力和運(yùn)動關(guān)系的前概念形成原因及教學(xué)對策

王震 李雪

摘? ?要初中學(xué)生正式開始學(xué)習(xí)物理知識前，往往從自身生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)對事物形成一定的看法和觀點(diǎn)，即頭腦中的“前概念”。前概念對學(xué)生科學(xué)概念的學(xué)習(xí)存在著消極或積極的作用。以學(xué)生對“力和運(yùn)動”關(guān)系的認(rèn)識為例，分析其中錯誤前概念的形成原因，并在牛頓第一定律的教學(xué)中實(shí)施教學(xué)對策，轉(zhuǎn)變錯誤的前概念，構(gòu)建科學(xué)概念。

關(guān)鍵詞 力和運(yùn)動? 物理前概念? 科學(xué)概念? 教學(xué)對策

蘇聯(lián)心理學(xué)家維果茨基提出，學(xué)習(xí)者腦中的概念分為兩類，“科學(xué)概念”與“日常概念”?！翱茖W(xué)概念”是學(xué)生在科學(xué)實(shí)踐活動中逐漸形成的，是科學(xué)教育或他人科學(xué)指導(dǎo)下的產(chǎn)物，往往經(jīng)過實(shí)踐的反復(fù)檢驗(yàn)。另一類為“日常概念”，包括學(xué)生在以往日常生活實(shí)踐和辨別學(xué)習(xí)得來的直觀體驗(yàn)和感性認(rèn)識。日常概念產(chǎn)生于科學(xué)教育之前，因此也稱為“前概念”。前概念缺失較為科學(xué)、完全的理論基礎(chǔ)，其中存在普遍認(rèn)為合理的認(rèn)識，也存在一些認(rèn)識有偏差、錯誤的結(jié)論。

中學(xué)物理學(xué)習(xí)中，學(xué)生的感知多數(shù)來源于生活，由此產(chǎn)生的一些看法和觀點(diǎn)影響著科學(xué)概念的學(xué)習(xí)。學(xué)生借助生活經(jīng)驗(yàn)的積累時常會對物理現(xiàn)象產(chǎn)生錯誤的理解，錯誤前概念在頭腦中留下痕跡，對科學(xué)概念學(xué)習(xí)產(chǎn)生不良影響。初中物理力學(xué)知識中的前概念在學(xué)生頭腦中較為豐富，是值得我們探討的內(nèi)容。

一、物理學(xué)習(xí)中的前概念和科學(xué)概念

物理前概念是學(xué)生在物理情境中主觀構(gòu)建的產(chǎn)物，對物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生的影響既有積極的也有消極的[1]。皮亞杰最早開展對前科學(xué)概念的研究，他在1929年出版的《兒童關(guān)于世界的概念》中有很多關(guān)于力學(xué)與力學(xué)前概念的詳盡論述。皮亞杰認(rèn)為學(xué)生對力有6種類型的認(rèn)識，先于正式學(xué)習(xí)產(chǎn)生：力即運(yùn)動;知道的東西才存在力，否則沒有力;物體的輕重與力的大小有關(guān);力是有目的有效的行為;能持久支持的物體就存在力;力是移動物體的動作[2]。

物理中的科學(xué)概念是經(jīng)過多次實(shí)踐檢驗(yàn)、被廣泛認(rèn)可以及能較準(zhǔn)確體現(xiàn)事物和現(xiàn)象本質(zhì)的物理概念和規(guī)律。例如科學(xué)概念“力不會脫離物體存在”，但學(xué)生會存在“扔出的球仍然受到手對它的力”的日常概念?？茖W(xué)概念認(rèn)為“力的作用不能傳遞”，一些學(xué)生卻認(rèn)為生活中使用工具的過程就是力通過工具傳遞到另一個物體上。這些認(rèn)識構(gòu)成了學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的一部分，由日常經(jīng)驗(yàn)積累而來，影響著科學(xué)概念的學(xué)習(xí)。因而，我們有必要探尋形成前概念的原因，實(shí)施具體的教學(xué)對策轉(zhuǎn)變學(xué)生頭腦中錯誤的前概念。

