信息技术环境下促进学习者辨析高中物理功的迷思概念的案例分析

信息技术环境下促进学习者辨析高中物理功的迷思概念的案例分析颜开申俊伟李贺国（吴川市第一中学524500）摘要功是物理概念中比较抽象的概念之一，在高中物理中起着重要的作用。有关功的相关概念的教学是否完整、到位、正确，不仅关系到功的计算能力的提高，而且直接关系到学生对能的全面理解，并最终影响对学生学习能力的培养。本案例通过对控制组G1进行试题评测和抽样调查发现了学生在传统的物理教学环境下学习了功的相关内容之后，仍然存在的主要迷思概念，并对主要迷思概念的产生原因进行了分析，得出传统的教学难以转变学生的迷思概念的结论。针对统计分析的结果，课题组基于信息技术课堂教学环境重新设计了教学过程，并对实验组G2进行课堂教学，并通过试题评测检验了教学效果。最后提出了改革物理课堂教学策略的一些教学建议。关键词信息技术环境辨析功迷思概念案例分析一、引言本案例研究属于全国教育科学“十一五”规划国家一般项目《信息技术环境下促进理解的有效教学研究》的子课题《信息技术环境下促进学习者辨析迷思概念的研究》的研究内容。本研究为仅施后测控制组设计。旨在了解高中学生在物理《功》的学习过程中是否普遍存在迷思概念的现象，并通过调查找出迷思概念产生的原因，在信息技术环境下对学习者进行针对性教学，并检验教学效果，为改革我国传统的物理课堂教学提供理论和实践依据。二、研究方法1、研究对象G实验分两组，第一组G1为控制组，对象取自广东省国家级示范性普通高中吴川市第一中学2022届高二年级3个教学班的学生共153人，该组学生均在传统的物理课堂教学环境下学习过高中物理功的相关知识。第二组G2为实验组，对象取自吴川市第一中学2022届高二年级3个教学班的学生共161人，该组学生在经过实验处理（X）后的信息技术课堂教学环境下学习过高中物理功的相关知识。2、测量工具（O）（1）自编《高中物理功迷思概念测试题》。测试题为半开放性试题，控制组G1测试时间为2022年4月10日；实验组G2测试时间为2022年3月26日。试题编写结合我们多年来的教学经验，针对学生易混淆、易出现“迷思”的问题编写而成的诊断性试题。（2）依据（1）设计的问题进行统计分析的结果，针对反映出来的问题和一些测试题中无法体现或体现较模糊的问题对学生进行抽样调查，以探求准确原因。3、实验处理（X）根据控制组G1在2022年4月10日进行的测试，我们课题组的老师对测试结果进行了认真分析，找出学生在传统的物理课堂教学环境下学习了功的相关内容之后，仍然存在的主要迷思概念，并对主要迷思概念的产生原因进行了分析。针对统计分析的结果，课题组的老师们基于信息技术课堂教学环境重新设计了教学过程，并对实验组G2进行课堂教学。三、调查项目设计与分析本次评测问卷共五道大题，分别从功的物理意义；摩擦力做功；作用力与反作用力做功；平衡力做功；洛伦兹力做功；力和位移的大小和方向的判断等问题对学生的迷思概念进行检测。下面是每道题的统计分析。1、用自己的话说说你对“功”这个概念的理解。（1）设计目的：以开放性问题探求高中生对功的概念的心智模型。（2）结果统计：G1-O1说明方式结果统计百分比如果一个物体受力的作用，且在力的方向上发生一段位移，则这个力对物体做了功。（或类似）87%功是能量转化的量度。（或类似）42%其他18%未答6%合计153G2XO2说明方式结果统计百分比如果一个物体受力的作用，且在力的方向上发生一段位移，则这个力对物体做了功。（或类似）41%功是能量转化的量度。（或类似）99%其他18%未答3%合计161（3）主要的发现与分析：G1-O1在高中阶段，我们希望学生对功的理解建立在“功是能量转化的量度”这一心智模型的基础之上。但从学生的回答情况来看，只有%的学生做到了这一点，%的学生对功这一概念的理解还停留在初中所学的“机械功的定义”的水平。出现这种情况的主要原因是高中阶段学生做了大量“判断某个力是否做功”的训练题，使得“机械功的定义”被过度强化所致。在其他回答中，主要答案是类似“功是力在空间上的积累”的说法。我们认为这并不意味着这部分学生对功的理解水平到了更高的层次，他们只是对老师上课时拓展的这个内容有着模糊的理解或印象。