李 楨 董 慧

(1. 鄭州師范學(xué)院物理電子工程學(xué)院，河南 鄭州 450000;2. 陜西師范大學(xué)教育學(xué)部，陜西 西安 710000)

1 引言

物理概念在物理學(xué)習(xí)中有著非常重要的地位，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，因此物理概念教學(xué)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的主題。筆者借助CNKI數(shù)據(jù)庫(kù),檢索了近31年(1990—2020年)的“物理概念教學(xué)”為主題詞的所有文獻(xiàn)，共搜索到7102篇論文,從數(shù)量變化趨勢(shì)看，多年來(lái)一直是研究的熱點(diǎn)，且持續(xù)升溫，在2013年達(dá)到峰值，最近幾年略有下降(圖1)。說(shuō)明物理概念教學(xué)研究已取得豐碩成果，但在教學(xué)實(shí)踐中仍存在很多有待解決的問(wèn)題,“這些成果與一線教學(xué)實(shí)踐之間存在怎樣的鴻溝”“該話題還能否、怎樣繼續(xù)深入研究”是值得研究的問(wèn)題。

圖1

2 物理概念教學(xué)的涵義

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人腦中的反映,是對(duì)客觀事物的抽象,是觀察、實(shí)驗(yàn)和思維相結(jié)合的產(chǎn)物。物理概念教學(xué)指教師在了解學(xué)生已有學(xué)習(xí)情況的基礎(chǔ)上,根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求、物理概念的特點(diǎn)、學(xué)生形成概念的認(rèn)知特點(diǎn)等因素設(shè)計(jì)并完成課堂教學(xué)的過(guò)程。其內(nèi)涵主要體現(xiàn)在學(xué)生的“學(xué)”上,即學(xué)生在已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上,在大腦中形成新的概念結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)包括物理概念的內(nèi)容和建立過(guò)程。其內(nèi)容與物理概念的意義、內(nèi)涵、外延、關(guān)聯(lián)四個(gè)維度相關(guān)，概念建構(gòu)過(guò)程表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是學(xué)習(xí)主體對(duì)物理概念的心理表征,二是心理表征形成的過(guò)程(先后順序),可將其外顯化,用于物理概念建構(gòu)過(guò)程的評(píng)價(jià)。

3 物理概念教學(xué)的相關(guān)研究

3.1 物理概念教學(xué)的發(fā)展研究

從20世紀(jì)70年代起,西方教育領(lǐng)域興起了概念教學(xué)研究的熱潮,主要集中于對(duì)學(xué)生前概念診斷及概念轉(zhuǎn)變的研究，隨后中國(guó)物理教育學(xué)者也不斷深入探討物理概念教學(xué)問(wèn)題，早在30年前,王沛清先生曾在《物理概念教學(xué)》中就系統(tǒng)介紹了物理概念教學(xué)。閆金鐸先生也在《中學(xué)物理教材教法》中寫(xiě)道：“講清物理概念和規(guī)律”。之后,越來(lái)越多的學(xué)者進(jìn)行了更全面、深入的研究,研究?jī)?nèi)容十分廣泛,涉及物理學(xué)科的各個(gè)部分,如概念教學(xué)的要求、過(guò)程、方法、模式、效果等。[1]

3.1.1 研究對(duì)象和內(nèi)容的拓展

20世紀(jì)80年代,美國(guó)的物理教育研究者開(kāi)始了物理概念教學(xué)研究,如:Hestenes、Wells(1992)等人開(kāi)發(fā)了力學(xué)測(cè)量量表(FCI),[2]并開(kāi)展了學(xué)生對(duì)物理概念理解的實(shí)踐研究,內(nèi)容涉及力、運(yùn)動(dòng)、能量、光、熱、溫度和簡(jiǎn)單電路等概念,主要研究前概念及其對(duì)物理概念教學(xué)產(chǎn)生的影響,研究傳統(tǒng)教學(xué)與物理概念掌握的關(guān)系等。

物理概念教學(xué)研究歷經(jīng)幾十年的發(fā)展,其研究對(duì)象涉及各個(gè)層面的學(xué)生，內(nèi)容涵蓋了物理學(xué)科的各個(gè)方面，研究技術(shù)在不斷完善, 從最初的零散測(cè)試到系統(tǒng)量表診斷,從訪談到量表測(cè)試,從紙質(zhì)量表到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的利用,從實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)到計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，其主要研究結(jié)果也被廣大教育工作者所接受, 如:通過(guò)“創(chuàng)設(shè)情景—引起認(rèn)知沖突—解決沖突”的前概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略被推廣應(yīng)用。[3]

