朱喜香

(懷化學(xué)院物理與信息工程系 湖南 懷化 418008)

學(xué)生在接受正規(guī)的科學(xué)教育之前所形成的概念稱之為前科學(xué)概念或前概念.前概念常指那些對事物含糊的、不完善的或者是錯誤理解的錯誤概念，與科學(xué)概念不明顯沖突，又不明顯一致的相異概念，還有需要用科學(xué)語言規(guī)范的前科學(xué)概念等.大量研究表明，學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念有著廣泛的來源：日常生活經(jīng)驗的影響、知識的負(fù)遷移、對語詞的曲解或錯誤理解、進(jìn)行不當(dāng)?shù)念惐?、教師、教材的誤導(dǎo)、社會媒體的傳播等.前概念存在自發(fā)性、廣泛性、頑固性、隱蔽性、負(fù)遷移性等特點(diǎn)， 對學(xué)生科學(xué)概念的形成有很大的影響.

波斯納(Posener)等人1982年提出概念轉(zhuǎn)變的條件必須是學(xué)習(xí)者對當(dāng)前的概念產(chǎn)生不滿，同時發(fā)現(xiàn)新概念的可理解性、合理性和有效性.個體只有看到新概念對自己的價值，它能解決其他途徑所難以解決的問題，并且能向個體展示出新的可能和方向. 才有可能放棄由來已久、根深蒂固的前概念.為實(shí)現(xiàn)前概念轉(zhuǎn)變的條件，教師必須在充分了解學(xué)生相關(guān)學(xué)科的原有知識經(jīng)驗背景的基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)新、舊認(rèn)知相互沖突或新舊概念相互聯(lián)系的情境，讓學(xué)生觀察或動手實(shí)驗，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知建構(gòu)的同化和順化機(jī)制，解決前概念與科學(xué)概念之間的矛盾沖突，主動舍棄前概念中錯誤的、不合理的、有待改善的成分，積極轉(zhuǎn)變前概念為科學(xué)概念.

1 創(chuàng)設(shè)錯誤概念與科學(xué)概念沖突的情境

單純證實(shí)假說的事實(shí)證據(jù)還不能夠引起學(xué)生原有概念的改變，即使他們正確預(yù)測到某個因素的結(jié)果，并看到這一預(yù)測得到證實(shí)，他們?nèi)匀徊辉阜艞壴械男拍?；而只有?dāng)矛盾的證據(jù)增加并且變得不再可以忽視，且在他們能夠形成一個替代的理論以解釋這些證據(jù)的時候，他們才真正接受這些證據(jù)，才能夠形成一個可對出其意料的觀察結(jié)果加以解釋的新理論[3～4].

關(guān)于浮力，學(xué)生常具有大量的錯誤前概念.文獻(xiàn)[5]對五年級和初一年級學(xué)生的浮力概念進(jìn)行調(diào)查顯示，百分之六七十的學(xué)生會根據(jù)浮體的材料、輕重、空實(shí)心、形狀、壓強(qiáng)多少來判斷一個物體是否沉浮.這與刑紅軍教授調(diào)查學(xué)生對浮力存在的前概念一致:一塊長方體垂直放入水中，比橫著放入水中所受的浮力小(狀態(tài)差異)；大小一樣的實(shí)心鐵球和空心鐵球放在水中所受的浮力不同，空心鐵球受到的浮力大(空實(shí)心差異)；物體浸泡越深受到的浮力越大(壓強(qiáng)差異)；浸沒于盛有水的容器底部的物體不受浮力；同樣大小的鐵塊和木塊完全浸沒于水中，木塊受到的浮力大(材料差異).

學(xué)生對浮力的前概念盡管豐富多樣、策略各異，但不難發(fā)現(xiàn)這些概念全都來自于對生活經(jīng)驗的片面理解和不完全概括得出的結(jié)論.生活中人們通常認(rèn)為漂浮在水面的物體是木塊、空心(或變得空心)等較輕的物體，而石頭、鐵塊等較重的物體會沉入水底.實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，直接采用阿基米德原理溢水杯探究實(shí)驗，也很難讓學(xué)生理解物體受到的浮力涉及液體和物體的密度、物體的體積和排開液體的體積等關(guān)鍵因素.因此，設(shè)置突出這些關(guān)鍵特征且與學(xué)生的簡單策略明顯矛盾的實(shí)驗情境，讓學(xué)生逐一改變錯誤的浮力概念.

圖1 兩塊外形相同木塊的沉浮

(1)首先選擇兩塊同樣大小，而密度不同的木塊，讓同學(xué)們感受到兩塊木塊的差異.實(shí)驗發(fā)現(xiàn)密度較小的漂浮在水面，密度較大的卻沉入水底.學(xué)生會發(fā)現(xiàn)木塊也會下沉，而且木塊的沉浮與木塊橫、豎放置無關(guān).讓他們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗證據(jù)與木塊總是漂浮相沖突(圖1).

