对物理错误前概念特点的探究
摘 要:教学实践证明,学生头脑中错误的前概念严重干扰物理教学,是导致物理难学､学生怕学的一个十分重要的原因｡研究学生的这种前概念的形成及特点,有助于预测它对教学的干扰并有利于寻找解决问题的有效策略,对于走出物理教学的困境､提高物理教学效益,将会产生积极的作用｡
关键词:前概念 广泛性 顽固性 隐蔽性 特异性
引言
1903年,美国的霍尔启动一个计划,调查儿童对自然现象如热､霜和火的观念,这是最早提出前概念的研究[1]｡20世纪70年代中期,西方国家一些从事科学教育的学者对学生的前概念迸行了大量的调查研究,取得了丰富的第一手资料和研究成果｡研究报告大多数来自美国､英国､法国､以色列､新西兰､澳大利亚及香港地区等[2]｡在上世纪80年代,前概念研究迅速扩展,1986年,德国不莱梅大学物理教育研究所的Horst Schecker做了“学生对力学的相异构想”｡这一时期还召开了多届有关自然科学与数学教育中学生的错误观念的国际研讨会[1]｡在上世纪90年代后期,物理前概念的研究不断发展､不断完善,尤其在分析､研究学生在各个课题上的前概念方面已趋于成熟｡文章根据前人的研究成果,研究了学生的错误前概念的特点,这有助于预测错误前概念对教学的干扰并有利于寻找解决问题的有效策略,对于走出物理教学的困境､提高物理教学效益,将会产生积极的作用｡
一､关于“前概念”
现代教育学认为,不论是教师还是学生,在进行教学活动时,头脑里并不是一片空白,他们通过以往的教学实践或日常生活(例如初中学习､影视､书报､与同伴交流､亲身实践等)积累了很多感性知识与理性的认识,历史地形成了对于教学诸多问题的思维方式和基本看法,无形中他们养成了独特的思维方式｡有时这些思维方式和基本看法与正确的科学概念并无冲突[3]｡在物理学习中,这种独特的思维方式作为一种“资源”,既可以成为错误概念产生的“温床”,也可以成为科学概念形成的“胚胎”｡近些年,对于这种独特的思维方式的定义(也就是所说的前概念)虽然讨论较多,但对这一思维方式的定义却不尽相同,至少存在狭义和广义两种理解｡狭义的理解是指当代著名建构主义认知心理学家奥苏贝尔提出的“相异构思(二中择一结构)”[4],即学生在接受正规的训练或学习以前就已经形成的错误的观念或认识[5]｡也有研究者称之为“民间概念(人们观念)”､相异概念､相异构想､错误概念或者日常概念[6]｡这种理解也常见于近年来有些已公开发表的文章中,它明显地表明前概念都是错误的[7]｡广义的理解由德国多特蒙德大学的D.K.Nachtigall教授提出[8],他在《规范与前概念》一文中是这样定义的:“前概念是学生在没有接受正式的物理教育以前,对所感知的现象､生活中的常识与经验进行总结加工所得出的认识和理解｡后一种理解要广泛得多,它不仅包含片面的､错误的观念或认识,还包含有科学的成分｡”目前,教育界普遍偏重于这种定义｡然而,后一种定义也不十分恰当｡时间状语“在没有接受正式的物理教育以前”似有不妥,按照这样的定义,学生在接受正式的物理教育后,从生活中､经验中得出的理解和认识就算不上是前概念了｡结合中国现行的教育制度,学生一般从初一开始接受正式的物理教育｡根据上文两种的定策,引入“前概念”这个名称的目的是为研究它们在教学中所起的积极或者消极的作用,以便在教授与“前概念”相对应的科学概念时,采取适当的方法与策略｡因此,把“前概念”按下述定义应更为合理:前概念是学生在习得某个具体的科学物理概念之前,通过自己的观察､体验与思考,对该概念的理解和认识｡应该指出的是,同那些含义与科学物理概念内涵基本一致的前概念相比较,研究相异概念对指导物理概念的教学具有更大的意义,因此人们常说的前概念往往指的是相异概念｡其核心特点是[9]:(1)是学生头脑中强烈具有的一种稳定的认知结构｡(2)不同于专家的概念｡(3)会对学生如何理解自然现象并做出科学的解释产生重要影响｡(4)必须被克服､避免或消除,以使学生接受科学的理解｡例如,在学习“牛顿第一定律”前,很多学生认为物体只有受力才会有速度,不受力便没有速度,物体的自然状态是静止的,物体只有在力的作用下才能运动,并且运动快慢与力的大小有关;落体的快慢与物体的重量有关,物体越重,落得越快｡
二､前概念的特点
1. 广泛性
