学生头脑中的前科学概念研究

罗星凯 周中权
物理学科心理的系统研究，本世纪70年代在西方兴起，考察其背景，笔者认为有两个方面：一是50年代末开始的大规模课程改革运动所遇到的问题和困难，启示人们只有深入学科领域研究学生的学习过程、掌握其思维特点和规律，才能使课程和教法更好地适合学生的发展水平和认识特点、切实提高教学质量；另一方面是认知心理学的发展，特别是瑞士心理学家皮亚杰对儿童认知发展的开创性工作，令人耳目一新，它为物理学科心理的研究提供了很好的启示和可借鉴的方法。
过去的20年来，物理教育与教育家和广大物理教师密切合作，在学生认知发展与物理教育、物理问题解决、学生物理概念形成和发展等方面做了大量开创性的工作，取得了许多优秀的成果。特别是研究表现于物理学习过程中的各种前科学概念的特点及其对教学的影响方面，进展尤为显著。前科学概念（苏联心理学家维果茨基称为“自发概念”）一般是指学生在学前由长期的日常经验形成的对事物、现象的看法和观念。按照认知心理学的观点，这种前概念的存在是必然的。因为个体从出生就开始了探索环境、顺应环境的活动，在活动中构建出了特定的认知模式（图式）。前科学概念就是这种图式的反映。但它们中许多只是一种对事物和现象的非本质认识，而且由于物理概念提示的是复杂纷繁的自然现象的本质，具有一定的抽象性和复杂性。因此，表现在物理学习中的学生的前概念多是肤浅的、与科学概念相悖的，对学生形成物理概念构成障碍。人们的研究表明这种观念的两个重要特点就是它的广泛性和顽固性，它广泛地存在于各个层次的学生之中，而且一般科学观念并存，不易引起注意和被纠正。
为了深入探讨学生的前科学概念的特点和对教学的影响，寻求改进教学的途径，我们先后进行了两次较系统的调查，分别就学生对速度概念、惯性概念、自感概念等内容的理解进行调查研究。下面分别介绍这两次研究的过程和结果。
1 高一学生所理解的速度概念、惯性概念以及力与运动的关系
1987年下学期，我们选择江西师大附中高一（1）班、高一（2）班这两个平行班作为研究试验班，旨在通过调查、查清学生前科学概念的特点和来龙去脉，据此探讨改进教学的途径。
调查采用诊断性测试的办法，两个班的全体学生（N=119）接受测试，时间在他们学习运动学之前，测试题全部采用自由反应型，并给予学生充裕的时间作答，以便尽可能多地反映学生的思维过程，具体测试题（见附录）的编制，速度理解部分参考乔布瑞奇博士的研究编成[1]。乔氏的研究主要特点是借鉴了皮亚杰的“临床法”，让学生观察物理现象，从他们对现象的预言和解释中探测学生对速度概念的理解和思考过程。
由于研究的目的在于通过学生的反应来探测他们的前概念，因此评卷采用细致分析学生回答并加以适当分类的办法，并统计各类反应的频数。对于难以从卷面判断的反应，将及时辅之以个别访问谈话。
题1和题2是用实验演示出两个物体的追赶情况。在题1中，A球进入轨道后，一直作匀速直线运动，且起初跑在B球前面；B球以较大的初速度进入一斜面轨道，作匀减速直线运动。学生看到的情景是：B球先追上并超过A球，然后又被A球追上并超过。题目要求学生根据两小球在轨道上的运动情况比较它们何时速度大小相同。题2也是两球的追赶运动，与题1不同 的是一球在整个过程中始终未能追上另一球。
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这种用物体之间追赶的实验来探测学生对速度概念理解的方法是皮亚杰的首创。他在爱因斯坦的建议下曾就儿童的时间和速度概念的形成进行研究，得出的结论是，在9岁以前，儿童有一种不依赖于长度的速度直觉，即一种“追越”的直觉。表现在如果物体A一开始在物体B的后面，后来超过了B，那么就知觉到物体A的运动比物体B快。在图1所示的例子中，两辆汽车同时离开A点，它们同时到达B点，但是行驶的路线不同。当观看了这两辆汽车的运行后，处于前运算阶段（2~7岁）的儿童说，两辆汽车以同样的速度行驶。皮亚杰认为，关于时间和行驶距离的关系，即速度的比率概念，要到进入具体运算阶段（7~11岁）才能形成，而要真正理解时间和速度的关系，则要进入形式运算阶段（7~15）才行。