G2XO2由于我们在课堂上强调了高中“功”的概念与初中所学“机械功”的区别，所以对比第一组的测试结果，第二组有%的学生答到了“功是能量转化的量度”，说明教学效果是比较明显的。尽管如此，仍然有%的学生对功的理解还停留在“机械功的定义”的水平。说明长期的思维习惯是很难改变的。2、判断以下说法的正误，并说明理由。（1）设计目的：检测高中生对摩擦力做功、作用力与反作用力做功和平衡力做功的迷思概念。（2）结果统计：G1-O1问题回答是否未答合计①静摩擦力一定不做功，滑动摩擦力一定做功。181323153②静摩擦力一定做正功，滑动摩擦力一定做负功。51417153③如果一个力做正功，它的反作用力一定做负功。57906153④平衡力做功的代数和一定为零。135162153G2XO2问题回答是否未答合计①静摩擦力一定不做功，滑动摩擦力一定做功。111500161②静摩擦力一定做正功，滑动摩擦力一定做负功。91520161③如果一个力做正功，它的反作用力一定做负功。361250161④平衡力做功的代数和一定为零。147140161（3）主要的发现与分析：G1-O1统计发现在第①②④这三问中超过86％的学生能正确回答，其中%的学生能正确的举例说明，%的学生答对但没有举例，另外%的学生答对但举出了错误的例子。这是由于学生已经多次做过这样的问题，不论是否真正理解，大多都能凭印象答对。但第③问在多次做过的情况下仍有%的学生做错或未答，说明学生对作用力和反作用力做功存在迷思概念，他们只注意到作用力与反作用力“大小相等，方向相反”的特点，而忽视了这两个力是“作用在不同的物体上”，而不同的物体可以有不同的位移。G2XO2与控制组相比，实验组在第①②④这三问中差别不大。但第③问的正确率由%提高到了%，说明在课堂上给学生看“作用力与反作用力做功”的多媒体课件演示的效果是很明显的，学生留下了深刻的印象。aab3、如图所示，斜面a放在光滑的水平面上，斜面光滑，把b物体放在斜面的顶端由静止开始滑下，则在下滑过程中，a对b的弹力对b做功吗？为什么？（1）设计目的：检测高中生对“力的方向上的位移”的理解。（2）结果统计：G1-O1回答结果统计百分比做功，b在弹力的方向上有位移31%不做功，b在弹力的方向上没有位移119%未答3%合计153G2XO2回答结果统计百分比做功，b在弹力的方向上有位移114%不做功，b在弹力的方向上没有位移47%未答00合计161（3）主要的发现与分析：G1-O1从学生回答的情况来看，只有%的学生能发现由于斜面a向右滑动，b物体的对地运动方向并不是沿着斜面向下，因此与弹力的夹角大于90度，应该做负功。由于答错的学生给出的理由都是“弹力的方向与b运动的方向垂直”，而并没有说明斜面是否运动，我们第二天在答错的学生中进行调查，发现其中约23%的学生是由于认为斜面固定在地面而答错，另外77%的学生则是明知斜面向右移动还做出了错误的回答。说明大部分学生对高中阶段求功时速度和位移都应以地面为参考系这一要求没有明确的认识。G2XO2由于我们在课堂上采取了针对性的教学（教师举了一个类似的例子），强调了在计算功的大小时速度和位移都应以地面为参考系，因此本题的准确率有了大幅度的提高。FA4、如图所示，物体A的质量为2kg，置于光滑的水平面上，水平拉力2N，不计绳子与滑轮的摩擦和滑轮的质量，在物体A向右移动0.4m的过程中，请计算拉力F做功FA（1）设计目的：检测高中生对“力的作用点的位移”的理解。（2）结果统计：G1-O1回答结果统计百分比W=F×S=2N×(2×m)=129%W=F×S=2N×m=20%其他答案或未答4%合计153G2XO2回答结果统计百分比W=F*S=2N*(2*m)=116%W=F×S=2N×m=43%其他答案或未答2%合计161（3）主要的发现与分析：G1-O1本题学生答对率很高，说明教师在教学中注重对“力的作用点的位移”这一要点的强调，学生普遍掌握得比较好。G2XO2与控制组相比，本题的正确率下降了十二个百分点。虽然我们在实验处理（X）的课堂教学中利用课件对类似问题进行过讲解，但教学效果并不十分理想。