(2)接下來為了突出輕重策略的矛盾，教師可以演示雞蛋沉浮實(shí)驗.把雞蛋放入清水中，雞蛋是沉入水底的，但在水中加入食鹽后，發(fā)現(xiàn)雞蛋又浮上來了.這樣學(xué)生發(fā)現(xiàn)同樣輕重的雞蛋在不同的液體里有不同的沉浮狀態(tài)，說明單方面考慮物體的輕重是不對的(圖2).

圖2 雞蛋在清水與鹽水中的沉浮

(3)為了把學(xué)生心里矛盾焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到物體受到的浮力與排開液體的體積有關(guān)，讓學(xué)生觀察在雞蛋浮出水面以后，教師繼續(xù)往水里加鹽的過程中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生觀察雞蛋露出水面的體積與浸入水中體積的變化，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)同一個物體在不同液體里受到同樣大小的浮力，不僅與浸入水中(露出水面)的體積有關(guān)還與液體的密度有關(guān).

(4)為了幫助學(xué)生得到定量的分析，讓學(xué)生自己用彈簧測力計稱量鐵塊在空氣中的重量，實(shí)驗并記錄鐵塊逐漸浸入水中不同體積時的示數(shù)，得到物體浸入水中排開液體的體積越大，彈簧測力計示數(shù)越小，浮力越大.

(5)最后，為了得到排開水的重量與浮力大小相等關(guān)系的假設(shè)，提供給學(xué)生教材上溢水杯等實(shí)驗器材，為了突出浮力變化的過程，還要提供學(xué)生天平，讓學(xué)生記錄鐵塊浸入水中不同位置時出溢出水的質(zhì)量，讓溢出水的(重)量與彈簧測力計示數(shù)變化(浮力大小)建立一一對應(yīng)關(guān)系，是讓學(xué)生逐漸歸納發(fā)現(xiàn)溢出水的重量與鐵塊受到的浮力相等的結(jié)論，而不是由一、二個數(shù)據(jù)作為檢驗假設(shè)的依據(jù)(圖3).

圖3 記錄彈簧測力計示數(shù)變化與溢出水的質(zhì)量

2 創(chuàng)設(shè)相異概念與科學(xué)概念聯(lián)系的情境

奧蘇貝爾的有意義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，有意義學(xué)習(xí)發(fā)生的關(guān)鍵前提是學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中必須有同化新知識的適當(dāng)概念，有意義學(xué)習(xí)發(fā)生的過程就是新知識與學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的適當(dāng)概念建立實(shí)質(zhì)性聯(lián)系.因而找到能與新概念發(fā)生關(guān)系的前概念，進(jìn)行肯定和否定，能夠成功獲得科學(xué)概念.

在初二學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)之前對他們進(jìn)行的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，他們具有一些簡單的電學(xué)知識，使用頻率較高的詞語是電能和電流，很少用到電壓、電功，且完全沒有電阻的概念.由他們解釋燈泡發(fā)光明暗程度原因的答案發(fā)現(xiàn)，他們對電能、電流、電壓、電源和電量等概念都沒有區(qū)分.對高一、高三的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，他們雖然知道串聯(lián)電路中電流處處相等，但在判斷電流經(jīng)過用電器后，流出用電器的電流是否與流入用電器的電流相等時，差不多有一半的學(xué)生認(rèn)為電流經(jīng)過用電器時被消耗掉了.這說明學(xué)生對用電器的工作原理并沒有理解；對燈泡發(fā)光時用掉了某些東西，是電流，電荷量，電壓，還是電能？他們也沒有弄清楚.因此，在高中階段學(xué)習(xí)這些科學(xué)概念時，建立簡單電路中用電器(燈泡)與水流中葉輪的工作原理建立結(jié)構(gòu)和功能相似類比模型，創(chuàng)設(shè)讓學(xué)生區(qū)分這些概念的物理情境，是實(shí)現(xiàn)了解電流的微觀機(jī)理及定義式的教學(xué)目標(biāo)，獲得電學(xué)科學(xué)概念的重要途徑和方法[6].

如圖4所示，水從高處流向低處，高速的水流推動葉輪旋轉(zhuǎn)，電流通過燈泡發(fā)光發(fā)熱，水流發(fā)生了什么改變？電流消耗了什么呢？水流下落時的動能轉(zhuǎn)化為葉輪旋轉(zhuǎn)的動能，葉輪帶動機(jī)器做功，而水流的速度將減小.對應(yīng)于電流通過燈泡，將電荷的電勢能轉(zhuǎn)化為光和熱；水流經(jīng)過葉輪水流量并沒有減小，水量守恒，只是水位降低；對應(yīng)電流通過燈泡電流也不會減小，電荷守恒，只是電荷的電勢降低，電路中的電壓降低；水位降低，重力勢能減小，轉(zhuǎn)化成了葉輪的機(jī)械能；對應(yīng)電壓降低，電勢能減小，轉(zhuǎn)化成為光和熱.