我们测试的是高一学生，他们一般解决皮亚杰的这一作业不会有什么困难。但是在试题1中，设计了两次超越的过程。对学生来说，难度变大，正确的答案变得不那么显而易见，必须排除两次追越这一知觉吸引的影响，正确把握两球的速度变化情况，特别是B球速度连续减小这一事实，才能得出在第一次B球追上A球之后、第二次A球追上B球之前这段时间中有、且只有一个时刻两球速度刚好相等。对学生答卷的分析统计表明（详见附表），有69%的学生利用了一球正好追上另一球作为判断速度相等的标准。而且在陈述的理由中学生甚至认为处在前面就意味着速度大。以下是一个学生的典型误答：
“有两个时刻A、B两球速度相等，一是在B球追上A球的一瞬间，另一是在A球再次超过B球的时刻。因为一开始，VB可见，在面临较复杂的情境时，学生早期的那种“追越的直觉”又重新被唤起。这种由经验形成的观念并未因为他们在初中接受了正式的物理学教育而真正地消除，它们在学生头脑中仍占有一席之地，成为后继学习的前概念。
题3、题4、题5用于探测学生对惯性概念、运动和力的关系的理解。这些内容，学生在初中都已经学过（题5例外）。但是，测试表明他们对惯性概念的本质缺乏正确理解，对运动和力的关系的认识仍然是非牛顿式的。 例如，对题3虽有90%的学生正确的回答出第一种方案是正确的，说明他们能从现象中识别出惯性的现象。但在细查学生的解释后发现，不少学生将惯性视为一种力，这种力被视为是物体由于和人一起运动而具有的，当人松开手后，小球向前的运动就是靠这力来维持的。以下是几个学生典型误答：
“第一种方案对，因为小球脱手后仍具有一定的惯性力。”
“第一种方案正确，因为小球受到惯性作用。“
“第一种方案对，因为小球由于运动而具有向前的惯性。”
在题4、题5中，这种思想就暴露得更明显了。71%的学生认为小球离手后仍有一力使之上升，到了最高点此力才消失，题5中，58%的学生认为小球在脱绳后仍会由于具有“圆周运动的惯性”而沿圆弧或偏向圆弧的轨道运动。图2所示的是从学生试卷上复制下来的三种典型错误解答。
由此可见，学生虽然记住了惯性这一术语，并不再持有外力一撤消，物体就立即停止运动这一典型的亚里斯多德式的运动需要力来维护的观点。但是他们臆造了一个与运动相联系的力，用这力解释为什么物体在脱离外力后仍会继续运动。而在物理课中学到的惯性就被他们自然地拿来做了表达这个力的“恰当”术语。这样，即使学习了惯性定律，他们原来所持的“运动需要力来维护”这一总的概念框架仍然未变，也不必非要变不可。因为在这一总的框架下理解（曲解）的惯性概念，可以解释所面临的现象，自圆其说，内心并不感到矛盾。这与历史上对这一问题的认识探索过程正好吻合。亚里斯多德的理论在解释一些脱离了外力后仍能运动的现象时显得牵强附会，中世纪的经院哲学家们就以原动力学说修正了它。但“运动需要力来维持”这一亚里斯多德的概念框架并未改变。遗憾的是，这种错误的观念不仅广泛地存在于当今学生的头脑中，而且并未由于学过了伽利略的思想、牛顿的定律以后而消除，它作为一种前概念在严重地影响着学生对物理概念、规律的学习。
2 学生头脑中的自感概念
对学生理解自感现象的系统的调查研究表明，学生较普遍地认为含电感电路在电源断开时通过电感的电流会有一个突然增大的过程，深入的分析和测试证明这种误念是学生在原有的错误观念下，曲解新的教学内容（特别是所面临的有关实验现象）的结果。详细讨论见参考文献[2]、[3]。综合上述的两次调查研究，学生前科学概念从产生的途径上可以分为两种形式。
