初中物理概念教学中转化前科学概念负迁移的策略

初中物理概念教学中转化前科学概念负迁移的策略

一、前科学概念的内涵前苏联心理学家维果斯基把前概念称之为“日常概念”或“自发概念”。Good(1991)等主张用“前科学概念”，简称“前概念”(pre-concepts)。他认为，“前科学概念”和“错误概念”相比，否定的意味要少些；“前科学概念”是特定的科学；学习者拥有的“前科学概念”最终会把学习者引导到当前的科学概念上来。他还认为，“前科学概念”最好地表达了科学教育研究者想要表达的意思[1]。国内一些学者认为物理学习的前概念是指个体在没有接受正式的科学教育之前，对日常生活中所感知的现象，通过长期的经验积累与辨别式学习而形成的对事物的非本质的认识[2]。在本文中，笔者沿用前科学概念的定义，对诸如错误概念、前概念、相异构想等其他概念不进行详细区分，由于都是在教学之前就存在于学生的思维活动，所以统称为前科学概念，它是学生在学习科学概念之前按照自己的习惯、经验、思维方式对问题、现象进行主观判断的一种心理趋向性，包含学生在日常交往、个人生活、各种活动中的所有经验。二、前科学概念的负迁移功能前科学概念中存在的一些错误的、片面的、有缺陷的认识对物理概念的学习产生相当大的消极影响，延缓学生对概念的接受速度，误导学生走向狭隘偏执的思路，束缚学生对概念内涵的理解，而且纠正的难度很大，甚至在学习了正确的科学概念之后的相当长时间内还会在学生的潜意识里对学习存在干扰。主要表现有两种：一是妨碍概念理解的全面性、完整性，造成对概念理解的片面性；二是阻断知识间的内在联系，造成认知过程与运用过程的脱节[3]。这些错误的想法如果得不到及时纠正，极易使学生形成错误的思维定式，必将影响物理概念的顺应。可见，学生的前科学概念对新的物理概念的学习具有阻碍作用的功能，主要是：1.形成思维障碍初中生总是按照自己的思维习惯来考虑问题，不良的思维定式总是干扰科学概念的建构。如他们常常认为下滑的物体受到一个下滑的力，踢出的足球在空中飞行时受到一个推力，静止的物体没有惯性，等等。学生短时间内很难接受运用科学的方法分析问题，因此，初中学生执著的自以为是的不良思维惯性是根深蒂固的一个障碍。2.片面掩盖全面管中窥豹略见一斑的片面性思维方式，常常导致以偏概全的错误。如用力推静止在地面上的大箱子时没有推动认为推力小于摩擦力等。前科学概念造成学生只在自己狭隘的一个角度看问题，像是刻舟求剑，妨碍着学生从多角度全面分析问题。3.干扰思维方法在数学中形成的求平均值的方法，对于求平均速度、合金密度、混合液体的密度等问题往往误导为求几个速度或密度的平均值，初中学生会轻易地按照这个方法去所谓顺理成章地解题，忽视了对物理概念内涵的理解。4.阻碍概念顺应顺应是指外部环境发生变化，而原有认知结构无法同化新环境提供的信息时所引起的儿童认知结构发生重组与改造的过程[4]，即个体的认知结构因外部刺激的影响而发生改变的过程。如风扇本来是加速空气流动，加快身体表面汗水的蒸发，从而达到蒸发制冷的。然而初中学生却认为电风扇吹温度计时温度计的示数会下降和扇子扇来的风是冷的，阻碍了对液体蒸发制冷的顺应。前科学概念的负迁移，使得学生难以用科学的思维去看问题，成了学生学习物理概念的重大障碍，因此，在一定程度上，初中物理教学的任务是转化学生前科学概念的负迁移，在头脑中建立科学的概念。三、转化前科学概念的负迁移的策略1.