周中森（連云港市教育局教研室 江蘇 連云港 222006）

學(xué)生在接受正規(guī)物理教育之前，通過自己的觀察和體驗(yàn)已經(jīng)形成了對某些物理現(xiàn)象的認(rèn)識和理解；這些認(rèn)識和理解是學(xué)生學(xué)習(xí)物理之前用來認(rèn)識周邊世界、理解日常現(xiàn)象的策略，有時和科學(xué)概念并無沖突，但很多時候卻不相容，甚至相悖.認(rèn)知心理學(xué)派代表奧蘇貝爾將它們稱為“前概念”或“相異構(gòu)想”.研究前概念的目的和意義就在于發(fā)現(xiàn)學(xué)生形成各種前概念的原因，明確學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識所存在的困難，充分利用它的積極作用.

1 “物理前概念”的基本特征及其形成原因分析

物理來源于生產(chǎn)、生活，來源于科技；生活處處皆物理.正因?yàn)槲锢砼c生活中常見的現(xiàn)象緊密相連，兒童從一出生就接觸到這些物理現(xiàn)象，但直到初二年級十二三歲時才第一次受到正式的物理教育.在這段時間里，由于多種物理現(xiàn)象對兒童感官的刺激，隨著年齡的增長，兒童大腦便逐漸形成了對各種事物、各種現(xiàn)象的感知，即形成了很多與物理現(xiàn)象相對應(yīng)的“物理前概念”；但這些感知是從表象中形成的，很多沒有抓住問題的實(shí)質(zhì)，所以形成的認(rèn)識往往是表面的，甚至是錯誤的.

1.1 物理前概念的基本特性

根據(jù)物理前概念的形成原因分析，前概念主要表現(xiàn)出以下特性.

普遍性：物理前概念代表學(xué)習(xí)物理之前絕大多數(shù)“自然人”（包括學(xué)生）的當(dāng)然想法.幾乎出現(xiàn)在物理學(xué)力、熱、光、電、磁等各個領(lǐng)域.

頑固性：這些物理前概念是學(xué)生從小時候開始，長期以來通過觀察、感悟形成的，在學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中先入為主而且根深蒂固，不容易被解構(gòu).如果教學(xué)中只是把正確的概念強(qiáng)加給學(xué)生，他們只能暫時接受，經(jīng)過一段時間后，又會回到原有的前概念上去.

隱蔽性：由于學(xué)生大腦中的前概念是潛移默化形成的，因此它以潛在形式存在，平時并不表現(xiàn)出來.然而在物理教學(xué)中學(xué)習(xí)有關(guān)概念時，學(xué)生馬上就會聯(lián)想到他們頭腦中的前概念.當(dāng)讓學(xué)生用物理概念去解釋問題時，前概念也會馬上表現(xiàn)出來.

兩面性：雖然大部分物理前概念和科學(xué)的物理概念沖突、矛盾，必然會成為科學(xué)的物理概念學(xué)習(xí)的障礙，還可能形成新的錯誤認(rèn)知、概念，但前概念是他們思維的產(chǎn)物，是屬于學(xué)生個人的精神財富，對物理學(xué)習(xí)又有它的特殊意義.在教學(xué)過程中教師應(yīng)注意到物理前概念的特征，盡量發(fā)揮它在物理教學(xué)中的積極作用，減少其不利影響.

1.2 常見的物理前概念及形成原因分析

錯誤的物理前概念產(chǎn)生的主要原因包括跟著感覺走，只看到表面現(xiàn)象，看不到現(xiàn)象的本質(zhì).試舉例如下.

前概念之一：運(yùn)動需要力來維持.

表面現(xiàn)象：用力推物體，物體才會前進(jìn)，停止用力，物體就會停下來.

形成原因：人們對力的最初認(rèn)識是通過人的“推、拉、提、壓”等開始的，而對于自然產(chǎn)生的、看不見的滑動摩擦力、靜摩擦力、空氣阻力等則無視其存在.

現(xiàn)象本質(zhì)：在有阻力的情況下，要想讓它運(yùn)動起來并繼續(xù)運(yùn)動下去，需要外加推力維持.

前概念之二：重的物體落得快，輕的物體落得慢.

表面現(xiàn)象：蘋果比樹葉落得快，鐵球比乒乓球落得快……

形成原因：只看到了物體重力不同的表面現(xiàn)象，沒有注意空氣阻力的作用.

現(xiàn)象本質(zhì)：在有空氣阻力的情況下，若物體形狀大小相同，密度越大的物體所受空氣阻力與其重力的合外力較大，就會落得更快.