圖4 直流電路中的燈泡與水流中的葉輪

同時，結(jié)合串聯(lián)電路中電流和電壓特點(diǎn)的探究實(shí)驗(圖5)，用電流表和電壓表分別測量流過兩燈泡的電流和燈泡兩端的電壓，結(jié)果表明串聯(lián)電路中流過燈泡L1的電流和L2的電流相等，說明電流經(jīng)過用電器并沒有被減小或被消耗掉；而燈泡L1和L2兩端的電壓都是左端比右端高，電流經(jīng)過用電器后，電壓逐漸降低了.同時，電源提供的電(勢)能，也轉(zhuǎn)化成為光和熱，降低電壓的同時消耗了電能.

圖5 探究串聯(lián)電路電流和電壓特點(diǎn)

這樣有針對性的具體情境將學(xué)生的新舊認(rèn)識有機(jī)地聯(lián)系起來，又形成了與電流被消耗相沖突的實(shí)驗事實(shí)，既有“消耗了”的原認(rèn)識，又有不一樣的“消耗”的新概念，有利于學(xué)生主動放棄錯誤觀點(diǎn)，有效區(qū)分電流、電壓、電荷量和電能，并進(jìn)一步對電路工作原理做出因果解釋，實(shí)現(xiàn)對電路基本概念的理解.

3 創(chuàng)設(shè)前概念向科學(xué)概念過渡的情境

科學(xué)必須創(chuàng)造自己的語言和自己的概念，供它本身使用.科學(xué)的概念最初總是日常生活中的普通概念，但它們經(jīng)過發(fā)展就完全不同，失去了普通語言中所帶有的含糊性質(zhì)，從而獲得嚴(yán)格的定義，這樣它們就能應(yīng)用于科學(xué)的思維[7].因而我們要充分發(fā)揮日常生活中普通概念的積極作用，舍棄其中不需要的成分，而發(fā)展我們需要的、合理的成分.

功是力學(xué)中為了準(zhǔn)確描述一個物體(或系統(tǒng))機(jī)械能變化多少的一個重要概念，是為了量度物體在外力作用下機(jī)械能發(fā)生變化一個物理量.功的大小等于用作用于物體上的力和物體在這個力的方向上所發(fā)生位移的乘積，它包括兩個必要因素：一是有力作用在物體上；二是物體在力的方向上發(fā)生位移.同學(xué)們?nèi)粘Ｉ畹摹肮Α笔恰肮凇薄肮儭薄柏暙I(xiàn)”的意思，指為實(shí)現(xiàn)某種目的而付出的體力或腦力勞動，具有工作的內(nèi)涵；當(dāng)涉及體力勞動時，與“力”有關(guān)，但與“在力的方向上發(fā)生位移”與否卻沒有關(guān)系，也就是說與“機(jī)械功”沒有明顯、直接的聯(lián)系.教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，影響學(xué)生獲得機(jī)械功科學(xué)概念的前概念集中表現(xiàn)于“工作”對“機(jī)械功”的影響，以及功的內(nèi)涵的確立.因此，創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生由原有的功—工作—機(jī)械功—功的變化是學(xué)生正確理解“功”的重要途徑.

例如，可以用ppt動畫描述四個工人在建筑工地搬運(yùn)貨物的場景.第一個工人將箱子從肩膀高度，由一處扛到另一處；第二個工人將與第一個工人相同的箱子(以下同)，從一處水平推到另一處靜止；第三個工人沿水平地面，將箱子推動，且速度越來越快；第四個工人將箱子沿光滑斜面從地面推到高處.這幾個工人重復(fù)同樣的動作，如果工作時間相同，他們的工作量也差不多，但他們在改變箱子的能量方面卻有所不同.第一個工人將箱子的位置改變，但箱子的高度和速度都沒有改變，即重力勢能和動能與開始狀態(tài)比較沒有發(fā)生改變，也就說箱子的機(jī)械能沒有改變.第二個工人要用力克服箱子與地面之間的摩擦，使箱子與接觸的地面發(fā)熱，增加了箱子與地表接觸面的內(nèi)能.第三個工人，將箱子推得越來越快，除了要用力克服箱子與接觸面之間的摩擦，使箱子和地表接觸面因摩擦而發(fā)熱，增加了箱子與地表接觸面的內(nèi)能，還增加了箱子的動能.第四個工人，將箱子的水平位置提高了，改變了箱子的重力勢能，增加了箱子的機(jī)械能.為了區(qū)分不同的工作在改變物體能量效果方面的差異，我們把如第二、第三、第四個工人那樣有力作用在物體上，并使物體在力的方向上發(fā)生了位移，改變了物體的能量，稱：這個人對物體施加的力對物體做了“功”.而那些沒有力作用在物體上，或有力作用在物體上但物體的能量并沒有發(fā)生改變的工作，如第一個工人所做的工作，雖然完成任務(wù)也有功勞，但我們依然說這種工作或力沒有對物體做功.這樣，學(xué)生不僅能將日常生活中熟悉的“工作”概念逐漸、有效地過渡到“功”的科學(xué)概念，同時，突出了功的兩個因素，以及功是物體能量大小改變量度的本質(zhì)內(nèi)涵.