设疑引发冲突，克服经验错误认知冲突是指当个体意识到个人认知结构与环境或是个人认知结构内部不同成分之间的不一致所形成的状态[5]。教师有意创设使学生产生矛盾想法的问题情境，能让学生充分暴露他们自己不正确的想法，与科学观点对照后意识到自己原有经验认识中的不足和思考方向、思维方法的错误，促进学生放弃旧想法。如，学生认为空气没有质量或重量，向学生设疑：假设把我们教室里的空气压缩装入一个口袋中，你能否提起来？多数学生的想法是单纯的，认为会轻松地提起来。然后引导学生测量空气的体积即教室的容积，用尺测出教室的长、宽、高即可，空气的密度从教材的密度表中查找，当他们根据公式m=ρV算出教室里的空气质量为几百千克（即几百公斤）时，他们自己也非常惊讶，我们看似轻飘飘的空气竟也有如此大的质量！通过计算使学生认识到尽管空气密度小，但是体积很大时，质量仍然很大，从而摒弃空气没有质量或重量的前科学概念。2.加强变式教学，把握概念关键变式练习是在不同情境中练习使用同一概念原理或程序[6]，所以举一反三地变式练习可提供大量包含某一物理概念的正面和反面事例，突出概念事例的关键特征，舍弃其无关本质的特征，因而容易习得科学概念，有助于转变错误的认识。例如，学生对摩擦力的方向判定问题，由于学生受前科学概念的影响，忽视对两个接触物体的相对运动的理解，初中学生容易认为摩擦力的方向必与物体运动方向相反，尤其是有关静摩擦力方向的问题。为帮助学生理解摩擦力的方向与物体相对运动方向相反这个概念，变式情境设计如下：(1)把长方体木块平放在桌面上滑动，木块不久会停下。分析可知，木块停止的原因是木块受到了反方向的摩擦力作用，即木块所受摩擦力方向与木块运动方向相反。(2)在桌面上放一长方形薄纸壳，在长方形薄纸壳上仍然平放上该木块，并拖动长方形薄纸壳，使木块跟着长方形薄纸壳一起向前缓慢加速运动（不是匀速直线运动）。引导学生分析：木块随长方形薄纸壳一起向前运动，木块相对长方形薄纸壳静止，可是木块由于惯性时时刻刻相对于长方形薄纸壳要发生向后的运动，所以木块所受摩擦力的方向跟要发生的相对向后的运动方向相反，因此木块所受摩擦力的方向跟木块的运动方向相同，也正是木块所受的静摩擦力改变了木块的运动状态，使它不断加速。由此得出摩擦力的方向总是跟物体间已经发生的相对运动或要发生的相对运动方向相反。(3)当你用双手握紧前后轮的手闸使车轮不能转动，用适当的力试着推自行车，自行车没有滑动时，此时你感觉到的阻力就是静摩擦力；继续增大推力，让自行车刚好开始运动，此时感觉到就是“最大静摩擦力”；继续增大推力，使自行车能够做匀速滑动（就是平动），此时你感觉到的力就是滑动摩擦力，以上摩擦力的方向是向后的。3.注重探究实验，否定错误概念感性认识是理性认识的基础，所以丰富感性认识是帮助学生理解概念的重要手段，而感性认识要在实践中获得，所以探究实验可以帮助学生用真实的探究结果否定原来错误的认识。维果斯基指出：“科学概念的直接教授是不可能的，而且也是没有效果的。一位试图如此做的教师，除了空洞的言辞和儿童鹦鹉似的背诵外，一无所成。虽然模仿了相应概念的知识，但实际上是一片空白。”[7]在初中物理学习中有相当一部分的前科学概念的负迁移必须依赖探究实验转化。例如，许多学生总是错误地认为，物体与物体之间必须相互接触才会有力的作用。可以设计探究实验如下：准备一个大磁针、一个大铁钉。把大磁针放在顶针轴上，手拿大铁钉的一端，垂直靠近大磁针的一个磁极，观察到一定距离时，大磁针可以被手拿的大铁钉控制，任意摆布它的转动，这个吸引力不是由接触产生的。