物理力學(xué)前概念大都來源于學(xué)生對生活中物體移動、水中漂浮、拉、壓等力學(xué)現(xiàn)象粗略認(rèn)識以及經(jīng)驗(yàn)積累?；谟^察和切身體驗(yàn)，學(xué)生得到了一些碎片化認(rèn)識，其中難免存在對事物的片面理解和主觀認(rèn)識，阻礙力學(xué)中科學(xué)概念的理解和運(yùn)用。錯誤的物理前概念造成對物理事物的錯誤理解，得到錯誤的結(jié)論，進(jìn)而影響學(xué)生科學(xué)物理概念的建構(gòu)[3]。

二、力和運(yùn)動關(guān)系錯誤前概念成因

1.日常生活的感知，形成錯誤前概念

學(xué)生通常將日常生活中獲得的感知作為認(rèn)識物理現(xiàn)象、物理事物和物理事實(shí)的基本材料。自兒童時期起，他們就接受來自外部世界的多種刺激：觀察到事物發(fā)生的變化，書籍、電視媒體中的物理知識，別人的描述。刺激信號接收后，大腦做出相應(yīng)反應(yīng)，形成表象。這種直覺形成的表象具有模糊與易變的特點(diǎn)，干擾科學(xué)概念的形成。以錯誤表象為基礎(chǔ)，很容易產(chǎn)生錯誤的物理前概念。

比如，學(xué)生日常會感受到奔跑速度越快越不易停下，認(rèn)為“速度大的物體慣性大”。學(xué)生發(fā)現(xiàn)用很小的力推物體，物體靜止或運(yùn)動得很慢，較大的力推動物體，物體運(yùn)動得快，形成“運(yùn)動速度快的物體受到的力一定很大”的前概念。學(xué)生在生活中感知得出的結(jié)論僅依據(jù)少數(shù)物理現(xiàn)象，產(chǎn)生的錯誤前概念在頭腦中先入為主，根深蒂固不易轉(zhuǎn)變。

2.主觀構(gòu)建概念，形成錯誤前概念

科學(xué)研究過程需要用已知的正確理論驗(yàn)證結(jié)論，初中生思考問題往往缺少嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评磉^程。他們對接觸到的物理現(xiàn)象充滿好奇心，渴望尋找一個觀點(diǎn)說明眼前的現(xiàn)象。例如，學(xué)生認(rèn)為A車處于靜止?fàn)顟B(tài)，B車運(yùn)動與A車相撞，B為“主動施力”物體，施加給A的力要大于A給B的力，主觀構(gòu)建錯誤的前概念，即“主動施力的物體施力更大”。又如，學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第一定律前，解釋“踢出的足球能夠繼續(xù)運(yùn)動下去”，主觀推斷足球仍受到力，只是力越來越小，直至消失，才會慢慢停下來。學(xué)生利用主觀論斷解釋物理現(xiàn)象，形成錯誤前概念。

3.與其他概念聯(lián)系失當(dāng)，形成錯誤概念

認(rèn)知主義觀點(diǎn)，一個新的認(rèn)知的形成必須以個體原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)即認(rèn)知結(jié)構(gòu)不斷建構(gòu)更新的過程。科學(xué)概念的形成必須要與原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中概念建立聯(lián)系，學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念的過程中更有親切感，主動把新概念同已有概念建立必要的聯(lián)系，但有時候聯(lián)系失當(dāng)就會形成錯誤前概念。學(xué)生初學(xué)力的知識，容易將慣性與力聯(lián)系起來，認(rèn)為慣性也是一種力，這種關(guān)聯(lián)是不恰當(dāng)?shù)?。這類由于不當(dāng)聯(lián)系形成的前概念很難消除，教師要有意識地去引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到他們主觀意識上存在的錯誤認(rèn)識。

4.原前概念未處理，形成錯誤前概念

建構(gòu)主義以為，新知識的學(xué)習(xí)過程是對所獲得的信息的加工、整合與改造，這個過程建立在原有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，卻不是知識間的簡單疊加。學(xué)生先前積累的知識經(jīng)驗(yàn)無疑會對新的學(xué)習(xí)起到積極作用，但學(xué)生的原有經(jīng)驗(yàn)同樣包含著錯誤前概念。前概念具有隱蔽性，學(xué)生先前的學(xué)習(xí)中如果沒有顯露出來，就會一直潛藏在頭腦中。學(xué)生在原有錯誤前概念基礎(chǔ)上建構(gòu)對事物的理解，會再次產(chǎn)生新的錯誤前概念。比如，人站在勻速行駛的車中，很多學(xué)生認(rèn)為人處的狀態(tài)是因?yàn)槭苣Σ亮?，或者認(rèn)為受慣性力，學(xué)生有“力維持著物體運(yùn)動”的錯誤前概念，同時還形成了“慣性力”這個錯誤的物理概念。