慣性也是一個由生活概念發(fā)展到科學(xué)概念的典型.學(xué)生生活經(jīng)驗中的慣性是:靜止的物體沒有慣性，運(yùn)動的物體才有慣性，且物體運(yùn)動的速度越大慣性越大.大家生活中熟悉的事例包括：汽車剎車時，踩了剎車，車還會往前行駛一段；電風(fēng)扇停電以后不會馬上停下來；百米跑到終點(diǎn)時，還要再往前沖兩步；騎自行車上坡時速度越大，上坡時慣性越大就越能沖上去；下坡時坡度越大，慣性就越大[8].為了將慣性的前概念順利過渡到科學(xué)概念，情境要突出幾點(diǎn)：

(1)靜止的物體也會表現(xiàn)出慣性；

(2)慣性只與物體的質(zhì)量有關(guān)與物體的速度大小沒有關(guān)系；

(3)慣性是當(dāng)物體的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變時，物體表現(xiàn)出來的保持原來狀態(tài)的性質(zhì).

首先，要求同學(xué)們列舉出他們生活中發(fā)現(xiàn)物體慣性的事例，如汽車剎車卻停不下來等大家熟知的經(jīng)驗事實(shí)，分析這些運(yùn)動物體很難靜止下來，承認(rèn)他們認(rèn)識中的合理成分.接下來，要求學(xué)生們列舉生活中靜止物體表現(xiàn)出慣性的事例，如坐在公共汽車上，當(dāng)汽車發(fā)動時，身體往后倒；衣服的灰塵，可以通過拍打衣服，讓灰塵與衣服脫離.

靜止的物體也有保持它原來靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)，慣性的大小與速度無關(guān).但生活經(jīng)驗卻覺得，速度越大，運(yùn)動狀態(tài)越難改變.可以讓同學(xué)們討論：一輛汽車速度很快時確實(shí)很難停下來，剎車了還要滑行一段相當(dāng)長的距離；但當(dāng)汽車靜止時，要讓它啟動，由靜止加速到很快的速度也一樣困難.相反，讓速度比汽車大得多的子彈停止下來相對要容易得多.一塊厚木板能夠讓子彈靜止，卻不能阻止運(yùn)動的汽車，說明慣性不僅與物體的速度有關(guān)，且與物體的質(zhì)量有關(guān).把同學(xué)們關(guān)注的焦點(diǎn)由單一的速度轉(zhuǎn)移到物體的速度和質(zhì)量.

接下來創(chuàng)設(shè)突出質(zhì)量因素的情境，讓同學(xué)們討論：為什么方程式汽車要設(shè)計得很輕巧，火箭發(fā)射過程中要拋棄掉燃燒完的燃料倉？簡單的討論不難得到：質(zhì)量越大的物體運(yùn)動狀態(tài)越難改變，即物體的質(zhì)量是物體慣性大小的量度.

最后引導(dǎo)同學(xué)們反復(fù)觀看，汽車剎車和啟動時的錄像：發(fā)現(xiàn)慣性只有在物體運(yùn)動的狀態(tài)發(fā)生改變時，才會表現(xiàn)出來，尤其是當(dāng)汽車由運(yùn)動變靜止時，會在馬路上保持運(yùn)動(原來)狀態(tài)一段距離，現(xiàn)象十分明顯；但當(dāng)汽車發(fā)動時，也會保持靜止(原來)狀態(tài)一段時間，但由于汽車沒有發(fā)動和發(fā)動了一段時間內(nèi)都是靜止?fàn)顟B(tài)，因而其保持原來靜止?fàn)顟B(tài)的現(xiàn)象不明顯，很難引起我們的注意.從而最終放棄運(yùn)動物體有慣性而靜止物體沒有慣性的前概念.

實(shí)踐證明，了解學(xué)生相關(guān)的前概念、創(chuàng)設(shè)與前概念相聯(lián)系的情境、創(chuàng)設(shè)新舊概念沖突的情境有助于學(xué)生獲得準(zhǔn)確的科學(xué)概念；積極主動并有針對性地創(chuàng)設(shè)物理情境是物理概念教學(xué)的一種有效策略.

參考文獻(xiàn)

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