初中生物理前概念调查及转化策略探讨.doc

初中生物理前概念调查及转化策略探讨同安一中 叶阿棉摘要：物理概念教学中教师如漠视学生的前概念，往往会给学生造成物理难学的印象，从而也影响到教学效果。本文通过调查初中生物理前概念情况，将学生对力学、热学、声学、光学、电学等内容的前概念作了分析，并从物理前概念对物理学习存在正反两面的影响作用入手，结合教学实践着重探讨在课前备课、课堂教学、课后反馈等三个主要环节，如何针对学生的实际情况进行合理地教学设计，从而实现前概念到正确概念的转化，促进学生对物理知识的理解应用，达到提高物理教学成效的目标。关键词：初中生 物理前概念 调查 转化 物理概念是反映物理现象、物理过程的本质属性的思维形式。如果把物理学比喻为一座大厦，那么物理概念无疑是这座大厦的基石。从某种意义上来说，物理学发展史实际上是一部物理学概念发展史。物理概念是培养学生能力的主要途径之一。但由于多方面的原因，物理概念教学往往是物理教学中的难点。如：已经被人们意识到的，学生已有的一些错误的、不妥的、不完整的物理前概念对建立、接收、理解和运用物理科学概念的影响，就是物理概念难教难学的重要原因之一。美国当代著名认知心理学家奥苏伯尔在他所著的教育心理学：一种认知观扉页上，有一句被广泛引用的反映学生原有知识状况重要性的话：“如果我不得不把全部教育心理学简约为一条原理的话，我将会说，影响学习的最重要的因素是学生已经知道了什么，并据此进行相应的教学。”如果教师漠视学生的前概念，特别是学生头脑中与科学认识相异的前概念并未受到挑战，经过一段时间，学生对该概念的理解又回到原有的认识，在新的问题情境下连连出错。不少教师因此抱怨“学生太笨了！讲这么清楚居然还是不明白”。是学生笨还是我们不了解他们的想法？教师讲清楚了是否学生就会真正理解？学生学习物理概念的过程是怎样的？本文将对有关前概念的几个问题作一些探讨。 一、 初中生物理前概念调查分析（一）物理前概念的涵义。国内外大量的研究表明，学生在学习新的物理内容之前头脑中并不是一张白纸，而是存在自己对有关物理现象或问题的想法，并伴随着一定的思维方式，我们把这些原有的认知结构和认知模式称为前概念，其中有些与科学认识相近，有助于学生在物理学习中形成概念，是学生进行物理学习的基础。但也有许多前概念是肤浅的、模糊的，带有片面性，甚至是错误的。（二）初中生物理前概念调查。如果学生的头脑不是空的容器，那么，在学习新的物理内容之前，他们的头脑中存在哪些影响物理学习的认识呢？本人访谈了10位教师（其中三位本校七位外校）和20名学生（初一10名，初二10名），同时依据多年的教学经验和在研究小学的科学教科书的基础上设计了一套初中生物理前概念调查问卷，分别对初一三个班180人、初二三个班180人共计360名学生进行调查，调查结果如下：1、力学部分的前概念调查情况学生对运动的相对性和速度、时间、路程之间的关系有了一定的理解，如坐汽车看到树向后退，对生活中的速度大小有了许多感性的认识，但对速度的方向认识不足。学生对密度的概念有一定的认识，一半多的学生认为“铁比棉花重”在于“铁的密度比棉花的密度大”，但是，“质量”与日常生活中的“重量”相混淆，对于质量相同的不同物质，质量与体积的关系不能正确把握。学生理解的“力”与物理学中的“力”有差别。学生大多数认为男孩的“力”比女孩大，主要依据是男孩一般身体比较强壮、高大，并不能将“力”与“物体对物体的作用”联系起来，而是用生活化的“劲”或“力气”来看待。同时他们认为要产生力两物体要相互接触。对“力的作用是相互的”大多数学生能够认识到，但对两个力的关系70的学生认为鸡蛋和石头相碰时，鸡蛋碎了是因为鸡蛋受到的力大于石头受到的力；拔河比赛时甲队取胜是因为甲的拉力大于乙队。学生对“力和运动”关系的理解是经验性的，存在很多错误观点。比如83的学生认为物体要运动就一定要受力，70的学生认为踢出去的足球能继续在草地上运动是因为足球受到向前的冲力，静止的物体受到力就会动起来，给正在运动的物体上施加一个力，物体就会比原来更快，作用在物体上的力越大物体就会比原来更快。