广泛性体现在三个方面｡第一,内容的广泛性｡前概念所涉及的物理学内容十分广泛,不仅对那些看得见､摸得着､日常生活中经常接触的事物有较多的前概念,而且对于那些微观的､宇观的和比较抽象的物理知识也存在不少的前概念｡如光学方面会观察到平面镜成像､阴影､太阳通过树叶间隙的小孔成像､筷子在水中的弯曲､凸透镜的聚焦和放大作用等｡力学方面如直线运动､转弯､振动等;热学方面如从区别热水和冷水有了温度概念的体验,对雪的融化､冬天搓手取暖､夏天用凉水洒在身上会感到凉快等热现象有大量的观察和体验;电学方面也观察到大量的日常现象,如闪电､摩擦起电､电灯泡发光､电熨斗发热､电扇的转动等等｡第二,前概念反映在不同层次的学生中[2],不仅中学生有一定程度的前概念,大学生也同样存在这一问题｡学生在建构对事物意义的理解时,总是以自己的知识经验背景为基础,因而不同学生看到事物的不同方面｡对相同的物理问题,不同年龄阶段或同年龄阶段不同层次的学生中,会产生不同形式的前概念｡如低年级的学生大多数会把电流类比成水流,而学过电学以后相当多的学生又把闭合电路中电子的定向移动等同于电磁波的传播｡第三,就某一具体的物理前概念而言,它往往是学生中普遍具有的｡许多教师都有这样的发现:很多同样的问题会发生在同一地域的不同年龄的学生身上,他们对这些问题的想法几乎是一致的[10],甚至不同文化背景的国家对一些物理课题的相异构想也没有多大差别[11]｡Viennot [12]以问题“六个小球自杂技演员手中投入空中,这六个球沿不同轨迹在某一瞬间恰好抵达同一高度,请受测试者回答在该瞬间六个球所受的力是否相等?”测试了法国的中学生以及英国､比利时的大学生｡问题如图一所示,研究结果显示法国､英国以及比利时分别有55%､ 42%､54%的学生将速度与力结合在一起,误认为因为六个球的速度不同,所以所受的力也应不同｡研究调查表明,学生均不同程度地存在着各种错误的前概念｡例如,认为“在空中飞行的子弹一定受到与运动方向相同的力的作用”的占40%;认为“坦克车用履带来代替车轮是为了减小车对地面的压力”的占38%;认为“人眼之所以能看到物体是由于人眼发出的光射到物体上”的占35%等[13]｡
2. 顽固性
前概念是日常生活经验对物理现象的直觉认识,是受到先期学习的影响,它们在学生头脑中潜移默化地形成,在日常的生活中日积月累而形成,是学生头脑中强烈具有的一种稳定的认知结构,不易消解,这就是前概念的顽固性｡前概念是学生生活中亲耳所闻,亲眼所见,长期积累并被认可的,因而在他们观念中是根深蒂固的｡如调查中发现几乎所有学生都认为“吊车将物体匀速吊起时,拉力大于重力,匀速下降时,拉力小于重力”,“同样大小的一个木球和一个铁球,木球入水则上浮,铁球入水则下沉,说明木球受的浮力大,铁球受的浮力小”｡经调查反馈后,仍有28%的学生持以上观点｡物理前概念在学生正式学习物理前就已在头脑中形成,学生往往是在自己亲身体验的基础上得出来的结论,犹如一张白纸上的彩色画,要想改变过来很不容易｡正如爱因斯坦认识到的:“假如一个物体处于静止状态,要改变这一物体的位置,需要给它施加力,比如说,推､拉或提,也许要用到马和蒸汽机｡我们会本能地把运动与推､拉或提这些动作联系起来,自己亲自试过几次后,更会认为,要让物体运动得快些就要施加更大的力｡于是,很自然我们得出以下的结论:物体受的力越大,其速度就越大,用四匹马拉车肯定比两匹马快……”[7]当面对一个新概念时,学生往往采取与既有概念相和谐的方式来整合｡一方面他们可能对新概念作出错误的诊释｡如罗星凯､周忠权[14]的研究发现,学生虽然记住了惯性这一术语,并不再持有“外力一撤消,物体就立刻静止”这一典型的亚里士多德式的运动需要力来维持的观点,但是他们臆造了一个与运动相联系的力,用这个力解释为什么物体在脱离外力后仍然会继续运动,而惯性被自然地拿来作为表达这个力的“恰当”术语｡这样,虽然学生学习了惯性定律,但他们原来所持有的“运动需要力来维持”这一总的概念框架仍然没有改变,而且也不必非要改变,因为在这一总的框架下,通过对惯性概念的曲解,就能够自圆其说,能够解释所面临的物理现象｡另一方面,学生可能忽略前后的矛盾,接受新概念的同时,保有一相冲突的相异概念而不自觉｡前概念含有儿童对自然界的先入为主的印象,又是自己“切身体验”到的东西,同时前概念又是儿童认识世界所凭借的工具,儿童就是靠这种原始的认知结构来认识世界,并“成功地解释”了一些现象,因此,儿童往往对自己的这些信念深信不疑,很难使其放弃[15]｡虽然教师在教学中非常准确清楚地交待了概念,但一些错误观念在学生头脑中仍占据一定的位置,一遇到机会就表现出来[16]｡如用吊车匀速起吊浸没在水里的物体,在没有露出水面的过程中,不少学生认为浮力是变化的,甚至一些大学生也认为如此｡学生头脑中错误的前概念往往十分顽固,绝不是通过一两次讲解或讨论即可解决的[17]｡
