中学生物理学习中的前概念及其转变

1、中学生物理学习中的前概念及其转变 陈雪梅 摘要：物理前概念是学生在学习科学物理概念之前对周围世界的一些看法和观点。国内外许多研究表明：物理前概念广泛存在而且根深蒂固，并对物理学习有着不可低估的影响。分析了物理前概念的来源，阐述了错误概念形成的原因，讨论了概念转变发生的条件。在此基础上提出了纠正错误前概念，进行科学物理概念教学的策略。关键词：物理学习；前概念；科学概念；概念转变；图式学生对物理现象的直观认识在他们接受正规的物理课程学习之前就已经存在了，并在这些认识的基础上形成了他们自己的思维体系。这种在学生系统地学习科学知识之前所具有的想法被人们称之为“前概念”（preconception）。需

2、要指出的是，这里所指的“概念”和心理学中的一般狭义理解不同，它是指关于某一对象的观点或看法。比如“地球绕着太阳转”便是一个概念。这些前概念中，有些与科学概念有相通之处，但是学生对这种概念的理解大多还是相当肤浅的，停留在表面上而不能深入到概念的本质，更多的则是与科学的概念相悖的，因此前概念又常常被称为“错误概念”（misconception）或者“相异构想”（alternative framework）。关于前概念的研究早已有之，从80年代开始得到迅猛发展，已经召开了多届有关自然科学与数学教育中的学生错误观念的国际研讨会，至今仍是热点1。科学教学及科学学习心理研究，都将学生前概念及其对于科学学习

3、和科学认识的形成与建构的作用和影响问题作为自己研究的重要领域。对于学生的前概念，美国、加拿大、新西兰等国家已经进行了深入的研究，但我国在这方面的研究还比较缺乏，本文将对有关前概念的几个问题作一些探讨。 一、错误概念的来源及其心理学归因自七十年代中期以来，学术界涌现出大量有关学生错误前概念的研究。芬德等（Pfundt & Duit,1991）的文献目录中列出了1,100多个这类研究，其中物理学方面的错误概念占总数的70%2这些错误概念从何而来呢？研究者发现，每个学生头脑中形成的先入错误都有它的客观条件，但从宏观分析也有一般的共性，这些共性主要体现在以下几个方面： 1、直观感觉带来的错误。

4、学生在日常生活中，从大量的物理现象中获得了不少物理方面的感性知识。这些凭直观感觉学习到的东西不一定正确，相反，它很容易成为错误的根源。例如，铁比棉花重；冬天室外的铁块比木块温度低；车不拉就不走等等。2、知识迁移的负效应。这主要是由于数学工具运用不当所引起的。比如看到电阻的定义式R=U/I，初学者往往理所当然地认为电阻的大小与电压成正比，与电流成反比。3、由语言带来的曲解。学生常用生活语言来理解物理概念，并由此产生对概念的曲解。例如，匀加速运动就是速度逐渐增加的运动；“裂变”就是把整体分为部分，因此把一些放射性元素的衰变也都归为裂变。4、不正确的课外渠道。学生在课堂教学以外，通过广播、电视、报刊

5、杂志等渠道获得的不少信息是不正确的。例如，重量、重力和质量三者不分；路程和距离互相混淆；电容器概念与描述电容器容纳电荷本领的电容不分等等。这些前概念的核心特点是3：（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、避免和消除，以使学生接受科学的理解。 霍华德（Howard,1987）曾经以皮亚杰的认知发展理论为基础分析了错误概念的形成并且在学生头脑中根深蒂固的原因。皮亚杰的认知发展理论体系中的一个核心概念就是图式。（schema,在他后期著作中用scheme一词）。图式是指个体对世界的知觉、理解

6、和思考的方式。我们可以把它看作是心理活动的框架或组织结构。在皮亚杰看来，图式可以说是认知结构的起点和核心，或者说是人类认识事物的基础。因此，图式的形成和变化是认知发展的实质。4霍华德从图式理论出发，对前概念能够顽固地存在于学习者的头脑中的原因做了深入地研究。他认为，（1）概念需较长时间才能形成，学生的各种图式均在逐渐地形成过程中。（2）学生认为用已有的图式已足够应付日常生活，因而将在学校里所学的图式都存入单独的心理单元。或是由于学生的已有经验非常有限，看不出利用所给图式概括分析事物的必要性，觉得没有必要改变其已有的图式。（3）有的新图式虽然能够用来解决一些原有图式不能解决的问题，但是由于新的图

7、式与学生的原有图式发生了严重的认知冲突，学生拒绝接受。5可见，由于学生拥有的对一系列相关问题的前概念并非一些毫不相干的“点”，而是已形成了一个较完整的理论体系，即使他看到了某个概念的不足，也会作尽量小的调整，以维护自己原有图式的完整。图式的形成是学生在日常生活中长期建构的必然，在学生头脑中印象深刻，要用新的图式去代替原有的图式并非易事。因此，研究概念转变的心理机制，采取有效的教学策略帮助学习者实现错误概念向科学概念的转变是一项重要的任务。二、错误概念向科学概念转变的条件1、概念转变的两种类型 概念转变是指个体原有的某种知识经验由于受到与此不一致的新经验的影响而发生的重大改变。6概念转变有两种可