关于惯性现象大部分学生能够举出一些实例，如“汽车刹车时不会马上停下，就是因为惯性”，“跑步跑到终点时不可能马上停下来，还要往前冲两步”等等。但对惯性大小的问题，有70的学生认为物体的速度越快、体积越大，惯性越大。对于水平飞行的机舱掉出的东西下落路线不能准确描述。学生对摩擦力有一定的认识。68的学生认为轮胎上有凹凸不平的花纹是为了增大摩擦力，但同时也存在错误的观念，70的学生认为摩擦力总是与物体运动方向相反，53的学生认为静止的物体没有摩擦力，运动的物体才有摩擦力;大部分学生认为摩擦力只能使物体静止而不会使物体运动；物体的速度越大，就需要更大的摩擦力让它停下来。学生对浮力也有很多感性的错误认识，比如70的学生认为体积大的物体受到的浮力大，物体就上浮，体积小的物体受到的浮力小就下沉；60的学生认为重的物体浮力小，轻的物体浮力大。2、声学、光学部分的前概念调查情况对声现象大部分学生对声音的特性有一定的了解，并能对音调、响度、音色加以区分，但对于声音的传播大约70的学生认为在气体中传播最快。对于光学部分，对光的直线传播大约40的学生认为光在空气中都是沿直线传播的，近半数的学生知道或观察过光线发生偏折的现象如筷子插入水中、海市蜃楼等。对平面镜成像的认识，只有不到50的学生认为物像等大，而约35的人认为像比物体小，另外还有部分学生认为像比物大；对于像物关系，只有不到30的学生认为物体靠近平面镜时，像的大小一直不变，约60的人认为像越来越大；对像的位置约60的人认为成像在平面镜上。对凸透镜、凹透镜的会聚发散作用，近一半的学生能够知道，但对于各种镜片如潜望镜、近视镜、远视镜等光学镜片种类大多数学生不能正确区分。3、热学部分的前概念调查情况对自然界物质的三种状态有初步认识，知道冰、霜等是自然界水的状态，但是对水蒸气的认识却错误者居多。约86%的同学认为雾、烧开水冒的“白气”是水蒸气。约28%的同学认为霜是液体。同时对六种物态变化认识正确的不多，60%的同学认为雾的形成是汽化，正确认识液化的只有16%；对“樟脑丸消失”60%的同学认为是汽化，只有14%的同学认为是升华；对“冰化成水”也有50%的同学认为是液化。而对于“春天天气潮湿时墙壁上附着很多小水珠”，约80%的同学能够认识正确。对不同物体的吸热性能，“分别插入沙和水中测量，结果放在沙里的温度计的读数比放在水里的温度计读数高。这说明什么？”学生选择“沙的温度上升的高，说明吸热能力强、吸热多”者约60% 。对吸热的过程与传热的过程有一定的认识。在解释冬天手摸到户外的东西，会觉得金属比木头凉的问题时，58%学生认为“金属传热快，木块传热慢”，30%学生认为“金属的温度低，木块的温度高”，12%的学生认为“金属吸热多”。4、电学部分的前概念调查情况对自然界的两种电荷和电荷间的相互作用大部分学生能够正确认识。对于电路构成，约90%的同学认为电路的构成需要两根导线，但是，只有20%的学生能够给出正确的解释，即认为两根导线是为了形成闭合回路；75%的学生认为是因为电源有正负极。对生活中的一些导体绝缘体学生有一定辨别能力，但对于纯净水大部分学生认为是导体。学生对电流、电压很难理解，不能很好地区分电流电压。对电路的连接方式也不理解，62%的学生认为家庭电路的连接方式是串联。学生对于“能量”的观念并不明确，66%的同学认为“小灯泡发光电池正极的电流大，流回负极的电流变少了，这是因为电流被灯泡消耗了”是正确的；同时60%的同学认为节能灯发光是由于里面的物质发生化学反应，不存在明确的电能观念。（三）、初中生物理前概念调查简析从对学生的调查可以看出学生的前概念异常活跃，范围广泛，它涉及到力学、热学、声学、光学、电学等内容。学生在生活中经常接触到、看得见、摸得着的事物能形成较多的前概念。对于很少接触，又很抽象的（例如微观的、宇观的）事物，则很少有相应的前科学概念。