3. 隐蔽性
前概念是学生内隐的思维结果,是潜移默化形成的,因此,它以潜在的形式存在,平时并不表现出来[18]｡其表现带有隐蔽性,不易被教师察觉,同时前概念有一种思维惯性,学生自己也很难发现[19]｡当学生对某一类物理现象形成观念时,由于学生年龄和思维能力的限制,这种观念通常处于一种模糊状态,它是学生心灵深处的一种朦胧意识,学生往往难于用自己的语言表达清楚,但是它作为一种观念仍有其实质性的内容,当教师讲授某些知识时,如果不特别和学生的前知识联系起来,进行揭示､比较､批驳,学生的头脑中经常会出现两种观念“和平共处”的情况｡浅层是教师讲的知识,而深层仍是学生的前知识｡前概念往往是因为晕轮效应任意扩大等因素形成的,缺乏严密的逻辑推演和实践的证明,因而概括性和科学性都很差｡学生在复述概念以及解决较明显的､单线索问题时,都会应用所学的科学物理概念,但在解释比较复杂的物理现象或在实际的新情境中,常常就会不自觉地用他们的前概念｡例如利用牛顿第三定律解释拔河比赛甲队为什么能战胜乙队,一部分学生便会脱口而出:“甲队拉乙队的力大于乙队拉甲队的力｡”有人曾做过这样的测试,要求学生书面回答单摆摆球质量与单摆周期的关系,所有受测试者都回答摆球质量与单摆周期无关｡随后让他们做测定单摆周期的实验,要求测一百次全振动的时间,这时很多学生为了快点测出结果纷纷选择了质量大的摆球｡这就表明,在他们的认识中,实际存在着“摆球质量越大,周期越短”的前概念｡
4. 特异性
每一个学生的生活环境､活动范围､思维特点等的不同,对同一类事物和现象的认识､感受也不完全相同,因而所形成的前概念就表现出特异性｡在实际教学中我们经常会看到不同的学生对同一现象的解释是不同的｡这是因为不同的学生会以不同的方式转化外部经验来建构他们的思维体系,这种个体的方式会影响他们信息的获得,因而影响学生理论的构想,他们的思维体系制约观察现象｡如对“轻､重物体哪一个下落得快”的认识,不同的学生就有不同的看法:有的认为轻的物体下落得快;有的认为重的物体下得快;有的认为有时重的物体下落得快,有时轻的物体下落得快;还有的认为物体下落得快慢与物体的形状和体积有关,然而,几乎没有学生认识到这一问题会和空气有关｡对于同一学生来说,在不同的发展阶段上,物理概念的学习水平与内容是有差异的｡高中阶段学生的认知能力的发展要比初中阶段时接近于成熟,能运用抽象的形式逻辑的(演绎的或归纳的)推理方式去思考解决问题｡[7]同一学生学习不同学科的物理概念也有差异,这种学科差异来自力学､电磁学､热学､光学､原子物理学等领域[20]｡它们各有自己的特殊性,因而在概念学习过程中必然会产生差异｡同时中学物理教材对力学和电磁学部分作了较详细的讨论,而对光学､原于物理部分只作了简单介绍｡中学物理各部分不同程度的准备当然也就对普通物理各分科的学习产生不同程度的影响｡同一学生对于同一概念的不同方式的学习也会有差异｡如郑渊方[21]按学生的学习进度和认知发展情况将电路有关概念的发展过程分为五个过程,他通过对比传统的讲授——接受为主的教学方法和探究式教学方法的教学效果发现后者使学生概念发展水平显著高于传统的教学方式｡对于不同水平(主要指认知水平)的学生[22],在学习同一物理概念时,表现出水平的差异,优秀生与学困生的学习之间有明显的差异｡男生与女生在学习同一物理概念时表现出差异,由于男生与女生在生理与心理､智力与非智力方面存在差异,在物理概念学习上的表现也不尽相同[23]｡
结语
对于学生头脑中的前概念,我们不能把它和教好学好物理学对立起来,而应看到若能转化得当,则在激发学生学习兴趣､促进学生思维､加深理解､巩固知识等各方面会起到积极作用｡在物理概念教学中注意了解学生的前物理观念是很重要的｡我们应该认识学生原有物理观念的存在及其对物理学习的影响,要以学生原有的观念作为出发点,对正确的观念加以巩固和提高,并进而发展成为概念和规律｡对错误的观念,要弄清它的实质和形成的原因,采用适当的教学措施,帮助学生转变原有的观念体系[24]｡要鼓励学生暴露他们原有的直观观念,不要害怕错误｡要让学生探讨错误观念所引起的结果,并用正确的､科学的概念加以对比[25]｡只有这样,才能搞好物理概念的教学｡
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