基于概念轉(zhuǎn)變的教學活動設計和實踐
——以“牛頓運動定律”為例

李 娟

(上海市曹楊第二中學,上海 200062)

許多學生感嘆高中物理難學,尤其學習力和運動的關(guān)系后,分析問題時常常覺得思路茫然無從下手.一個重要原因是,學生進入課堂前,已有大量經(jīng)由個人經(jīng)驗或媒體信息所獲得的想法和概念,其中與科學概念相悖的認識稱為迷思概念.迷思概念不僅會阻礙學生正確理解科學概念,還可能導致新的迷思概念的產(chǎn)生,從而引發(fā)學習困難.[1]以往教學中,教師一般采取創(chuàng)設情境的方式,讓學生經(jīng)歷科學探究和思維加工,達到內(nèi)化科學概念的目標.這個過程無論是傳授式的還是建構(gòu)式的,都忽略了迷思概念的存在及其阻礙作用.在教學之后,學生表面上接受了新概念,分析問題時仍運用原來的觀點.針對上述現(xiàn)象,本文嘗試通過概念測試卷挖掘?qū)W生在某一領域的迷思概念,通過情境創(chuàng)設和活動設計引發(fā)認知沖突,進而幫助學生突破迷思概念的阻礙,形成正確的科學概念.

1 迷思概念的診斷

前概念是指個體未接受正式的科學概念教育之前,對日常生活中所感知的現(xiàn)象,通過長期的經(jīng)驗積累與辨別式學習而形成的對事物的非本質(zhì)的認識,[2]這些概念是學生物理學習的基礎,其積極或消極的影響均不可忽視.前概念中與科學理解不一致的概念稱為迷思概念,它是基于生活經(jīng)驗而不是科學邏輯推出的,[3]比如,“物體下落快慢與輕重有關(guān),越重的物體下落越快”.迷思概念不僅穩(wěn)固還十分隱蔽,成為學生學習物理過程中的難點.

要突破這一難點,必須先把隱蔽的迷思概念挖掘出來.由于不同班級、不同年級的學生情況不同,教師可以根據(jù)教學內(nèi)容自制一套概念測試卷或者利用已有的標準化量表,測試卷中的物理問題以定性為主,題型選用單項選擇題.如力學領域有“力學概念測試卷”(Force Concept Inventory,縮寫為FCI),它是一個標準化的力學概念測試工具,[4]用來測試和檢驗學生對力學領域基本概念的理解和掌握情況.通過概念測試卷,挖掘?qū)W生的前概念,尤其是迷思概念,結(jié)合學生訪談,詳細地了解迷思概念產(chǎn)生的原因,由此確定單元的教學難點.確定迷思概念后,借助基于概念轉(zhuǎn)變理論的教學策略,促使學生實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變.[1]首先,利用各種策略引發(fā)學生有意義的認知沖突,解構(gòu)迷思概念;然后,利用演示實驗、生活情境和探究實驗等,設計針對性的教學活動,解決認知沖突,并適時引出科學概念,促使學生的思維向科學概念轉(zhuǎn)變.

2 教學活動的設計

“牛頓運動定律”是現(xiàn)行上海市第2期課改基礎教材(高中一年級第一學期)的第3個單元.[5]該章節(jié)是高中物理最基礎最重要的章節(jié)之一,是學生已有概念最多的一個知識領域,也是學生形成運動與相互作用觀的關(guān)鍵章節(jié).在初中階段學生已學習了慣性和牛頓第一定律、作用力和反作用力,對運動和力的關(guān)系有一定程度的認識.因此,本文以“牛頓運動定律”章節(jié)的教學為例,演示如何分析學生的迷思概念、確定教學難點和設計教學活動.