初中学生对力学、热学、电学和光学现象有较多的前科学概念，对电场、磁场、电磁感应等几乎没有什么前概念。在调查和交谈中教师普遍对学生中一些顽固的不易转变的“看法”深有体会。但由于教师平时的实际教学工作比较繁琐，大量的时间花在作业批改、转化差生上，而认真研读教学、心理理论书籍较少，再加上教学参考书、教研活动或教师之间的经验交流都很少涉及前概念这一理论，使得大部分教师对前概念理论几乎没有了解。少数经验丰富的教师有部分了解，他们根据自己的教学实践知道学生存在的一些典型物理前概念，只是凭着自己的多年经验作判断，主观性很强。几乎没有老师在上课前会对学生进行调查，或者是口头了解，所以他们对于“声音的传播大约70的学生认为在气体中传播最快”了解不到。多数教师非常强调正确概念，排斥和否定前概念，没有注意到前概念的正面作用。对学生的错误前概念的关注基本停留在非常明显的错误前概念，对于不太明显的前概念则不太关注，因而难于彻底消除错误前概念的消极影响和顽固性。二、前概念对学生物理概念学习的影响物理前概念是学生长期与物理环境作用通过主体的建构而形成的，对物理学习既有积极的作用也有消极的作用。（一）正面影响正确的物理前概念是物理学习的良好基础和铺垫，它的正迁移作用可成为物理概念学习的资源和概念学习的新的增长点，可使学生尽快地掌握新的概念和知识结构。如学生在学习物理前已对生活中的一些物理现象和规律有所了解：在力学方面，他们知道了运动的相对性，知道越重的物体推着前进需要克服的摩擦力越大；在声音方面，他们感受了乐音和噪声；在热学方面，他们对自然界中有了冷、热的不同感觉，知道物体的气态、液态、固态，对水的蒸发、沸腾现象非常熟悉；在光学方面，他们知道了光的直线传播，观察到蓝天白云、日月星辰，他们对彩虹的形成、照相机照像等充满了好奇对这些已知物理现象的了解和好奇是新知识学习的基础，有助于激发他们进一步学习物理的兴趣，促进正确物理概念的建构和意义学习。（二）负面影响苏霍姆林斯基指出学习的一条重要规律：在学生的意识中，不明确的、模糊的、肤浅的表象越少，压在他肩上的学业落后的负担就越轻，他的思想对于以后再第一次学习新教材的准备就越充分，他在课堂上的脑力劳动的效果就越好。可见前概念对后续的科学概念的学习多起负影响。所以，一些情况下，对物理现象、过程、材料的片面或错误理解而产生的前概念，将会成为学生学习物理的障碍，这些错误的前概念如果得不到及时纠正，学生会觉得物理难学，导致学业的落后。例如83的学生认为“物体要运动就一定要受力”的错误观念，那么他们会认为足球在空中飞行理所当然受到冲力作用，这个错误观念会影响到一系列的物理知识的学习。86%的同学认为雾、烧开水冒的“白气”是水蒸气，所以对“雾、白气是如何形成的”肯定也就存在误区了。国内外物理教育界近年来的一些研究表明：一旦学生对某些物理现象形成了前科学概念，要想加以转变是极其困难的。尤其是那些在人类科学认识史上经历曲折历程的前科学概念。例如，物理学中的“惯性”概念就是如此。在物理教学中，那种认为只需要“正面”传授知识，学生就能接受，如果他们仍不理解，可以多讲几遍，就能达到目的的观点，实践证明是过于简单化、理想化了。因为在有些学生的经验中，早已有了与亚里斯多德“力是维持运动的原因”的理论相类似的概念（观念），如果让他们叙述惯性的概念时，他们往往能“倒背如流”，而让他们运用惯性去解释一些问题时，又往往用他们的前科学概念的经验去解释。常听老师抱怨学生不能正确理解其反复强调的知识，事实上众多先入为主的“前概念”是学生“屡教不改”的根源之一。三、物理前概念的转化策略探讨错误的物理前概念具有广泛性、顽固性、自发性和反复性等特点,要使它们彻底转变为科学的概念不是一件容易的事情。