8、能：一种是概念同化。学生在学习新知识或解决新问题时，如果新的刺激物能够纳入到原有的图式之中，这个认知过程就叫做同化。它的特点在于，客体被纳入到主体已有的图式之中，引起主体认知结构量的变化。例如，学生在高一学习功的概念时，与初中学习时的不同情境在于力与位移的方向互成任意角度，要把这一新情境下做功的刺激纳入到原有图式中，就必须把原有的图式扩展为：WFScos新情境力位移角度 可见，同化只是把新的刺激物整合到原有的图式中去，经过同化扩大了图式的范围，但是它的内涵没有改变，也就是说只发生了量的变化。另一种是概念顺应。如果新的刺激物不能与原有的图式同化，或者说在原有图式中找不到同类的图式，这样学习者必须

9、重新构建一个能容纳新刺激物的新图式，这就叫做顺应。例如，关于电场力做功图式，就不可能为机械做功的图式所包容，于是通过改造，构建了以下新的图式：WqUqEd力qE位移d电场与电荷显然，这里的 W=qU与原有图式W= FScos是截然不同的两个新图式。就两种概念转变的方式而言，前一种变化是较容易实现的，也就是说如果学生的前概念与科学概念是相容的，那么构建新的概念并不是一件难事。而后一种情况的概念转变则会遇到较大的阻力，因为它是以破坏学生自身所认可原有图式为前提的。由于前概念通常是植根于一个与科学理论不相容的概念体系，因此在科学概念的学习过程中，学生要不断面临新的科学概念与原有图式相抵触而无法纳入原

10、有图式的尴尬处境。基于以上原因，概念转变研究主要是从顺应的侧面来研究概念建构的过程，揭示学生错误概念向科学概念转变的规律。2、概念转变的条件早在1982年，Posner等人针对概念转变发生的条件提出了概念转变模型（CCM）。他们认为一个人原来的概念要发生顺应需要满足四个条件：（1）对原有概念的不满。让个体处于某种情境，让他用自己的原有概念来解释一些现实问题。只有个体感到自己原有的某个概念在解决实际问题时失去了作用，从而引发认知冲突，他才有可能改变原有概念。（2）新概念的可理解性。学习者需懂得新概念的真正含义，而不仅仅是字面的理解，他需要把各个片段联系起来，建立整体一致的表征。（3）新概念的合理

11、性。个体需要看到新概念是合理的，而这需要新概念与个体所接受的其它概念、信念相互一致，而不是相互冲突，它们可以一起被重新整合。这种一致性包括：与自己的认识论信念的一致；与自己其它理论知识或知识的一致；与自己的经验的一致；与自己的直觉一致等。个体看到了新概念的合理性，意味着他相信新概念是真实的。（4）新概念的有效性。个体应看到新概念对自己的价值，它能解决原有概念无法解决的问题，并且能向个体展现出新的可能和方向，具有启发意义。有效性意味着个体把它看作是解释某问题的更好的途径。概念的可理解性、合理性、有效性之间密切相关，其严格程度逐级上升，人对概念有一定的理解是看到概念的合理性的前提，而看到概念的合理

12、性又是意识到其有效性的前提。Hewson把概念的可理解性、合理性和有效性称为概念的状态，而且提出不仅新概念的状态会对概念转变产生影响，原有概念的状态也会对概念转变产生影响，两者之间存在交互作用。三、对教学的启示根据概念突出的顽固性特点和概念转变发生的条件，在教学过程中，教师如果草率地用所谓的正确的观点去覆盖学生原有的想法，那么其教学效果就可想而知了。科学的教学过程应该是正确观点和错误观点发生交互作用，根据两者的优势及局限性进行相互协调的过程。因此，在进行科学的概念教学之前，首先要了解清楚学生原有的对某一概念的认知水平以及相异构想情况，并采用科学的教学手段，使学生有效地转变错误的物理前概念，进行

13、有意义的学习。1、进行教学前测学生头脑中的图式是在潜移默化中形成的，因此具有隐蔽性，平时一般不会清晰地呈现在脑海里。因此，教师在教授新知识之前，应采用诊断性测试等方式，了解学生的原认知结构。这样做对教师的“教”和学生的“学”都有重要意义。对“教”的意义可用奥苏伯尔的一句名言来概括，“如果我不得不把全部教育心理学还原为一条原理的话，我将会说，影响学习的唯一的最重要的因素是了解学习者已经知道了什么。”8的确，在教授新概念之前，教师只有充分了解学生已有的认知情况，尤其是与新概念有密切关系的已有概念和原理的认识，才能选择有效的教学策略和方法进行有的放矢的教学。对“学”的意义在于，一方面通过教学前测或者