以上兩個前概念是影響物理學(xué)發(fā)展時間最長的經(jīng)典前概念.2 000多年前亞里士多德把運(yùn)動分為“自然運(yùn)動”和“強(qiáng)迫運(yùn)動”.他認(rèn)為重物下落，天上星辰圍繞地心做圓周運(yùn)動是自然運(yùn)動；而要讓物體做強(qiáng)迫運(yùn)動，必須有推動者，即有施力者.力一旦去除，運(yùn)動即停止.若你看到一個東西在移動，你就會尋找一個推動它的東西（像是我們的手、身體）.當(dāng)沒什么東西推它時，它就會停止移動.而這種推動一個推著一個，向上追溯“必然存在第一推動者”那就是上帝.既然重物下落是物體的自然屬性，物體越重，趨向自然位置的傾向也就越大，所以下落速度也越大.于是從亞里士多德的教義出發(fā)，就必然得到物體下落速度與物體重量成正比的結(jié)論.因?yàn)檫@一觀點(diǎn)與“自然人”的感性認(rèn)識相符，再加上符合羅馬教會的教義，近2 000年的時間內(nèi)被全世界的人們所接受.直到伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)和牛頓運(yùn)動定律的建立才使運(yùn)動和力的科學(xué)概念得以建立.

前概念之三：把看到的“白氣”當(dāng)成水蒸氣.

表面現(xiàn)象：燒開水時，會向上冒熱氣；冬天，人呼吸時會呼出白氣……

形成原因：過分相信自己的眼睛.以為這些看的見的“白氣”當(dāng)然是水蒸氣.實(shí)際水蒸氣也和空氣一樣，無色無味，是看不見的.

現(xiàn)象本質(zhì)：看見的“白氣”是水蒸氣遇冷后液化形成的小水珠或小冰晶.

前概念之四：冬天室外的鐵塊比泡沫塑料的溫度低.

表面現(xiàn)象：冬天，手觸摸室外的鐵塊感覺比木塊涼，特別是手觸摸泡沫塑料則感覺比較暖和.

形成原因：過分相信自己的感覺.人的皮膚對接觸物冷熱感覺不是簡單地由溫度決定的，而是與相同時間內(nèi)皮膚接觸處的熱量傳遞的多少決定的.

現(xiàn)象本質(zhì)：鐵的導(dǎo)熱性能比泡沫塑料好，所以手接觸鐵塊時，相同時間內(nèi)向鐵塊傳遞的熱量比泡沫多，所以感覺鐵塊涼.與此類似的，手接觸0℃的冰感覺比0℃的水溫度低，是因?yàn)楸刍瘯r需要吸熱，相同的時間手被冰吸的熱量要比被水吸的熱量多，所以感覺涼.相反，夏天感覺鐵塊比木塊熱，道理也是因?yàn)殍F塊的導(dǎo)熱性好.

另外還有一些因?yàn)槲锢砀拍铋g的混淆，生活用語與物理用語的不統(tǒng)一等引起的物理前概念在這里就不一一列舉了.

2 應(yīng)對物理前概念教學(xué)的基本策略及案例設(shè)計

從人類認(rèn)識的發(fā)展角度來看，前概念的產(chǎn)生是正常的、必然的，在科學(xué)發(fā)展史上科學(xué)家們的研究被“前概念”所蒙蔽的也屢見不鮮.前概念的產(chǎn)生正體現(xiàn)了人類認(rèn)識發(fā)展的一般規(guī)律；我們應(yīng)該充分利用而不是回避，把它作為建立新的正確概念的突破口.所以要想讓學(xué)生學(xué)好物理，教師就必須充分了解學(xué)生頭腦中的前概念，讓學(xué)生在教師的引領(lǐng)下反思這些前概念產(chǎn)生的原因，從而建立正確的物理概念.

2.1 充分了解與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的“物理前概念”

因?yàn)閭€體從出生就開始本能地探索環(huán)境，順應(yīng)環(huán)境的活動；在這種活動中，對事物形成了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并建構(gòu)了個體特定的認(rèn)知圖式.所以建構(gòu)主義者認(rèn)為，學(xué)生不是空著腦袋進(jìn)入教室的；即使有些問題他們從沒有觸及過，還沒有現(xiàn)成的可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)，但是一旦新問題出現(xiàn)在他們面前時，依據(jù)他們的認(rèn)知能力，基于過去的經(jīng)驗(yàn)對新問題也會給以解釋或提出假設(shè)，即建構(gòu)起新的認(rèn)知圖式.認(rèn)知心理學(xué)家奧蘇伯爾說“如果我不得不把全部教育心理學(xué)還原為一條原理的話，我將會說，影響學(xué)習(xí)的唯一的最重要的因素是了解學(xué)習(xí)者已經(jīng)知道了什么”.的確，在教授新概念之前，教師必須充分了解學(xué)生已有的認(rèn)知情況，尤其是與新概念有密切關(guān)系的已有概念和原理的認(rèn)識，才能選擇有效的教學(xué)策略和方法進(jìn)行有的放矢的教學(xué).