研究表明，要实现概念转变必须满足下列四个条件：（1）学习者必须对现有的概念感到不满意，即现有的概念不能解释新的事件或者不能解决当前遇到的问题，从而引发认知冲突；（2）新的概念必须是可理解的，学生能明白新概念的涵义，理解其意义，发现表征它的方式；（3）新的概念必须是合理的，被学习者认为是正确与科学的，并能够与学习者所认同的其他观念相符；（4）新的概念必须是有效的，能解决学生原有概念所不能解决的问题。就是说，学生必须明确他们个人的观念或证据是不适当的或是不完整的，而科学的概念可以作为一个更具有说服力的取代物，这时概念转变才能发生。教师通过在课堂中设置一定的情景引导学生通过亲身经历是学生概念转变的一条有效途径，但要使学生放弃他曾深信不移的观念，接受一种全新的观念，将是一个困难的过程，有时甚至出现反复。因此，本人认为按照概念转化的四个条件，应该在教学主要三个环节，即在课前备课、课堂教学、课后反馈等环节，针对学生的实际情况进行合理设计，从而实现前概念的转变。（一）课前备课环节课前备课时要注意结合教材内容调查学生前概念情况，确定教材内容，结合实际做好教学过程设计。1、开展调查分析，了解学生前概念情况结合教材内容，可以从以下几个步骤入手，调查分析学生的前概念情况：（1）精心设计诊断性题目，普遍了解学生在某一章或对某些问题的前概念；（2）统计测试结果，依据测试结果所反映出的问题，整理出较典型的且与科学概念相异的问题，确定焦点问题；（3）课前针对焦点问题召开不同层次学生的座谈会，座谈会要创设一种和谐轻松的气氛，让每个学生都能畅所欲言，把自己对此课题的相关想法以及产生这些想法的原由统统都说出来。2、做好教材分析，确定教学内容分析时可不受教材的限制，教材没涉及的内容，教材里没有的实验，只要有利于转化学生的前概念或建立正确概念的均可充实进来，但注意不要增加知识本身的难度。同时可以分析小学科学中与教材有关物理部分，了解学生物理前概念形成的原因。比如热学中初中生对六种物态变化存在较多的错误前概念，本人分析了江苏版的小学科学四年级上册第27页“云、雾、雨、露、霜、雪都是由空气中的水凝结成的，那么空气中的水又是从哪儿来的呢？”这一句可看出小学对这一问题留下了许多模糊之处，造成学生思维上的混乱，成为学生较为牢固的前热学概念。3、根据焦点问题，选择教学策略学生的前概念也是重要的教学资源，是教学设计的出发点。考虑到学生的困难，针对学生的错误前概念，可以利用多媒体的优越性，将实际生活中的有关现象以照片、录像等形式展现在学生面前，或从学生熟悉的实验入手，给学生创设一种真实、复杂、有意义的情景，从中提出问题。这样做，一方面给学生提供了实际经验和感性认识，为发现问题、展开探究活动和进行知识建构奠定了基础；另一方面也使学生认识到物理学的意义和价值，体验到应用物理知识分析和解决多种问题的过程。这样不但可以提高学生学习的积极性，还有利于知识的迁移和实际应用。而后以问题为中心选择和设计指导学生开展探究活动和建构知识的教学策略。（二）课堂教学环节课堂教学中要注重根据焦点问题，创设问题情境，开展探究活动，引导学生向科学概念发展（以学习科学探究：牛顿第一定律这一节课为例）。1、利用直观的图片或实验，引发学生的前概念教师可以利用多媒体的优越性，将实际生活中的有关现象以图形、图片、录像等形式展现在学生面前，或从学生熟悉的实验入手，再现知识发生、发展的过程，为学生提供丰富的感性材料，让学生将头脑中的前概念以某种形式清楚表达出来，鉴定出其中科学的成分和不科学的成分。如学习科学探究：牛顿第一定律这一节课，学生早已有了与亚里斯多德“力是维持运动的原因”的错误前概念，而且这一前概念来自于学生十几年的生活经验，可谓根深蒂固。因此使学生从错误的前概念向科学概念“力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动的原因”转化是本节的焦点问题。一开始引导学生利用身边的物体进行实验，让学生推桌子，桌子运动，撤去推力桌子运动将停止。提出问题：从这一个实验，大家可以得出力和运动有什么关系呢？学生就暴露了他们的前概念“物体的运动需要力，若不受力，物体就不会动或停止运动”。