物理科學(xué)概念的學(xué)習(xí)基于物理現(xiàn)象和物理事實(shí)，前概念普遍存于現(xiàn)象之中。要明確學(xué)生頭腦中原始前概念，預(yù)估可能產(chǎn)生的錯誤前概念，有針對性地實(shí)施教學(xué)，促成科學(xué)概念的形成。

三、轉(zhuǎn)變錯誤前概念的教學(xué)對策

學(xué)生對力和運(yùn)動關(guān)系的認(rèn)識存在著錯誤前概念，教師設(shè)法利用和轉(zhuǎn)變學(xué)生的錯誤前概念，在牛頓第一定律的教學(xué)中實(shí)施教學(xué)對策。

1.優(yōu)先捕捉前概念，基于已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)

學(xué)生頭腦中大多數(shù)前概念都是從日常生活的感知逐漸產(chǎn)生的，往往以一種隱性形式存在，不輕易暴露出來。教師首先要捕捉這些前概念，才能以學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)有效開展轉(zhuǎn)變錯誤前概念的教學(xué)。

牛頓第一定律教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生利用身邊物體，施加一個力使物體運(yùn)動，撤去力后再觀察物體運(yùn)動狀態(tài)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)停止施加力，物體也會停下來，生活中有很多類似的情境。學(xué)生回顧自身生活經(jīng)驗(yàn)自然地認(rèn)為物體運(yùn)動需要力的作用，如果撤去這個力，物體立即停止運(yùn)動，力維持著物體的運(yùn)動，教師指出亞里士多德的觀點(diǎn)也是如此。

2.創(chuàng)造問題情境，引發(fā)認(rèn)知沖突

為引發(fā)學(xué)生認(rèn)知矛盾，教師須創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的問題情境，讓學(xué)生感知到自己前概念中的謬誤，意識到要解決沖突必須重新建立科學(xué)概念，同時加深對正確概念的理解。

教師讓學(xué)生繼續(xù)加強(qiáng)體驗(yàn)，快速推動小車，手突然停下觀察小車運(yùn)動情況。學(xué)生發(fā)現(xiàn)小車與手分離之后并沒有馬上停下來，仍然向前運(yùn)動，只是運(yùn)動越來越慢，直至停下來。教師再問：小車離開手，推力還起作用嗎？學(xué)生之前關(guān)于運(yùn)動的認(rèn)識，知道離開施力物體，力不會存在。教師再追問：小車都不再受到推力了，怎么還在向前跑？環(huán)環(huán)相扣的問題，觸動學(xué)生的思維。接著，教師演示小球慣性的實(shí)驗(yàn)，撥動簧片將小球與底座之間的墊片快速擊出，一些學(xué)生猜想墊片隨小球飛出，結(jié)果小球保持原有運(yùn)動狀態(tài)（靜止），實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與猜想產(chǎn)生了認(rèn)知上的沖突。

教師繼續(xù)創(chuàng)設(shè)情境，播放公交車突然剎車，車內(nèi)乘客身體和物品向后運(yùn)動，百米賽跑運(yùn)動員沖過終點(diǎn)線后不能立即停下來的視頻。拋出伽利略觀點(diǎn)：運(yùn)動不需力來維持，與亞里士多德的觀點(diǎn)相悖，引發(fā)學(xué)生思考。學(xué)生在思考與比較中意識到先前的認(rèn)識是錯誤的。至此，教師自學(xué)生常有的錯誤前概念出發(fā)，制造認(rèn)知矛盾，對比推出與之相反的結(jié)果[4]。

3.注重實(shí)驗(yàn)探究，豐富感性體驗(yàn)