2.2 培養(yǎng)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)的“物理品質(zhì)”

物理前概念的形成原因主要是跟著感覺走，只看表面，看不到問題的本質(zhì).所以物理教學(xué)要加強(qiáng)學(xué)生分析問題方法的培養(yǎng).引導(dǎo)學(xué)生善于用“牛頓運(yùn)動定律”來分析運(yùn)動和力的關(guān)系；用“能量轉(zhuǎn)化和守恒”的觀點(diǎn)來分析能量問題，防止“永動機(jī)事件”的重演；善于用“動量守恒”的觀點(diǎn)來分析相互作用問題.注重培養(yǎng)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)的“物理品質(zhì)”，吸取亞里士多德“跟著感覺走”的歷史教訓(xùn).努力把一群“負(fù)”起點(diǎn)的“自然人”轉(zhuǎn)化成具有正確思維習(xí)慣的“正”的“物理人”.

2.3 善于利用“對話式反思教學(xué)策略”

正因?yàn)榇蟛糠智案拍詈驼_的物理概念不相符合，所以中學(xué)物理教學(xué)是從 “負(fù)”起點(diǎn)開始，先要糾正這些“錯誤”的前概念，再建立正確的物理概念.這也是學(xué)生感到物理難學(xué)的重要原因之一.

筆者通過多年的研究反思，認(rèn)識到利用物理前概念“對話式反思教學(xué)策略”是突破難點(diǎn)建立正確物理概念的有效途徑.它主要包括以下幾個環(huán)節(jié)，如圖1所示.

圖1 建立正確物理概念的有效途徑

本策略是受伽利略《兩門新科學(xué)》中對話的啟發(fā)，通過設(shè)計對話式系列問題，引導(dǎo)學(xué)生對其已有的物理前概念進(jìn)行反思.所設(shè)計的對話式系列問題一定要體現(xiàn)前概念與正確概念間的矛盾沖突，激活學(xué)生對前概念的反思.同時要針對前概念產(chǎn)生的原因設(shè)計問題，讓學(xué)生充分認(rèn)識到前概念產(chǎn)生的合理和片面性，以加深對新概念建立過程的印象.讓問題在對話中解決，讓正確概念建立在水到渠成之中.模仿伽利略在《兩門新科學(xué)》中的對話模式，對幾個教學(xué)片斷做反思對話問題設(shè)計，舉例如下.

案例1：“落體運(yùn)動”教學(xué)對話問題設(shè)計

前概念：重的物體落得快，輕的物體落得慢.

模仿伽利略在《兩門新科學(xué)》中關(guān)于落體運(yùn)動的反思對話問題設(shè)計如下（薩：代表問題設(shè)計者伽利略，相當(dāng)于教師；辛：代表一般自然人，相當(dāng)于學(xué)生）

問題暴露

薩：如果我們?nèi)蓚€自然速率不同的物體，把兩者連在一起，快者將被慢者拖慢，慢者將被快者拖快，您同意我的看法嗎？（正確的知識、經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)）

辛：毫無疑問，您是對的.（自然人都能理解）

引導(dǎo)反思

薩：但是假如這是真的，并且假如大石頭以8的速率運(yùn)動，而小石頭以4的速率運(yùn)動；兩塊石頭在一起時，系統(tǒng)將小于8的速率運(yùn)動.但是兩塊石頭拴在一起更重了，所以更重的物體反而比更輕的物體運(yùn)動慢，這個效果與您的設(shè)想相反，如圖2所示.（合理推斷）

圖2 引導(dǎo)落體運(yùn)動的反思

分析探究

薩：請做一個實(shí)驗(yàn)：兩張相同的紙，把其中一張變成紙團(tuán)，讓它們一起從同一高處由靜止落下，結(jié)果會怎樣？這說明落體運(yùn)動的快慢和什么有關(guān)？

辛：空氣阻力是落體快慢的主要原因.

薩：一個大鉛球（5kg）、一個小鉛球（3kg）從同一高度同時下落，結(jié)果會怎樣？

辛：……

薩：如果將鐵片、羽毛放在抽成真空的管內(nèi)，讓它們從同一高度同時下落，結(jié)果會怎樣？

辛：……

概念重構(gòu)

經(jīng)過對話和實(shí)驗(yàn)，薩和辛達(dá)成共識：在沒有空氣阻力的情況下，物體下落的快慢與物重?zé)o關(guān).有阻力的情況下取決于阻力相對于重力的大小.

案例2：“摩擦力、二力平衡”教學(xué)片斷

前概念：用水平力F推放在水平面上的物體而沒有推動時，推力小于摩擦力.