再把一个大铁钉放在桌面上，取下大磁针，手拿着大磁针去靠近大铁钉，观察大铁钉被吸引上来的距离，还会看到没有接触就产生了吸引力。通过这样的探究实验，学生既体验了物体间力的作用是相互的，又否定了物体与物体之间必须相互接触才会有力的作用这个前科学概念。学生通过亲自实验来验证自己的想法，既让学生“自己”信服地否定了自己的错误认识，又对物理概念有了较为深刻的理解。4.加强正误对比，理解科学概念对比运用于两个或多个相似的程序性知识的学习，通过提供对比，寻找差异，可以牢固掌握知识。[8]正误对比能帮助学生认识到新旧概念的异同，可使学生找出错误之处以及错误的成因，理解错误观念与科学概念的本质区别，进而阻碍负迁移。例如，初中学生受数学思维定式影响总是认为平均速度就是速度的平均值，可以如下设计问题，加强对比克服前科学概念的负迁移。给出两个对比的思考题：(1)甲物体做匀速直线运动，以16m/s的速度运动8s后再以10m/s速度沿原方向继续运动了8s，求甲物体在这16s的时间内的平均速度。(2)乙物体也做匀速直线运动，以16m/s的速度运动128m后再以10m/s速度沿原方向继续运动128m，求乙物体在256m路程内的平均速度。在(1)中，甲物体在16s内的平均速度应该是：通过正误对比，让学生意识到：在变速运动中，平均速度的物理含义是在某段路程中或某段时间内单位时间内通过的路程，反映的是在某段路程中或某段时间内物体运动的平均快慢程度，绝不是几个速度相加后运用数学方法去求平均值。采用“正误对比”，用科学的结论和他们所谓的想法对比，让正确与错误通过学生头脑进行思维加工后，自己去否定错误，理解科学概念。5.适当进行比喻，抽象化为形象用学生经历过的体验设计比喻，是为了再现物理概念的内涵，可以使无法感知的抽象概念化为比较形象的物理图像，容易被学生想象而认可。例如，在热传递过程中，高温物体的温度降低了，低温物体温度升高了，有些学生认为在热传递过程中传递的是温度而不是内能。针对这种错误认识，我们用一盛水的横截面积不同的连通器来比喻热传递过程。当水从液面较高的容器流向液面较低的容器中时，原来水位高的容器里的水位降低了，原来水位低的容器里的水位升高了。这样比喻，在热传递过程中，由高温物体向低温物体传递的是内能而不是温度，就好像在连同器之间流动的是水而不是水位（液面高度）一样，内能可以在物体间转移，而温度（水位）不会转移，只能升高或降低。6.进行逻辑归谬，转化错误概念归谬法就是首先假设原概念正确，然后利用其所谓的想法或思路归纳出与事实或已知的定律原理相悖的结论，进而引发学生在该问题的认知冲突，让学生在冲突中自己发现原有前科学概念的错误之处，以达到对科学概念的正确顺应。[9]归谬法容易引起学生的自相矛盾，从而能诊断出学生原有的错误想法和不足之处，因此教师要善于利用归谬法否定学生的错误认识，帮助他们建立科学概念。如起重机吊着一重物匀速直线上升时，学生经常认为起重机的钢丝绳对重物的拉力大于物体的重力，甚至在学习二力平衡条件后还会犯如此的错误。在初中阶段因为不涉及加速度问题，只要求学生会运用二力平衡条件分析解决问题，所以都强调是匀速上升或下降，学生的这个答案在物体由静止到匀速运动的过程中的起始阶段是对的，但是问题并没有问起始阶段。教师：假设重物匀速直线上升时钢丝绳对重物的拉力大于物体的重力，请大家分析物体在竖直方向的受力？学生：钢丝绳对重物竖直向上的拉力，地球对物体竖直向下的重力。教师：忽略空气的阻力和浮力，那么拉力大于重力时这两个力平衡吗？