年第一学期高一年级台州地区联考卷中有一道选择题：一个大人跟一个小孩面对面站在水平地面上推手比力气，结果大人把小孩子推过去了。对这个过程中作用于双方的力的关系，下列说法正确的是（ ）A 大人推小孩的力比小孩推大人的力大B 大人与小孩间的推力是一对平衡力C 大人推小孩的力与小孩推大人的力大小一定相等D 只有在大人把小孩推动的过程中，大人的力才比小孩的力大，在可能出现的短暂相持过程中，两人的推力一样大。 该题考查作用力、反作用力和平衡力关系，是一道在具体情景中的概念辨识题。对该题的分析数据显示：总体得分中等。抽样分析结果是：选A的4人(0.4%)，选b的47人(4.8%)，选C的604人(61.3%)，选D的305人(30.9%)。主要的错误是选择了D, 说明学生对作用力、反作用力在具体物理过程中还不大清楚。其实造成错误答题的学生并不一定是无心读书者，而是他的头脑中的错误前概念在作祟。为了能进行有效地教学，教师必须要及时了解学生头脑中的前概念。课堂上的讨论可以了解学生的前概念，可是有些学生会保持沉默或人云亦云。通过画概念图，可以让学生的前概念无处遁逃。还有些学生头脑中的前概念可能是凭老师的经验无法想到的，可能也是学生在没有画概念图时自己不易察觉的，而这很有可能是会在教师的讲课中被暂时掩盖而实际仍深深根植于学生头脑中的。在力学模块会考复习前，笔者给出下列关键词要求学生画一个相关的概念图：力、加速度、质量、物体的运动、惯性、加速、减速、匀速。下面是部分学生的概念图及对应的分析。图3是一位女生甲所作的概念图，她的成绩曾经在班里属于中上水平，可是后来由于思想不稳定，成绩明显下滑。图3 女生甲的概念图从图3中可以看出，这位学生对于“惯性”的理解很有问题。首先是她认为物体只有在“不受力”的时候才有“惯性”，其次在图中她把“质量”和“惯性”的位置放得较远，显然她还没有意识到“质量”和“惯性”之间存在的关系。借助学生概念图的制作，教师和学生都能面对学生的错误概念进行更有针对性地教学和复习。2、用概念图促进概念学习的结构性形成 物理概念形成的最终表现，就是建立结构。布鲁纳在认识论中说：知识是我们经验中的规律性以意义和结构而组成的一个模式。知识体系的组织意味着经验的简约与联系的构造。对于学科结构的作用，布鲁纳认为：第一、掌握了学科结构，就可以更容易地理解学科的内容和本质；第二、有助于对知识的记忆和再生，以联系去把握知识；第三、有助于知识的迁移；第四、有助于激起兴趣和思维。物理概念形成的不同阶段，教师要有目的、有计划地帮助学生建立起物理的“知识结构”，以便充分发挥知识系统功能，有效实现知识和能力的转化。比如在万有引力一章的学习中，学生往往会觉得在公转和自转中分辨重力、万有引力、向心力等概念有些困惑，此时适时引导学生先个人制作概念图，再由小组讨论改进，等一张合格的概念图制作完成后，学生对于这三个概念就不再是困惑了，同时，本章的所有运动规律也一并在联结词中尽显彰彰。下面所选的是经过小组合作后所画的万有引力的概念图，如图4所示。 图4 小组合作的“万有引力”概念图从图4可以看出，这个小组的学生在进行充分的讨论和思考后，他们对于万有引力这一章内容的理解已基本到位。在整个思考讨论和构图中，相信这一组同学对于这部分知识的掌握都会有很大的提升。通过学生自己制作概念图来检查对本章内容的掌握情况,同时把本章的内容进行巩固、整理,最终将它变成结构化的知识。同时，笔者还引导学生用概念图对每节课的内容加以“整理归图”，以达到复习和记忆的效果。3、用概念图作为概念教学效果的评价和自测传统的试题无法检测学生的知识结构，而学生在制作概念图后，教师可以根据学生概念图中结点的多少、连线的多少、连接词是否准确，来比较全面、完整地了解学生对知识的掌握和理解情况。学生也可以把它与专家的概念图进行比对，实现学生自我检测的效果。不过笔者下面所提到的评价主要是概念图所突出表现的定性的、更适合进行有针对性地个别交流的一方面。至于概念图的有关定量的评价，由于所涉及的评价标准和反馈都是比较烦琐的，所以这里不作分析。让学生用以下给出的关键词画一个概念图：力、加速度、质量、物体的运动、惯性、加速、减速、匀速。学生乙的概念图如图5所示。 图5 学生乙的概念图从这个学生所作的概念图中可看出，他头脑中的有关概念是不能构成网络的，显得乱而散，这样的概念图一定也反应了他的学习状态也是盲目无序的。这确实也与性格有关，他平常的表现就是大大冽冽、不拘小节，听课时经常漫不经心。笔者在解答他提出的问题时也总发现他概念混乱、基础不扎实。