3.1.2 研究方法發(fā)展的四個(gè)階段

第一階段主要是探明學(xué)生對(duì)物理概念本質(zhì)的理解，不涉及公式運(yùn)用及數(shù)學(xué)計(jì)算,因?yàn)檠芯空哒J(rèn)為：“定量計(jì)算會(huì)掩蓋學(xué)生對(duì)概念內(nèi)涵的理解”,[4]研究方法以訪談為主。如Clement(1980)研究學(xué)生對(duì)“力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”的理解,在課前要求150名大學(xué)一年級(jí)學(xué)生針對(duì)單擺、拋硬幣、火箭等3個(gè)問(wèn)題,畫(huà)出物體運(yùn)動(dòng)到某一點(diǎn)時(shí)的受力情況,后又訪談18名學(xué)生,確定了學(xué)生理解所存在的問(wèn)題,總結(jié)出“運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持”這種錯(cuò)誤觀點(diǎn)的具體特征。這項(xiàng)研究不但測(cè)試出了學(xué)生有關(guān)“力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系”的前概念,還細(xì)致地總結(jié)出前概念的表現(xiàn)特征。后來(lái),Clement為了進(jìn)一步研究課堂教學(xué)對(duì)前概念轉(zhuǎn)變的影響,又對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)該內(nèi)容的大二學(xué)生進(jìn)行測(cè)試與訪談,發(fā)現(xiàn)效果并不明顯,學(xué)生的這種前概念仍然存在。因此,他認(rèn)為對(duì)于大多數(shù)學(xué)生而言,“運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持”這個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn)是很難轉(zhuǎn)變的,傳統(tǒng)的講座式教學(xué)方式不能將其轉(zhuǎn)變,學(xué)生之間的爭(zhēng)論對(duì)其有幫助,建議使用創(chuàng)新教育技術(shù)。

第二階段主要是物理概念診斷量表的設(shè)計(jì)和使用。隨著研究的逐漸深入,研究者發(fā)現(xiàn)少量、零散的問(wèn)題無(wú)法全面有效地考查學(xué)生對(duì)于物理概念的理解情況,于是Halloun和Hestenes(1985)設(shè)計(jì)了力的診斷測(cè)試量表(Mathematics Diagnostic Test,簡(jiǎn)稱(chēng)MD),[5]用于對(duì)牛頓力學(xué)概念理解的考查,早期的MD量表是開(kāi)放性的,即要求被測(cè)試者寫(xiě)出答案和推理過(guò)程。1992年Hestenes、 Wellshe和Swackhamer研究出了MD的改進(jìn)版—力的概念調(diào)查表(Force Concept Inventory,簡(jiǎn)稱(chēng)FCI),[2]FCI把MD的問(wèn)答題改為選擇題,共有29道題,每道題有5個(gè)選項(xiàng),只有一個(gè)正確答案,與MD相比,它可以更方便、全面地考查學(xué)生對(duì)于力學(xué)概念的理解。Thornton和Sokoloff為了提高學(xué)生選擇正確答案的概率,設(shè)計(jì)了力和運(yùn)動(dòng)概念評(píng)價(jià)量表(The Force And Motion Conceptual Evaluation,簡(jiǎn)稱(chēng)FMCE),[6]FMCE共有43道選擇題,每道題有8個(gè)選項(xiàng),只有一個(gè)正確答案,這樣增大了考查的范圍.在力學(xué)概念量表快速發(fā)展的同時(shí),研究者也開(kāi)始了其他主題量表的設(shè)計(jì), 2001年Maloney等人結(jié)合電學(xué)和磁學(xué)評(píng)價(jià)量表,設(shè)計(jì)了電磁學(xué)概念調(diào)查表(Conceptual Survey of Electricity and Magnetism,簡(jiǎn)稱(chēng)CSEM),[7]CSEM共有23道選擇題,每道題有5個(gè)選項(xiàng),旨在評(píng)估學(xué)生對(duì)電磁學(xué)主題知識(shí)的理解。