学生：不平衡。教师：重物还会匀速上升吗？学生：不会。教师：既然不会匀速上升，与题意矛盾，怎么回事？学生：重物匀速直线上升时钢丝绳对重物的拉力跟物体的重力平衡，二者大小相等。这样归谬使学生认识到他们只管从自己原来的想法出发考虑问题，并没有根据新学习的概念——二力平衡条件解决问题，所以必须改变原有的思维方式，依据科学概念（二力平衡条件）思考问题。7.开展合作学习，加强小组讨论合作学习是一种旨在促进学生在异质小组中互助合作，达成共同的学习目标，并以小组的总体成绩为奖励依据的教学策略体系[10]。通过小组合作、讨论、交流可以展示出学生不同的看法与经验，从而有助于对现象或事物更加全面深刻地认识，补充扩展学生自己原来肤浅片面的认识。例如学习浮力时，学生存在诸多的前科学概念：下沉的物体不受浮力，浮力跟物体浸没的深度有关且物体浸没得越深浮力越大；在足够深的水中投入大石块和小木块后大石块因为下沉受到的浮力小，小木块因为上浮受到的浮力大，进一步发展成上浮或漂浮的物体受到的浮力大于沉底的物体受到的浮力等。为此，让学生组成合作小组利用实验在强化感性认识的情境中展开讨论，克服错误认识中的不足、片面。(1)用二次称重法测浮力，即用细线系好一个小石块（或铁块）挂在弹簧测力计下，在空气中测出小石块的重力后再把测力计下的小石块全部没入水中，记下测力计示数（也叫视重），结果发现弹簧测力计示数明显变小。教师：你的实验结果说明了什么？小组讨论：前后两次示数之差就是浮力的大小，实验证明在水中下沉的物体也受到浮力，并且浮力的方向是竖直向上的。教师：你还能通过怎样的经验证明这个观点正确？小组讨论：在游泳池的底部搬起一块石块，要比在岸上时搬起同一石块轻松得多；在水中捞物体时当物体离开水面后用的力变大，等等。(2)使测力计下吊着的石块浸没在水中不同深度处，小组成员观察测力计示数，发现示数不变。教师：你的实验结果说明了什么？小组讨论：说明浮力跟物体全部浸没在液体中的深度无关。教师：浮力跟物体全部浸没在液体中的深度无关的原因是什么？小组讨论：浮力的大小等于物体排开的液体受到的重力，根据可知，物体排开的液体受到的重力又等于液体的密度、物体排开液体的体积、常数g三者的乘积，由于不变，液体密度不变，故物体排开的液体所受的重力大小不变，即浮力大小不变。(3)用二次称重法分别测出一个小木块和一个比木块体积大的石块的浮力。教师：小木块在足够深的水中会是什么状态？小组讨论：漂浮。教师：漂浮的物体浮力等于什么？小组讨论：物体本身的重力，只要测出木块的重力就知道了浮力。教师：大石块下沉了，为什么？小组讨论：大石块的浮力小于它本身的重力。教师：你们的结果是什么？小组讨论：大石块受到的浮力大。教师：为什么？小组讨论：根据阿基米得原理可知，大石块的大，而液体密度一定，所以它受到的浮力大。因此，通过讨论，克服每个人狭隘的理解，在运用中加深了对阿基米得原理的理解，转化了本身错误的认识。8.相似概念归类，运用促进理解概念归类练习的目的在于：一是改正理解中的错误，达成充分理解；二是促进对概念与原理的保持。[11]在初中物理中产生负迁移可以归类的前科学概念零散分布于各个章节中，不是一个课节全出现，教师的归类，就是为突出概念的共性特征，帮助学生克服由于过分相信“生活经验”的那些“形似而神不是”的问题，并强化记忆。如锅里的水沸腾时会冒出大量的“白气”，大部分学生认为水中冒出的是白色气体，或认为家里厨房做饭时腾腾的“热气”就是“水蒸