同时也暴露了学生在叙述力的概念时往往能够“倒背如流”，但是用来解释生活经验时，又往往用他们的前科学概念的经验去解释，即潜意识又把“力”狭隘地理解成“力气”，体现了前概念的顽固性和反复性。2、设置问题情境，引起学生的概念冲突教学中肯定学生有关前概念中的科学的成分，并以此作为教学的基点。对不科学的成分，教师就要引导学生根据已有的物理知识和学习经验展开相互讨论，通过对所要探究的问题提出相应的“合理的”假设和猜想，设计探究实验对其进行验证。通过学生亲自动手实验、教师演示实验或逻辑的推理等方法，促使学生发现实验结论与最初的假设或客观事实矛盾，从而引发学生的认知冲突。上述的推桌子实验现象之所以会造成学生错误的前概念，究其原因，主要是撤去对桌子的推力后，所受地面的摩擦力相对较大，使桌子的运动状态改变得很快，减速过程太短暂，即桌子从运动到停下来的时间太短，学生无法观察到桌子减速的过程，所以要从根本上扭转学生的错误观念，必须想办法把停止对物体用力后，物体的运动状态的变化过程尽可能放大。学生只有看到具体的现象后，才可能改变过去认识上的错误，真正从心里接受正确的科学观念。本人作了以下尝试：把木桌子改成塑料椅子，加快椅子的运动速度，观察椅子失去推力后的减速过程。采用此方法，学生观察到椅子的减速过程，并和多媒体图片“汽车刹车后继续前行一段距离”、“踢出去的足球会继续飞行”的现象类比，把活生生的现象摆在学生面前，与学生头脑中已有“失去力物体的运动就停止”的错误观念发生冲突。认真完成八年级沪科版教材上的实验：让同一小球以相同的初速度分别在摩擦力不同的表面（毛巾、棉布、木板）上运动，观察小球运动距离的远近。在第一次毛巾表面实验完，引导学生对上述实验现象进行讨论：小球从斜面上滚下到达水平面的时候有一定的速度吗？小球是否马上停止运动吗？为什么最后停下来？学生大多能够回答是因为受到摩擦力。接着又问：摩擦力是力吗？分析得出：恰恰是因为（摩擦）力，使物体的运动不能持续。与学生原先的“物体的运动需要力，若不受力，物体就不会动或停止运动” 错误观念相矛盾，可以引导学生去重新思考力与运动之间的联系。接下来在棉布、木板表面，小球运动的距离越来越远，小球运动状态的改变越来越慢。而后提出如果是在玻璃的表面上呢？进一步理想化：如果是在摩擦力为零的表面上，物体将如何运动？这些实验现象和猜想，为下面的实验进行了思维上的铺垫。3、分析引入科学概念，达到概念的替代当学生因看到其自认为“合理的概念”不起作用（导致预测失败）而受到挫折和感受到挑战时，而产生“惊讶”、“简直不可思议”时，师生就可以通过实验结果的分析、论证、抽象等说明错误的原因，让学生对所研究的问题提出新的概念，做出新的逻辑假设并再通过实验来验证他们的新假设，直到得出科学的结论，最终导致学生“自己”以起作用的经验代替不起作用的经验，获得概念转变，并在教师的引导下用物理语言归纳表述出科学的物理概念。气垫导轨实验：由于气垫导轨装置正常工作时，滑块与轨道之间只有一层空气层，摩擦力极小，可以进一步放大物体失去推力后的减速过程。用气垫导轨演示滑块在气体轨道上撤消推力后的运动情况，学生可以清楚地观察到滑块的运动状态几乎不变，此实验现象有力地驳斥了学生头脑中“物体的运动需要力，若不受力，物体就不会动或停止运动”的错误观念，加之前面做的层层思维铺垫，从而可以使学生比较顺利地否定以前的错误观念，接受正确的力和运动的关系：力是改变物体运动状态的原因，如果不受外力，物体将保持原有运动状态不变。4、进行应用迁移，有效指导实践，解决实际问题实现了对前概念的转化并不是学习的结束，学物理的目的是为了用物理，引导学生用物理概念解释日常自然现象，使学生不得不信服物理概念的正确性，同时物理概念也得到创生和活化。在归纳出“牛顿第一定律”和学习“惯性”概念以后，让学生回答：在汶川抗震救灾时，用飞机空投物品，物品下落过程中，如果它所受的力全部消失，那么它将做什么运动？为什么轿车上一般都配有安全带和安全气囊？对于