第三階段是基于二元概念認(rèn)知量表的測(cè)試。隨著概念量表的廣泛使用,研究者發(fā)現(xiàn)僅以選擇題形式的量表不能顯示學(xué)生的推理過(guò)程。為此,量表測(cè)試需結(jié)合訪談技術(shù),然而訪談過(guò)于繁瑣,需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力,且實(shí)施范圍較小,于是在1995年,Odom和Barrow設(shè)計(jì)了二元認(rèn)知量表(Two-Tier Diagnosis),該量表的每一道題都有兩部分組成,一是四個(gè)選項(xiàng)的單項(xiàng)選擇，二是選擇該選項(xiàng)的理由。只有兩者都正確了,才可認(rèn)為學(xué)生真正掌握了該概念。二元認(rèn)知量表有效地克服了傳統(tǒng)量表和訪談的缺陷,使學(xué)生的推理過(guò)程外顯化。[3]

第四階段是將計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于學(xué)生物理概念學(xué)習(xí)的研究中。主要被運(yùn)用在物理問(wèn)題場(chǎng)景的創(chuàng)設(shè)和對(duì)學(xué)生概念理解的考查中,利用電腦軟件測(cè)量、分析學(xué)生對(duì)物理概念的理解。如Thornton在主動(dòng)學(xué)習(xí)策略的研究性課程中,使用MBL電腦工具,這些工具包括“運(yùn)動(dòng)和力的科學(xué)思維”和實(shí)時(shí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程,測(cè)試結(jié)果顯示：在這兩種情況下概念學(xué)習(xí)效果有顯著改善。[8]

3.2 國(guó)內(nèi)外物理概念教學(xué)的實(shí)踐研究

3.2.1 研究的具體性與實(shí)用性

物理概念教學(xué)實(shí)踐一直以來(lái)備受?chē)?guó)外學(xué)者的重視,如在國(guó)外的《The Physics Teacher》 《American Association of Physics Teachers》 《Am. J. Phys》《Physics Today》等雜志中,收錄了很多相關(guān)文章,多是以概念轉(zhuǎn)變理論為基礎(chǔ),診斷前概念為前提,針對(duì)存在的問(wèn)題有針對(duì)性地設(shè)計(jì)課堂教學(xué),比較注重實(shí)驗(yàn)研究,而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程非?？茖W(xué),近幾年對(duì)“元概念干預(yù)教學(xué)”研究也有突出的成果，如Chinyere的工作。[9]除此之外,有許多研究采用教學(xué)實(shí)驗(yàn)的方式,從某一概念的教學(xué)方式給出自己獨(dú)特的見(jiàn)解,比如Reichert采用模型建構(gòu)方法,用清晰的圖示和形象的實(shí)例,針對(duì)摩擦力的產(chǎn)生條件、方向的判斷、大小的計(jì)算等提出了獨(dú)特的見(jiàn)解。[10]

國(guó)內(nèi)的物理概念教學(xué)實(shí)踐研究主要是從不同的角度選擇理論基礎(chǔ),結(jié)合學(xué)生的概念學(xué)習(xí)現(xiàn)狀、概念特征等因素,建構(gòu)物理概念的教學(xué)模式,并選擇典型的物理概念,進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，以完善其教學(xué)模式(表1)。

表1

國(guó)內(nèi)的物理概念教學(xué)實(shí)踐研究方法大致分為三類(lèi):一是先測(cè)出相關(guān)物理概念的前概念,依據(jù)前概念和相關(guān)理論建構(gòu)教學(xué)模型或提出教學(xué)策略,實(shí)施教學(xué)實(shí)驗(yàn)。二是通過(guò)調(diào)查學(xué)生和訪談教師獲得影響概念(包括前概念)形成的因素,再依據(jù)相關(guān)理論建構(gòu)教學(xué)模型,實(shí)施教學(xué)實(shí)驗(yàn)。邱潔通過(guò)對(duì)初中生及物理教師的問(wèn)卷調(diào)查,總結(jié)了影響力學(xué)概念教學(xué)效果的三個(gè)因素(前概念的影響、學(xué)生和教師),從概念教學(xué)的過(guò)程、引入方法及難點(diǎn)的突破方法等方面提出教學(xué)策略,初步建構(gòu)概念教學(xué)的模式,并應(yīng)用于實(shí)踐。[1]三是課后彌補(bǔ),通過(guò)評(píng)價(jià)的方式,了解學(xué)生對(duì)本節(jié)概念的掌握情況,采用“矯正復(fù)習(xí)課”的形式,提出相關(guān)教學(xué)策略并實(shí)施。田燁關(guān)注學(xué)困生和學(xué)習(xí)難點(diǎn),對(duì)力學(xué)重要概念進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查,找出學(xué)習(xí)難點(diǎn),以布魯姆掌握學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo),針對(duì)學(xué)困生設(shè)計(jì)突破難點(diǎn)的教學(xué)并進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn),取得良好的效果。[18]

