周洪池 唐登研

“相異構(gòu)想”的矯治策略
——以初中物理為例

周洪池1唐登研2

初中生物理“前概念”中的“相異構(gòu)想”是造成物理難學的主要因素，分析它，對物理教學有重要的意義。通過借鑒物理學家認知物理知識的歷程，對比物理學史中物理知識的發(fā)展過程，探索矯治物理“前概念”中“相異構(gòu)想”的策略，其中，實驗和科學的思維方式是矯治物理“前概念”中“相異構(gòu)想”的兩條路徑。

前概念；相異構(gòu)想；矯治策略；物理教學

初中學生在新舊知識交織、固有的思維方式與科學的思維方式相互混雜的背景之下容易產(chǎn)生各種偏離科學概念的“相異構(gòu)想”。筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生“相異構(gòu)想”有兩種情況，一種是源于日常生活中的經(jīng)驗，無意間形成的錯誤“前概念”；另一種是在接受科學教育過程中由于缺少科學活動的情景，沒有形成足夠的感性認識，這種情況多數(shù)出現(xiàn)在學習抽象的科學知識時。矯治這種現(xiàn)象是初中物理教師面臨的一個重要話題，我們可以從物理學史中獲得一些啟示。

以人類對光的本性的認識為例。17世紀開普勒開啟了對光的本性研究，英國物理學家牛頓認為光是由運動的微粒組成的，而荷蘭物理學家惠更斯則認為光是一種波。這兩種代表性的學說是關于光本性的兩種截然不同的觀點，二者對光的認識都符合機械論的解釋方式，也解釋了差不多同樣范圍內(nèi)的光學現(xiàn)象，但都不能解釋當時所有與光有關的光學現(xiàn)象，從此拉開了兩種學說的歷史大討論。1801年英國物理學家托馬斯·楊成功地做出了雙縫干涉實驗，有力地支持了“波動說”理論。1818年法國物理學家菲涅耳用半波帶法定量地計算了圓板障礙物產(chǎn)生的衍射花紋，并戲劇性地觀測到“泊松亮斑”，給了“微粒說”沉痛的一擊。1868年英國物理學家麥克斯韋預言了電磁波的存在，并從理論上推導出電磁波的傳播速度就是光速，認為光是一種電磁波，把原來相互獨立的電學、磁學和光學結(jié)合起來。1888年，赫茲從實驗上證實了電磁波的存在。至此，“波動說”在論戰(zhàn)中占據(jù)了全面優(yōu)勢地位。但1900年普朗克提出了能量子假設，愛因斯坦利用光量子假設，成功解釋了光電效應現(xiàn)象，說明光有粒子性的一面。到了20世紀，科學界認為光既具有波動性，又具有粒子性，具有“波粒二象性”。

從上述對光的本性認識的歷程中可以看出，站在認識前沿的科學家，對科學的認識也有各自不同的“相異構(gòu)想”，他們提出自己的觀點都是從他擁有的認識開始，利用獨特的思維方式建立模型，構(gòu)建自己的理論，而不是憑空捏造出一種理論。如果要推翻舊的觀點建立新的理論，必須要有強有力的事實。因而，我們從中得到啟示：要想矯治“相異構(gòu)想”，實驗和科學的思維方式是兩把利器。

一、實驗是矯治“相異構(gòu)想”的基礎

瑞士心理學家皮亞杰的發(fā)生認識論指出：認知沖突是人的原有圖式與新感受到的事件或客體之間的對立性矛盾。因此，要設計實驗讓學生的“相異構(gòu)想”受到?jīng)_擊，動搖錯誤“前概念”，形成正確的認識。

首先，直觀感覺是形成“相異構(gòu)想”的原因，消除直觀感覺造成的“相異構(gòu)想”，最好的辦法是還原事實的真相，并做出合理的解釋。

冬天碰到鐵時感覺冷，而在同種環(huán)境下碰到木頭時并不冷，于是形成了“同一環(huán)境下鐵比木頭的溫度低”的“相異構(gòu)想”。為此我設計了如下實驗：在環(huán)境溫度為5℃的情況下，將兩個測溫探頭緊貼樓梯扶手的木質(zhì)部分和鐵質(zhì)部分，然后一手握鐵管處探頭，另一手握木扶手處探頭。在計算機上描繪出兩個溫度隨時間變化的圖線（如圖1所示）。圖1中下面一條圖線顯示用手握鐵管時，測量出的溫度遲遲沒有達到人體的體溫，而上面一條圖線顯示用手握木扶手時，溫度很快達到人體的體溫。由此可知，上述“相異構(gòu)想”的形成原因是不同物質(zhì)熱傳遞的快慢造成的錯誤感覺，事實上鐵管和木頭的初溫是相同的，并不存在溫度更低的狀況。