在对学生的抽样调查中，不少学生反映在上课看课件演示时注意力不够集中，思路不够清晰，对老师的解题过程看看就过了，没有留下深刻印象。5、如图所示，在竖直平面内放置一玻璃管，在玻璃管的a端放置一个直径比玻璃管直径略小的带负电小球。玻璃管右边的空间存在着垂直于纸面向外的匀强磁场。磁场的左边界与玻璃管平行，右边界足够远。玻璃管带着小球以水平速度v0垂直于左边界向右运动，由于水平外力的作用，玻璃管进入磁场后速度保持不变，经一段时间后小球从玻璃管b端飞出。问：在这个过程中小球所受的洛伦兹力做功吗？为什么？····································Labv0B（1）设计目的：综合检测学生对洛伦兹力做功和“力的方向上的位移”的理解。（2）结果统计：G1-O1回答结果统计百分比做功，洛仑兹力向上，小球位移向上，力的方向上有位移。95%不做功，洛仑兹力始终与小球运动方向垂直，力的方向上没有位移。30%不做功，洛仑兹力提供向心力，向心力方向始终与小球运动方向垂直。18%未答10%合计153G2XO2回答结果统计百分比做功，洛仑兹力向上，小球位移向上，力的方向上有位移。101%不做功，洛仑兹力始终与小球运动方向垂直，力的方向上没有位移。28%不做功，洛仑兹力提供向心力，向心力方向始终与小球运动方向垂直。17%未答15%合计161（3）主要的发现与分析：G1-O1本题为高中物理的难点和易错点，对学生的能力有很高的要求。在答错的%的学生中，所有学生给出的理由都是：小球随玻璃管一起向右运动，由左手定则判断洛伦兹力向上，使小球向上加速，因此力的方向上有位移，洛伦兹力作正功。这部分同学没有考虑到由于小球向上加速，合速度（对地）的方向应该斜向上，而洛伦兹力应该垂直于合速度的方向。虽然有%的学生给出了正确的判断，但都没有在试卷上给出令人信服的解释。其中部分学生给出的理由居然是“洛仑兹力提供向心力，向心力方向始终与小球运动方向垂直”，说明他们实际上根本没有分析清楚物理过程。为了确定答对的学生是否清楚洛仑兹力不做功的原因，我们在第二天通过个别提问的方法对给出正确判断的部分学生进行抽样调查。在抽样调查的六名学生中，有一人能正确说明在这个问题中洛仑兹力不做功的原因，其余五名学生都提到老师在课堂上说过“洛伦兹力总是与速度方向垂直，所以永不做功”，因此他们给出了“不做功”的判断。本题反映出学生在两个问题上存在“迷思”。一是对洛伦兹力的方向应该垂直于合速度的方向这一点没有明确的认识；二是对合力做的功应该等于各分力做功的代数和这一基本方法掌握不好。G2XO2与第一组的结果相比，本题的正确率略有下降。虽然我们在教学中利用课件演示了类似情况，但测试的结果并没有好转。说明这类较难的知识应用层面的问题，需要学生的能力达到一定水平才能解决，仅靠信息技术的演示代替不了学生的抽象思维。四、调查总结控制组G1-O1通过对控制组的试题评测和抽样调查，我们发现学生在传统的物理课堂教学环境下学完高中物理“功”的相关内容后仍然存在不少“迷思概念”，归纳如下：1、部分学生把功的物理意义等同于初中物理“机械功的定义”，很少考虑凡是能量转化的过程都必然伴随着做功，功是能量转化的量度。2、大部分学生对高中阶段求功时速度和位移都应以地面为参考系这一要求没有明确的认识。3、部分学生对合力做的功应该等于各分力做功的代数和这一基本方法掌握不好。实验组G2XO2通过对实验组的试题评测我们发现有以下两个方面的特点：1、实验组的学生在解决知识理解这个水平层面的问题时正确率要高于控制组的学生，如第1、2、3题所反映的结果。说明信息技术对帮助学生理解物理概念有较为明显的效果。2、实验组的学生在解决知识应用这个水平层面的问题时正确率和控制组的学生相当甚至略低，如第4、5题所反映的结果。说明信息技术对帮助学生应用物理知识解决实际问题没有起到明显作用。五、教学建议针对研究中反映的上述问题，我们提出以下教学建议。1、教师在讲解功的概念时可多使用信息技术如动画演示、网络视频等方法加深学生对概念的理解。2、教师在分析判断做功问题时应多提及做功时伴随着哪些能量转化，使学生脱离初中“机械功”的框架。3、教师在处理解题步骤时应重视参考系的选取。4、合力做的功等于各分力做功的代数和这一基本方法在习题中较少遇