問題暴露

師：如圖3所示，用水平推力F推靜止放在水平地面上的物體，結(jié)果沒有推動，你認(rèn)為這時的水平推力F與地面給物體的摩擦力f的大小有什么關(guān)系？

生：大部分學(xué)生會異口同聲的回答F＜f.（這是學(xué)生的第一感覺，也就是“前概念”）

圖3 用力推水平放置的物體

引導(dǎo)反思

師：若真是F＜f，物體還平衡嗎？物體將會向哪運(yùn)動？這可能嗎？

生：大部分學(xué)生會回答不能平衡，會向推力的反方向運(yùn)動，這不可能（進(jìn)一步引起沖突和反思）

師：物體沒有被推動，表示物體處于平衡狀態(tài)還是非平衡狀態(tài)？

生（大部分）：處平衡狀態(tài).（這是學(xué)生原有的知識基礎(chǔ)）

師：既然物體處于平衡狀態(tài)，水平方向的兩個力F和f應(yīng)滿足什么關(guān)系？

大部分學(xué)生都應(yīng)該知道F＝f.（和學(xué)生的原有概念產(chǎn)生沖突，引起學(xué)生反思）

師：你認(rèn)為是F＜f，還是F＝f正確呢？

學(xué)生分為兩部分，一部分認(rèn)為是前者，也有一部分人認(rèn)為是后者.（學(xué)生態(tài)度不堅決，進(jìn)一步反思）

分析探究

師：當(dāng)F＝1N時，如果還沒有推動，根據(jù)平衡條件，這時f大小為多少？

生（大部分）：f＝1N.

師：當(dāng)F增大時，如果還沒有推動，f大小如何變化？f能不能無限制的增大？隨著F不斷增大，物體是否會被推動？

生：f大小會隨之增大，f不能無限制的增大，隨著F不斷增大，物體會被推動（學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)?zāi)芾斫猓?/p>

概念重構(gòu)

教師帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)：因?yàn)閒就是為了平衡F提供的.在沒有被推動之前，f隨著F的增大而增大.但f有一個最大值，物理學(xué)中稱最大靜摩擦，用fm表示（雖然初中不要求，但這樣反思后學(xué)生是能理解的）.在沒有推動之前，F(xiàn)＜fm，但由于平衡，一直滿足F＝f.大家之所以第一感覺F＜f，是因?yàn)榇蠹野裦與fm混淆了.

結(jié)論：沒有推動是因?yàn)镕＜fm，但F＝f.

案例3：關(guān)于慣性的教學(xué)片斷

前概念：速度越大，慣性越大.

關(guān)于慣性的量度，如果只是把“慣性只由物體的質(zhì)量決定，與運(yùn)動性質(zhì)、運(yùn)動快慢無關(guān)”強(qiáng)加給學(xué)生，學(xué)生是很難真正接受的.一般學(xué)生都認(rèn)為：速度越大，慣性越大.

問題暴露

師：有一位同學(xué)根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)知道，同一輛汽車，在相同的路面上，速度越大剎車后需要越長的時間才能停下來，滑行的距離也越遠(yuǎn)（這正是高速公路上限速的原因）.所以他認(rèn)為速度越大，慣性越大，你認(rèn)為對嗎？

學(xué)生有兩種觀點(diǎn)，一種是看了書上說慣性只由質(zhì)量決定，與其他無關(guān)；但另一觀點(diǎn)覺得速度越大，慣性越大.（引起沖突，是書上說的正確呢，還是親身體驗(yàn)正確呢？）

引導(dǎo)反思

師：物體慣性是反映物體保持原來運(yùn)動狀態(tài)本領(lǐng)的東西.物理學(xué)最重要的方法是控制變量法.用滑行時間來反映慣性大小的思路是正確的，但應(yīng)比較速度改變量相同的情況下所需時間.如由1m／s減到零和由120m／s減到119m／s所需時間進(jìn)行比較才有意義.你同意嗎？

學(xué)生可能不能完全理解，但大部分學(xué)生對控制變量法是很熟悉的，基本能接受.（物體做功本領(lǐng)，應(yīng)比較單位時間內(nèi)做的功）

分析探究

師：可以介紹用牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)公式來分析

當(dāng)F，m，Δv相同時，Δt也相同.

概念重構(gòu)

在相同的情況下，速度發(fā)生相同變化所需要的時間由質(zhì)量決定，與當(dāng)時的速度大小無關(guān).

總之，物理前概念是客觀、普遍存在的，教師要加強(qiáng)研究，充分了解，在教學(xué)中通過反思系列問題的引導(dǎo)，利用它的積極作用，克服其不利影響，使學(xué)生在反思中建構(gòu)正確的物理概念.