2.1 通過演示實驗突破難點

測試卷題6、題7和題24分析的是本來做圓周運動的物體在撤去外力后的運動情況,正確率都只有50%左右,由此可見學生對初中已學的牛頓第一定律和慣性概念的理解并不到位.若物體此前做直線運動,受力情況轉(zhuǎn)變?yōu)椴皇芡饬蛑皇芷胶饬ψ饔脮r,幾乎所有的學生都知道物體仍然做直線運動;但如果物體此前是做圓周運動等曲線運動,部分學生就會產(chǎn)生錯誤的認識,認為不受外力時物體仍保持原來的曲線運動狀態(tài).通過學生訪談得知,出現(xiàn)此問題的原因是許多學生只記住了“力不是維持運動狀態(tài)的原因,不受力時物體會保持原來的運動狀態(tài)”這一結(jié)論,而不知其原理,當情境改變時,便不能正確分析問題.

牛頓第一定律的教學重難點以往都放在伽利略的理想斜面實驗和力與運動關(guān)系的觀點演變上,并以此逐步推出牛頓第一定律.學生在理論層面接受這個觀點,但“力是維持物體運動的原因”這一與眾多生活經(jīng)驗相吻合的觀念并沒有糾正.因此,在基于概念轉(zhuǎn)變的教學中,希望通過創(chuàng)設情境引發(fā)認知沖突、增加演示實驗強化學生的感性體驗,促使學生的理性認識和感性體驗充分融合,從而創(chuàng)建并鞏固科學概念.

演示實驗1:新課導入時,演示不同情境下物體在受推力及撤去推力后的運動情況,如講桌上的木盒和運動場上的冰壺.對比不同的現(xiàn)象,創(chuàng)設認知沖突引發(fā)思考,力和運動間到底存在怎樣的關(guān)系?如果冰壺在運動員手中做曲線運動,離開運動員后又將如何運動?

演示實驗2:在常規(guī)理想實驗演示的基礎上(見圖1),借助機械能守恒演示儀(見圖2),靜止釋放擺錘,觀察擺錘擺至另一側(cè)時達到的最大高度,演示阻力很小的情況下,物體好像可以“記住”原來的高度,為理想實驗中的推理“如果斜面光滑,物體將在雙斜面上上升到與釋放位置等高的位置”提供更加直觀的支持.

圖1 理想斜面實驗演示裝置

圖2 機械能守恒演示儀

演示實驗3:演示不同情境下,物體在受平衡力時的運動情況.在氣墊導軌不同位置安裝兩個光電門傳感器,讓滑塊在氣墊導軌上運動起來,觀察滑塊的運動快慢和經(jīng)過光電門傳感器所花的時間.與氣墊導軌的原理一樣,有一種氣墊桌,可以使小滑塊在其表面不受摩擦力地運動,手推小滑塊使它在水平桌面上做圓周運動,突然撤掉手,觀察滑塊之后的運動情況.

2.2 引入生活情境突破難點

題26是本來勻速直線運動的物體,當所受外力變?yōu)樵瓉淼膬杀稌r,物體將如何運動,該題的正確率只有30.77%,反映了一個十分普遍的迷思概念,即“力大速度就大、力小速度就小”.根據(jù)學生訪談了解到,他們雖然知道力會改變物體的運動狀態(tài),但同時仍存在“力與速度是一一對應關(guān)系”的樸素觀念.同時了解到圖3所示裝置中,絕大多數(shù)學生會忽略小車和鉤碼的運動情況,認為繩子對鉤碼的拉力和鉤碼的重力大小相等.

圖3 用DIS研究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的裝置示意圖

牛頓第二定律學習的核心任務是探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,并能夠應用牛頓運動定律分析運動問題.本節(jié)在常規(guī)教學基礎上,深入分析了豎直方向的變速運動,即超重和失重現(xiàn)象,以此作為切入點引導學生將正確的科學知識和科學思維融入感性經(jīng)驗,糾正力與運動關(guān)系的錯誤概念以突破教學難點.

學生活動1:請一位學生站在體重計下蹲后站起,描述運動過程中自己的感受,其他學生觀察示數(shù)的變化情況.再請學生列舉生活中感受過的“變輕變重”的現(xiàn)象.將體重計換成DIS力傳感器,將鉤碼掛在力傳感器下,一起往下運動,觀察示數(shù)變化,一起往上運動,觀察示數(shù)變化.