圖1

其次，在學習抽象概念時，學生往往因為先入為主的想象形成了“相異構(gòu)想”，為深入教學帶來了極大的阻力。設計相似的實驗可以幫助他們形成感性認識，通過類比使得抽象概念得到同化。

例如，初學電學時，不少學生認為“越靠近電源正極處的電流越大”。為了克服學生對電流的認識上的“相異構(gòu)想”，我們先設計了一個水流的實驗，選取三只相同的水表，用自來水管將三只水表串聯(lián)，水管一端接位置較高的水杯，打開閥門讓水通過三只相同的水表流入到較低位置的水杯中，如圖2-1所示。當觀察到三只水表示數(shù)變化相同時，學生認識到在串聯(lián)的水管中水流量是相等的。

圖2-1

圖2-2

如圖2-2所示。將三只電阻串聯(lián)，再用三只相同規(guī)格的電流表分別串聯(lián)在電阻之間，電流表A1靠近電源的正極，電流表A3靠近電源負極，接通電源時，觀察到三只電流表中的讀數(shù)是相同的，從而引導學生認識到串聯(lián)電路中各處的電流強度相等的結(jié)論。

最后，“相異構(gòu)想”具有頑固性，為此，可設計實驗將原有經(jīng)驗和新信息進行對比、分析、批判、選擇和重建，使得學生對相關信息經(jīng)修正、重組后再吸收，形成科學的認識。

例如，在學習力與運動關系時，學生依據(jù)零碎的日常生活經(jīng)驗形成了“力是維持物體運動的原因”這個“相異構(gòu)想”。在教學中我們設計了如下的系列實驗。

如圖3-1所示，用彈簧秤拉木塊在水平面上運動時，彈簧秤上顯示有拉力，說明物體在水平拉力的作用之下運動起來（符合直觀認識，學生有親和感）。

如圖3-2所示，將木塊放在水平的傳送帶上，事先將下面的傳送裝置遮擋起來，當傳送帶轉(zhuǎn)動時，用彈簧秤拉住木塊，彈簧秤上顯示有拉力，但物體在水平拉力作用下處于靜止狀態(tài)（學生會感到疑惑，有迷茫感）。

圖3-1

圖3-2

如圖3-3所示，將木塊從圓弧面上的某一高度由靜止釋放，木塊運動到水平面上時能滑行較遠的距離才停止。如圖3-4所示，在圖3-3的水平面上鋪墊一層薄紗布，將木塊從圖3-3中的同一位置由靜止釋放，木塊在水平面上滑行距離比圖3-3中的距離要小得多而停止。對比這4個實驗，學生首先看到有力作用時物體才能運動的現(xiàn)象，這個現(xiàn)象與他們的經(jīng)驗相吻合。當看到物體在水平拉力作用下處于靜止時便產(chǎn)生了困惑，會感到自己的經(jīng)驗可能是錯誤的。這激發(fā)了學生的探究欲望，促使學生初步形成“力不是維持物體運動狀態(tài)的原因”的認知。通過物體以相同的初速度在不同水平面上運動距離的比較，得到“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”的結(jié)論。在上述認知過程中，發(fā)生了同化順應、認知排斥、修正重組等思維活動過程，有效矯治了“相異構(gòu)想”。學生能夠領悟到力是改變木塊運動狀態(tài)的原因，而不是維持物體運動的原因。

圖3-3

圖3-4

學生的“相異構(gòu)想”具有自發(fā)性、多樣性、頑固性、隱蔽性、反復性的特點，在教學過程中應根據(jù)發(fā)現(xiàn)的“相異構(gòu)想”設計不同的實驗進行矯治，這是初中物理教師在教學過程中應思考和實踐的重要內(nèi)容。