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析小車與手分離后的受力情況，水平方向小車只受到摩擦力。在此基礎(chǔ)上，教師讓學(xué)生思考假如物體不受任何阻力，又會怎樣運(yùn)動呢？師生共同探究摩擦力對物體運(yùn)動距離的影響，實(shí)驗(yàn)中三層相同的斜面均連接著水平木板，由上至下表面分別為木板（較光滑）、毛氈（較粗糙）和毛巾（很粗糙）。三節(jié)電池同時從每層斜面同高度處靜止釋放，在不同的平面上運(yùn)動，最終停下來。盡管是一個傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)，但是學(xué)生直觀地觀察到了三節(jié)電池受到摩擦力與運(yùn)動距離的關(guān)系。得出電池在木板上運(yùn)動距離最遠(yuǎn)，其次是毛氈，毛巾上的電池運(yùn)動距離最近。保證其他條件相同時，摩擦力越小，物體在平面上運(yùn)動距離越遠(yuǎn)。教師提問，“如果平面足夠光滑，電池將如何運(yùn)動？”因勢利導(dǎo)，學(xué)生大膽分析，若無摩擦，電池會一直運(yùn)動。此時，學(xué)生自身真正地經(jīng)歷了建立科學(xué)概念的過程，實(shí)現(xiàn)了錯誤前概念“力維持物體運(yùn)動”的完全轉(zhuǎn)變。

4.展開概念剖析，區(qū)分混淆概念

“物體具有慣性”學(xué)生容易理解為慣性是作用在物體上的力。教師要注意進(jìn)行概念辨析的訓(xùn)練。教師可利用學(xué)生已了解的力的性質(zhì)，讓學(xué)生嘗試找出慣性的施力物體。假想慣性是一種力，可這個力卻沒有施力物體，認(rèn)知沖突再一次出現(xiàn)。教師又創(chuàng)設(shè)了一次認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生徹底地認(rèn)識了慣性概念和力的概念：（1）概念內(nèi)涵不同。慣性為物體本身的固有屬性，是物體具有的保持原有運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)。力是物體間的相互作用，不同力的存在需要不同的條件。（2）概念屬性不同。慣性只分大小，沒有量度和單位，更沒有方向，任何情況下都存在。力則是一個有大小、方向的物理量，作用點(diǎn)不同也會影響力的作用效果。（3）概念外延不同，比如慣性與物體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)，物體不論是靜止的、還是運(yùn)動的都不會影響其自身的慣性，物體具有這種保持原有運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)，而力則改變物體的運(yùn)動狀態(tài)。

5.提高學(xué)生思維能力，理清概念間聯(lián)系

教師要善用思維方法加深概念理解，明確物理概念之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生思維能力。教師可利用歸謬法，首先假設(shè)前概念觀點(diǎn)正確，即“物體運(yùn)動得越快慣性越大，速度小則慣性小”。那么當(dāng)物體速度為零（靜止）時，慣性應(yīng)最小。事實(shí)上，比如大型輪船啟動是非常困難的，它靜止時速度為零，但慣性卻很大，直接說明了學(xué)生頭腦中關(guān)于慣性與物體運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)的認(rèn)識是錯誤的。教師引發(fā)學(xué)生思維上的“自相矛盾”，令其看清物理規(guī)律的本質(zhì)，即物體的質(zhì)量決定慣性大小。

為此，物理前概念產(chǎn)生的原因各不相同，教師應(yīng)采用有效的對策轉(zhuǎn)變學(xué)生頭腦中的錯誤認(rèn)識，有效提升初中學(xué)生的認(rèn)知水平，促進(jìn)科學(xué)概念的構(gòu)建。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳慶軍，吳能平.物理前概念研究，對構(gòu)建科學(xué)概念的啟示[J].物理教師，2011（05）.

[2] Piaget J.The childs conception of physical causality[M].London：Routledge Paul K，1930.

[3] 劉勝華.物理教學(xué)中轉(zhuǎn)變前概念、建構(gòu)科學(xué)概念的策略[J].物理教師，2009，30（08）.

[4] 周洪池，管光華.高中學(xué)生物理前概念中相異構(gòu)想的成因及矯治策略[J].物理教師，2017（12）.

[作者：王震（1975-），女，吉林省吉林市人，遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院，副教授，碩士;李雪（1995-），女，遼寧阜新人，福建省廈門第一中學(xué)，中學(xué)二級教師，碩士。]

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