14、提问，能激活学生的经验图式，让它从隐蔽之处呈现出来，这样就为学生的重新建构提供了基础框架，学生可以根据自己原有的认知结构进行同化和顺应来获得新概念的学习，以避免在大脑一片空白的情况下进行无意义的接受学习。另一方面，进行教学前测并及时反馈，能够有效地激发学生的学习动机。学生习惯于用原有图式进行问题解决，当教师给予错误答案的反馈信息时，会沉重打击他们的原有认知图式。反馈结果会使学生对一些现象感到困惑甚至出现反叛情绪，“我哪里错了？我有事实作为依据的！”，“如果答案错误的话，老师你对这个现象又将如何解释？”，此时大脑无比兴奋，内在的学习动机非常强烈，用原有认知图式进行问题解决的失败促使他们迫切地想知

15、道原由，甚至想根据自己的事实去推翻教师的结论。在这样的氛围中，教师再绞尽脑汁地要求学生注意力集中，认真听课认真思考就完全没有必要了。2、组织情境教学 让学生在与实际情况相类似的教学情境中修正错误想法是帮助他们获得科学概念的最佳途径。学生头脑中的前概念大多是在生活的具体情境中建立起来的，用他们获得前概念的真实问题作为实例，会产生真实感和亲切感。实践证明，教学中用以下的思路来解决真实性任务能有效地转变前概念：选择真实性任务或创设类似的情境；让学生根据自己的理解，预测实验或问题的结果；让他们用自己的前概念对现象进行解释，并为自己的前概念进行辩护，从而引起思维结构发生冲突，并强烈意识到前概念的存在；教

16、师在适当时机进行参与，并步步引导他们用正确的物理概念来解释问题。如果急于求成，一下子就让学生面对课本上的“真理”，往往只能适得其反。3、开展合作学习每个学生进入课堂时都带着自己对世界或者自然现象的看法，他们仅在已经存在的东西与新的知识和信念发生联系的时候才能够发展新的理解。合作学习旨在挑战他们已有的概念并引导他们在必要的时候修正他们的前概念。9每个人都在以自己的经验为背景建构自己对事物和现象的理解，因此只能理解到事物的某些方面，不存在唯一正确的全面的理解。合作学习可以克服个体知觉系统的局限性，学生与学生之间通过合作、交流与讨论，使他们超越自己原来狭隘的认识，了解彼此的见解，了解那些不同观点的基

17、础。而且，在合作学习中，每个学生都是积极的参与者，在自由平等、相互信任的气氛中最适宜表达各种荒诞的观念，这些荒诞的观念有些是自相矛盾的，在激烈的争论和积极的思考中，常常会促使他们认识到自己原有认识的片面性和不合理之处并萌发一些新的猜想，这些猜想往往已经走进真理的边缘。此时，教师也可以作为合作学习的一分子参与讨论。当积极的学习发生的时候，教师参与讨论的效果远远大于直接提供正确答案。104、重视探究与体验概念的形成和发展过程对于每个学生来说都是不一样的，因此在教学过程中要尽可能地让每个学生依据自己独特的发展方式进行科学概念的学习。探究式教学为每个学生提供了通过各种途径形成概念的条件，满足了每一个学

18、生自主学习、探究问题的天性。学生可以从所要探究的概念出发，通过阅读课本或查阅有关资料或与同学老师之间的相互交流，收集有关的材料，并通过自己对材料的分析提出主观的猜想并亲自动手设计实验来进行验证。在探究过程中，通过丰富的体验和感悟逐步纠正一些错误的观念和看法，为获得科学概念提供有力的心理支柱。四、思考与展望当前，全国各地都在开展基础教育课程改革。在实际教学过程中，无论在课程设计还是教学方法方面，关于物理概念的研究都是大有裨益的。新推出的普通高中物理课程标准明确提出了高中学生要了解或掌握的一些物理前沿的概念，如：四维空间、相对论效应、熵、暗物质以及波粒二象性等。这些概念很难与学生的日常生活发生联系

19、，也无法根据已有的概念进行同化。对这些概念的理解和掌握需要培养学生高度的抽象思维以及对学生原有的物理观进行全新的变革。可见，在基础教育课程改革的新形势下，研究概念教学的策略，促进学生建立高度抽象的物理前沿概念是物理教育研究者和广大一线教师需要共同面临的现实问题。参考文献：125梁平：在自然科学领域中学生的错误观念及其转变，外国教育资料，1999，（4）：2528。 3曲亮生、郭玉英：国外物理教育工作者关于物理概念教学的研究，学科教育，1999，（6）：2729。48施良方：学习论，北京：人民教育出版社，1994年5月第1版，172178。6乔际平、刑红军：物理教育心理学，广西：广西教育出版社，

20、2002年3月第1版，5663。7张建伟：概念转变模型及其发展，心理学动态，1998，（3）：3337。910David Mills,Brian McKittricK,Pam Mulhall and Susan Feteris. CUP:cooperative learning that works. Physics Education.34(1)January 1999.On High School Students Preconception and Conceptual ChangeChen Xuemei(Research Institute of Physics Education, Zhejiang Normal University, Zhejiang Jinhua 321004)Abstract: Before the student