教師提出“超重”和“失重”的概念,教學時發(fā)現(xiàn)許多學生認為“超重發(fā)生在物體上升過程,失重發(fā)生在物體下落過程”.通過以上活動學生已經(jīng)意識到彈力大小與物體的運動情況有關(guān),并且觀察到向下或向上運動過程同時包含了超重和失重現(xiàn)象,形成認知沖突.

學生實驗1:為強化學生對牛頓第二定律的理解,設計學生實驗,4名學生為一組,利用力傳感器和鉤碼演示超重和失重現(xiàn)象,研究超重和失重現(xiàn)象發(fā)生與物理運動狀態(tài)的關(guān)系.引導學生記錄表1所示的數(shù)據(jù)(記錄表格如表1所示).

表1 超重失重實驗記錄表

根據(jù)以上記錄情況,教師引導學生如何歸納,將有相同條件(超重或失重)的數(shù)據(jù)歸為一類,從而得到結(jié)論.在觀察、實驗和分析過程中,學生不斷體驗彈力和重力不等的情境,并且歸納出超失重和加速度的方向有關(guān)這一結(jié)論.

學生活動2:設計相關(guān)問題鞏固學生對牛頓第二定律的理解和應用,如問題1和問題2.

問題1:如圖4所示,質(zhì)量為M的物體放在水平桌面上,用一根跨過固定滑輪的細線系住該物體.當另一端掛質(zhì)量為m的鉤碼時,物體的加速度為a1.當另一端施加方向豎直向下、大小為mg的恒力時,物體的加速度為a2.通過分析比較a1和a2的大小關(guān)系.

圖4 問題1示意圖

問題2:“小車質(zhì)量一定時,研究加速度與力的關(guān)系”的實驗中,用鉤碼重力作為拉力的條件是鉤碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量,請根據(jù)牛頓第二定律具體分析其原因.若逐漸增大鉤碼質(zhì)量,使鉤碼質(zhì)量增大到不符合上述條件,分析a-F圖像的形狀.

2.3 重視科學探究突破教學難點

“力學概念測試卷”中有6道題目針對學生對牛頓第三定律的理解,題15的正確率偏低,其他問題的正確率都較高,其中只有題15是加速情況,其他問題都是平衡情況.結(jié)合學生訪談,了解到經(jīng)過初中階段的學習,學生對“作用力和反作用力大小相等”這一結(jié)論的印象非常深刻,且都是在物體保持平衡的情況下應用這一結(jié)論.但題15中物體處于加速運動狀態(tài),學生能判斷物體所受合外力不為0,其后直接斷定轎車對貨車的推力大于貨車對轎車的推力.這一題目反映出學生對變速運動過程中的作用力和反作用力的大小關(guān)系的理解存在困難,同時反映了學生在分析力與運動關(guān)系時,存在混淆研究對象、混淆“施力物體”和“受力物體”的問題.在學生的認知結(jié)構(gòu)中,變速運動與牛頓第二定律之間有很強的聯(lián)系,而存在“牛頓第三定律適用于物體處于平衡狀態(tài)時”這一迷思概念,且印象極為深刻.

牛頓第三定律的教學常常把重難點放在不同性質(zhì)的相互作用力大小關(guān)系的研究上,且研究對象基本都是處于靜止狀態(tài).本節(jié)在活動設計上,增加引發(fā)認知沖突的場景和非平衡狀態(tài)下相互作用力大小關(guān)系的探究實驗.

學生活動1:請兩位力量懸殊的學生上臺拔河,比賽結(jié)果意料之中,再請贏的學生站在滑板上重新拔河.請學生根據(jù)已有知識分析兩名學生間的作用力和反作用力的大小關(guān)系,鼓勵和引導學生的不同意見.

學生實驗1:探究不同運動狀態(tài)下作用力和反作用力的大小關(guān)系.兩人一組,把兩個力傳感器的掛鉤鉤在一起,向反方向拉動,觀察作用力和反作用力隨時間變化的圖像;把鉤在一起的兩個力傳感器在水平方向變速運動起來,注意掛鉤保持接觸且沿軸線方向互拉,觀察相互作用力的變化曲線.然后將掛鉤取下,在掛鉤位置固定釹鐵硼強力磁鐵,兩個力傳感器的軸線保持在一條直線上,改變兩個傳感器的距離,觀察相互作用力的變化曲線;將兩個傳感器在同一水平線上變速運動,觀察相互作用力的變化曲線,觀察結(jié)果記錄在表2中.學生歸納總結(jié)不同運動狀態(tài)下作用力和反作用力的大小關(guān)系.通過以上實驗探究兩個物體在接觸和不接觸時、在不同運動狀態(tài)下的相互作用力的大小關(guān)系.