4 對(duì)物理概念教學(xué)研究的分析與反思

4.1 物理概念教學(xué)的研究成果

物理概念教學(xué)研究伴隨著教育的發(fā)展,任何時(shí)期都是教學(xué)研究的重點(diǎn),也已取得豐碩成果,具體表現(xiàn)在三個(gè)方面:(1) 前概念存在于學(xué)生的頭腦中，并嚴(yán)重影響學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解；(2) 傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難改變學(xué)生的前概念；(3) 運(yùn)用基于“小組合作互動(dòng)”和“電腦技術(shù)互動(dòng)”的教學(xué)模式，可有效轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤前概念。

4.2 關(guān)于物理概念教學(xué)的重要觀點(diǎn)

在目前物理概念教學(xué)的實(shí)踐研究中,基本都是采用前概念診斷量表,探明學(xué)生的前概念,基于物理概念學(xué)習(xí)的四個(gè)階段(感知——思維加工——概念形成——概念鞏固),從不同視角采取相應(yīng)的教學(xué)手段組織教學(xué)。具體有兩種重要觀點(diǎn),一是認(rèn)為有些前概念是錯(cuò)誤的,科學(xué)概念的建構(gòu)就是對(duì)前概念的轉(zhuǎn)變,概念轉(zhuǎn)變依據(jù)“概念替換理論模型”,教學(xué)的主要方式是引發(fā)“認(rèn)知沖突”,通過(guò)同化、順應(yīng)建構(gòu)新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。二是基于奧蘇貝爾的先行組織教學(xué)理論,不突出前概念,選擇合適的上位概念作為新舊知識(shí)之間聯(lián)結(jié)的橋梁,相當(dāng)于給“新概念”提供了正確的“前概念”,適合于沒(méi)有前概念的情況。但根據(jù)建構(gòu)主義理論,學(xué)生不是空著腦袋進(jìn)教室的,在先前生活經(jīng)驗(yàn)中早已積累了相關(guān)概念。持這種觀點(diǎn)的學(xué)者認(rèn)為：前概念必然存在,對(duì)新概念建構(gòu)的影響或大或小,物理概念教學(xué)必須從“前概念”入手。

5 未來(lái)研究展望

5.1 突出“科學(xué)思維方法”在物理概念教學(xué)中的重要地位

物理概念教學(xué)的主要目的是促進(jìn)學(xué)生深入理解概念的內(nèi)涵,并能夠靈活運(yùn)用、解決問(wèn)題,為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。而物理概念的形成是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程,喬際平指出：為使學(xué)生形成物理概念,就要引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)科學(xué)的思維,即運(yùn)用比較、分析、綜合、判斷、推理、想象等方法,排除各種非本質(zhì)的干擾,掌握物理現(xiàn)象的本質(zhì)特征。[19]田世昆、胡衛(wèi)平明確提出：任何物理概念的形成都離不開(kāi)科學(xué)思維。[20]這些觀點(diǎn)都充分體現(xiàn)了科學(xué)思維方法在物理概念建構(gòu)過(guò)程中的重要性。然而,在已有相關(guān)研究中,沒(méi)有體現(xiàn)出科學(xué)思維方法的突出地位,也沒(méi)有學(xué)者從科學(xué)思維方法的角度研究物理概念教學(xué)。因此,在物理概念教學(xué)中,突出科學(xué)思維方法,將其外顯化,以科學(xué)思維方法為中心建構(gòu)物理概念教學(xué)模式。

5.2 加強(qiáng)對(duì)前概念調(diào)查、診斷的實(shí)踐研究

物理前概念對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)概念非常重要,錯(cuò)誤的前概念會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的學(xué)習(xí)效果。因此,對(duì)前概念的準(zhǔn)確診斷是概念教學(xué)的第一步,然而據(jù)調(diào)查,一線教師由于時(shí)間有限等原因很少對(duì)前概念進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的診斷,這樣勢(shì)必會(huì)影響教師對(duì)學(xué)生前概念的準(zhǔn)確把握,影響教師的課堂教學(xué)設(shè)計(jì).因此,加強(qiáng)對(duì)前概念的精準(zhǔn)調(diào)查、診斷的實(shí)踐研究,可以幫助一線教師準(zhǔn)確掌握學(xué)生前概念的狀況。