还有一个学生丙的概念图如图6所示。 图6 学生丙的概念图 这个学生的概念图显得有点单薄，如图中关于“加速度”与“物体的运动”之间缺少了联系。可是从该图中显示出她的创造性成分。比如，她用了“物体的初始状态”这个连接词，这至少反应出她的知识中有“力和物体的初始状态共同决定物体的运动”这一个较全面的理解，这在其他同学的概念图中是少有的，属于有创造性的一点。不过，图中关于“力”“决定”“质量”和“力”“决定”“加速度”这点，反映了她理解上的不确切。其实每个学生所作的概念图都是很具个性的，都是独特的。有些学生的概念图构图就很合理，可以称得上漂亮，而有的学生作出的概念图则是构图太过简单，甚至是粗糙的。通过笔者以上所选用和分析的概念图，我们不难发现，概念图确实是反映学生个别学习信息的一个很好工具，在这里反映出了学生头脑中真实的知识结构和潜概念。教师可以有针对性地分析学生的概念图，给予有针对性的指导，学生自己也可以面对自己的概念图，找出自己学习中存在的问题，有时候，这样的分析很具实践意义。4、用概念图帮助提升应用物理知识分析解决问题的能力物理概念形成的目的，是运用它分析、解决有关的实际问题。根据布鲁纳认知结构学习理论：领会基本原理和观念，是通向适当的“训练迁移”的大道，能进一步激发智慧。简单地说，他认为结构性知识是问题解决的基础。所以，概念图所形成的结构性知识，可以用来帮助学生提升应用物理概念分析解决问题的能力，教师在教学中可以尝试引导。例1、如图所示，空间有一水平匀强电场，在竖直平面内有一初速度为V0的带电微粒，沿图中虚线由A运动到B，其能量变化情况是（ ） A、 动能减少，重力势能增加，电势能减少 B、 动能减少，重力势能增加，电势能增加 C、 动能不变，重力势能增加，电势能减少 D、 动能增加，重力势能增加，电势能减少 这道题应属于一道稍难的综合题，所考查到的是电场甚至于整个高中物理的重要知识点，题中涉及动能、重力势能及电势能的变化分析。实际考查下来看，学生对于这一题的答错率相当的高。倒不是说学生头脑中没能建立这几种能量的变化与相应的力做功之间的关系，其实对于这些功和能的联系并不是大部分学生的最大难点。学生的问题往往是初拿到这道题时找不到解题思路，无从下手。如图7所示，笔者给出这样一个解题时必需的“审题概念图”，使学生目标明确，达到快速而准确地审题，培养良好的审题习惯是学生成功解题的关键。图7 审题概念图a本题中的已知条件“直线运动”是很容易被忽略的，如果按照上述审题思路，学生就会主动去寻找用于解题的已知条件，则不难找到图8所示的关系：图8 审题概念图b尽管已经找到了已知条件和问题，但显然两者之间没有很显性的联系，这时就需要展开各自联系的知识来达到解题。所以能构建一张相关的概念图就很有必要。本题中用到的相关知识之间的联系可用的图9来表示。图9 审题概念图c通过上面的概念图所展示的由“已知条件”与“求解问题”之间的联系网络，这道题的解题思路已经非常清晰。这种分析的思路是物理学科所要求的目标之一，所有的物理教师都会重视学生审题习惯的培养。但是不管教师如何强调，学生总是更习惯于用直接的“感觉”去解题。所以，笔者希望能够借助概念图，给学生一个可以用笔来画一画、理一理思路的模式，让他们能坚持下去，达到培养和提高分析问题、解决问题的能力。当然，由于是用于分析解决问题，所以我们不必要求学生的概念图构图有多么漂亮，能展示出其中的知识结构才是首要的，追求的是借助概念图这一形式能更有目标、更迅速地找到各项联系。这在解决一些较为综合的、联系实际的问题上就更为需要了。例2、如右图所示为测定电动机输出功率的装置，在电动机的转轴上有一半径r02m的转轮，在转轮上套有一条皮带，皮带一端挂一重力G = 50N的物体，皮带的另一端挂一个弹簧秤，当电动机以 = 100rad/s的角速度转动时，弹簧秤的示数为F = 850N，弹簧秤自重不计，则电动机的输出功率为多少瓦?在恒定电流一章的学习中，学生接触较多的是关于电动机的三个功率的区别，如电动机消耗的总功率是指P=UI，而电动机产生的热功率是指P=I2R，而电动机的输出功率是指P=UI-I2R，这里U指输入电动机的电压大小，I指通过电动机的电流大小，R指电动机绕线的电阻大小。当然解决电动机的问题时这些知识是必备的，但也正是由于学生对这方面的知识的熟知，在解决这道题时反而成了他们解题的思维障碍。因为根据心理学中的前摄作用，学生看到电动机本想用P=UI- I2R来解决的，可是题中却没有这方面的条件，所以导致学生一下子理