表2 探究作用力和反作用力大小關(guān)系的記錄表

學生活動2:根據(jù)上述探究實驗得到作用力和反作用力總是大小相等的結(jié)論后,3-4名學生為一組,解釋學生活動1中的拔河現(xiàn)象并討論交流.引導學生在分析問題時明確“施力物體”和“受力物體”、明確研究對象,根據(jù)牛頓第二定律和牛頓第三定律分析和解決問題.

3 結(jié)論與反思

上述“牛頓運動定律”的教學活動設計在本人教學的4個班級中實施,概念測試卷調(diào)研得到的前概念和迷思概念都在教學過程中體現(xiàn),表明問卷調(diào)研效果明顯.從學生課堂反應來看,碰到認知沖突的情境時,學生在觀察和思考過程中投入度相當高,能提出自己的疑問并表示高度興趣,在后續(xù)的學生活動或?qū)嶒炋骄恐心芴岢鱿敕ú⒎e極參與,平時作業(yè)和章節(jié)測試中因為概念不清而出錯的情況較少.本次教學實踐的主要經(jīng)驗如下:

(1) 設計概念測試卷調(diào)查學生對某一領域概念的理解情況,操作簡便,后續(xù)分析方便,可以幫助教師在開展某個專題前快速了解學生情況,從而確定教學重點,尤其是難點,再針對性地調(diào)整教學策略.由于每屆學生、每個班級學生的情況都是獨一無二的,教師亟需這類方法了解學生,調(diào)查問卷還可以借助網(wǎng)絡工具,如問卷星,分年級、班級、個人等角度進行數(shù)據(jù)分析,也可以據(jù)此建立數(shù)據(jù)庫,跟蹤班級和個人的學習情況.

(2) 概念測試卷設計的都是單項選擇題,這類問卷的優(yōu)點突出,缺點也明顯,因此這類調(diào)查結(jié)果只是快速并初步地了解學生.在教學過程中,可以利用學生訪談、教師之間交流等方式更深入和全面地確定學生的迷思概念及其原因,一線教師的優(yōu)勢是貼近學生,在問卷調(diào)查基礎上采取其他措施的針對性和可操作性都較強.在此基礎上,還可以嘗試加入第二段測驗,即探究學生作出某種選擇的理由,或加入第三段測試,通過測量信心指數(shù)來判斷學生對前兩階段答案的確定程度,將概念測試卷拓展為三段式測試題.[6]

(3) 教學過程中發(fā)現(xiàn)部分答題正確的同學依舊存在相關(guān)的迷思概念.比如,題15答題正確的同學在分析具體問題時,例如拔河,依舊存在相互作用力不相等的認識,進一步了解發(fā)現(xiàn),他們其實是強記而非真正理解作用力和反作用力相等這一關(guān)系.可見,有些迷思概念不僅隱蔽而且頑固,在教學中不僅要引入具體情境,更要多引導學生表達真實想法.

(4) 教學中滲透了單元教學設計的思想,例如,學生知道“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”后,結(jié)合“加速度描述物體運動狀態(tài)”,將能自然提出探究力和物體運動狀態(tài)變化間定量關(guān)系的方案,從而得到牛頓第二定律;通過實驗探究和理論分析學習牛頓第二定律有助于學生深入理解牛頓第一定律和慣性概念;應用牛頓第三定律分析拔河問題的過程中,再次強調(diào)了研究對象的選擇、平衡力與相互作用力的關(guān)系等問題.可見,教學目標的達成并不需要局限于本節(jié)課的教學過程,單元內(nèi)前后內(nèi)容相輔相成,甚至可以在不同單元之間尋找類似關(guān)聯(lián),在以后的教學設計中,可以更充分地從單元的角度開展教學活動設計.