一种是在正式接受物理教育以前，学生根据日常经验，在与自然和社会环境的相互作用过程中形成的、关于对面临的事物和现象的理解，它们以直觉和非科学推理为支柱，大都片面、幼稚，与科学概念相悖。但是，在教学中，这类观念又不会轻易地让位于科学概念。它们可以自行调整、变通后与学生在物理课堂中接收到有关内容并存于学生的认知结构中，并且成为较为隐蔽但根基甚深的一部分观念。在面临较复杂的情境时，就会唤起它们。这种现象在各种层次的学生中都不同程度地存在。
另一种是学生在正式学习物理以后，在学校教学情境中形成的。它主要表现在一些学生以前缺乏感知经验课题上。物理演示实验是一种对物理现象的人为控制和再现，它具有和自然存在的现象相同的直观、感知吸引力强的特点，尽管它是对自然现象的纯化，但毕竟仍难以完全消除非本质因素的干扰。特别是当那些非本质现象与学生认知结构中有关观念一致或相关联时，学生很容易同化这些现象。他们在自己原来观念的框架下理解所面临的现象，导致对本质特征的曲解，并同时使原有的观念得到充实和加强，成为进一步学习的顽固的先入之见，影响学习的过程。
当然，这两类前概念在本质上是相同的，它们都反映了学生思维过程对直觉、经验的依赖。
长期以来，在我们的教学实践中，对学生的这类前科学概念是缺乏系统研究和对待的。教材主要考虑的是知识的逻辑结构体系，典型的物理课往往就是简单的引入概念或规律，然后大量的时间花在举例说明、验证和练习巩固上。这种做法事实上有意无意地将学生的头脑当成了一块“白板”，我们教师可以在上面构画出各种各样的物理知识图景。物理演示实验一直作为教学手段而起着配合物理知识讲授的作用，考虑的重点自然是如何通过实验把一个抽象的问题具体化、形象化。因而很难真正开发它的教学功能，拓展应用领域，有时追求实验效果明显，考虑不周，走向了反面。总之，我们尚未腾出时间来系统地研究学生头脑中丰富的观念世界及其影响他们理解物理世界的机制，就只能把我们所理解的物理世界硬塞进学生头脑中，当发现学生未接受时，往往就是采取简单重复、反复强化的办法，或者干脆认为学生太笨。显然这种状况已到了必须认真设法改变的时候了。通过对学生学习过程的研究，我们初步看到了在这方面的前景，明确了今后努力的方向。
参 考 文 献
[1] Trowbridge . D. E etc. Am . J Phys. , 1980.48: 1029
[2] 罗星凯，周中权。学生头脑中的自感概念。 江西师大学报， 1988；（2）
[3] 罗星凯。 周中权。学生的认知过程与课程设计。物理教师。1988；（9）
附录
力 学 测 试 卷
说明：第1、第2题配有实验演示。请先注意观察有关的说明：
1、图1所示的是A、B两球每隔一定时间间隔的位置。在轨道上运动的过程中。两球是否有速度大小相同的时候？为什么？
2、图2所示的是B、C两球每隔一定时间间隔的位置，在轨道上运动的过程中，两球是否有速度大小相同的时候？为什么？
3、老师布置同学们做一个游戏。内容是在快步跑的过程中（不准弯腰）将抓在手中的一小球释放（只是将手松开，并不抛球）。使小球刚好落入一放在跑步路线边上的小圆筐内。同学们中有三种方案：一是在离小筐还有一点距离时松手；二是在正好跑到小筐处松手；三是跑过小筐一点距离后再松手，你认为哪一种方案是对的？为什么？
4、小明手拿一个球。向上一抛，小球上升后又落下了。请解释为什么在离开小明的手后。球仍能上升？但最后怎么又落下了。
5、如图3所示，杂技演员抓住（O点）一头拴一小球的绳子，使小球打圆圈。假设当球在A点时，绳子突然断掉。你预料小球此后将沿怎样的轨迹运动？为什么？
附表 学生答案错误分数统计 单位：人
错 误 类 型 1班（N=59） 2班（N=60）
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题1，根据位置判断速度
43（73%） 39（65%）
题3，答案错误 10（17%） 12（20%）
题4，认为有一力使地上升 44（74%） 41（68%）
题5，小球脱绳后仍会沿偏向圆心方向运动 29（49%） 32（53%）