二、科學的思維方式是矯治“相異構(gòu)想”的重要方法

美國心理學家波斯納的“觀念轉(zhuǎn)變”理論指出：對當前的觀念不滿意是產(chǎn)生觀念轉(zhuǎn)變的關鍵。思維是對事物的間接反映，它通過其他媒介認識客觀事物，借助于已有的知識和經(jīng)驗，已知的條件推測未知的事物?？茖W的思維方式有分析與綜合、比較與分類、抽象和概括等幾個方面?；趯W生的“相異構(gòu)想”，順應他們的思維過程進一步深入下去，直指他們的錯誤認知，可有效地矯治他們的“相異構(gòu)想”。在教學實踐中我們發(fā)現(xiàn)，對比、直覺和邏輯三種思維方式對矯治“相異構(gòu)想”較為有效。

對比思維是對幾種相同或是不同事物的某些方面進行比對，尋找事物的異同及其本質(zhì)與特性。在教學中可以設計一個易錯的情境，讓學生暴露出“相異構(gòu)想”，再通過這樣的思維方式進行對比糾正，矯治“相異構(gòu)想”。例如，在教授“霜的形成”時，學生從“下霜”兩字認為霜是從天空中降落的，教師可以對比“下雨”“下雪”，分析霜的形成過程，進而矯治這一“相異構(gòu)想”。

直覺思維是一種一次性猛然接觸事物本質(zhì)的思維，它需要在得出結(jié)論后再去論證自己的觀念。這種思維需要平時有對事物本質(zhì)認識的積累。直覺思維由“顯意識→潛意識→顯意識”構(gòu)成一個動態(tài)整體結(jié)構(gòu)，有整體性和躍遷性的特點，使用這種思維方式能使學生的“相異構(gòu)想”受到強烈的沖擊。例如在教授“慣性”時，學生總認為力越大物體慣性越大。教師可以做演示實驗，將杯子放在紙條上，慢慢拉動（用力?。r杯子隨紙條一起前進；當運動到桌子邊緣時，猛地抽出（用力大）紙條而杯子沒有隨紙條掉落。通過這驚奇的一幕，有效地矯治了學生的“相異構(gòu)想”。

邏輯思維，是從已有的概念出發(fā)推導出結(jié)果的過程。因為已有的概念中存在“相異構(gòu)想”，所以經(jīng)過推理后得到相互矛盾的結(jié)果，為了解決這個矛盾，學生不得不回頭思考問題出在哪里，最終矯治“相異構(gòu)想”。例如學生在學習物體的浮沉條件時，由于生活經(jīng)驗形成了“重沉輕浮”的“相異構(gòu)想”?？梢砸龑W生做如下思考：既然重的物體在水中下沉，輕的物體在水中上浮，如果用細繩將重物和輕物綁在一起它們更重了，再放入水中兩個物體一定是下沉的，但事實往往并非如此。通過這樣的邏輯推理，有效地矯治了這一“相異構(gòu)想”。

矯治學生的“相異構(gòu)想”是初中物理教學中的重要任務，有經(jīng)驗的教師有意無意地在做這項工作。矯治“相異構(gòu)想”的策略不僅僅是回顧物理學史、設計實驗和利用科學思維，還可以在教學過程中創(chuàng)設學生以前所未經(jīng)歷的情境來引發(fā)認知沖突；對某些頑固性的“相異構(gòu)想”，可以多種手段并用，以強化認知沖突；對因字詞生意的“相異構(gòu)想”，要解剖其字詞的多種意思及形成概念的原因，把握概念實質(zhì)。

［1］夏海寧.前概念對物理概念學習的影響及其轉(zhuǎn)化策略的研究［D］.沈陽：遼寧師范大學，2011.

［2］馮一冰，熊寶庫.前概念對物理概念教學的影響及教學策略［J］.物理通報，2004（02）.

［3］李高峰，劉恩山.前科學概念的研究進展［J］.呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學學報，2007（04）.

G633.7

A

1005-6009（2017）43-0018-03

1.周洪池，江蘇省建湖縣教育局教研室（江蘇建湖，224700）物理教研員，正高級教師，鹽城市學科帶頭人，全國模范教師；2.唐登研，江蘇省建湖縣城南實驗初中（江蘇建湖，224700）教師，高級教師，鹽城市教學能手。