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国外中学生物理学前概念研究  

2011-12-12 15:24:22|  分类: 国外教育 |  标签: |举报 |字号 订阅

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国外中学生物理学前概念研究


摘要:国外对物理学领域中的前概念研究深刻地影响了教师的教学行为。探讨教学情境中前概念的来源、顽固性特征及其转变方法策略,分析物理学前概念与物理概念、物理教学、物理学科的互惠关系,可为深入开展此类研究提供有益的启示。

一、引言

自20世纪70年代至今,国外科学教育工作者对普遍存在于各年龄段学生中的前概念进行了广泛而深入的研究,所取得的成果深刻地影响了科学教师的教学行为,推动了科学教育的进步。前概念指学生在学习科学课程之前,通过日常生活中的各种渠道,所形成的对自然界中各种客观事物的看法。前概念中有些与科学概念一致,会促进科学概念的学习;[1]另一些则与科学概念相违背,从而抵触科学概念的教学,造成非预期的学习结果,这些前概念成为大量文献的研究主题。在中性意义上,前概念被称为生活概念、常识概念(commen sense concepts);在消极意义上,前概念又被称为错误概念(miss-conceptions)、另类概念(alternative conceptions)等。

一般认为,学生的前概念具有个体性、片面性、顽固性,并与科学发展史上的某些概念存在相似性。本文在对物理学领域中的前概念作价值判断、探讨其如何在正式教学情境中生成的基础上,剖析其顽固性特征的成因,并对错误概念转变的教学策略进行综合分析与介绍。

二、前概念的价值判断

儿童在感觉寒冷时会关上窗户或做跳跃运动,在感觉炎热时会打开窗户,这就是生活概念。生活概念植根于儿童日常生活经历,从而为在正式的学校教学活动中发展成科学概念提供了潜在的可能性。生活概念与科学概念的互惠表现在通过生活概念缓慢地向上发展,为科学概念的向下发展开辟了一条途径,这是因为生活概念既来源于日常生活经历,也就为科学概念的基本面创造了一系列的必要结构,为科学概念赋予实体和效用;科学概念又反过来为学生的自发概念向有意识的、精确的运用提供结构上的支撑。[2]当前物理课程强调“从生活中来,到社会中去”的教学理念,正是为了实现二者的互惠。

概念是科学的细胞,掌握概念的深度和广度反映一个人的物理学知识水平。从这一点上看,即使那些直接从事与物理学相关职业的人,也会有各种各样的前概念,并往往是在一个相对正确的范畴内使用概念的。对某些概念不能达致一个完善的理解,并不必然导致问题解决的失败。这取决于物理问题情境的复杂程度。由此可见,前概念对于物理教学的价值,就在于人类对客观事物的认识是一个渐进发展的过程,那种一蹴而就的想法是不切实际的。物理教学往往要从学生已有知识,甚至是从一个存在错误的前概念出发,通过螺旋式的课程逐步发展为科学概念。如学生已有的“水压”概念,在初中的物理教学中常常被教师引人电学课程中以建立“电压”概念,这样一个电压概念就可能成为后继课程中的前概念,因为它带上了“力”的色彩,而偏离了“功”的本位。然而,这并不妨碍学生对该概念的应用,因为该概念在一些普遍性不高的具体问题情境中是成功的,在相对的意义上,它就是“科学”概念。反之,如果试图把科学的电压概念教给学生,则要以“保守力场”“电场力”“电场力的功”“电势”等抽象概念为基础,这已超出了学生已有知识和心理发展的水平,这种教学是徒劳无功的。

可见,前概念与物理教学的互惠体现在前概念通过物理教学得以发展为科学概念,而物理教学也要从学生已有知识(包括前概念)出发,以利于学生的理解和应用。

基于对科学活动历史的审视,拉卡托斯的科学研究纲领方法论提出,科学理论是由作为基本原理的“硬核”和由一系列附属假设和初始条件组成的围绕硬核的“保护带”构成;逻辑经验主义哲学家亨普尔也在其对“假说”的考察中,提出科学假说中往往包含着辅助性假说。因此,当一个与理论(或假说)矛盾的实验事实被发现后,科学家往往不是简单地放弃这一理论(或假说),而是去修改“保护带”或更正“辅助性假说”,而这一点,对科学而言,是幸运的!

物理学发展史充分证明了这一点。由于傅科巧妙的实验检验了光在水中传播得比在空气中慢的说法,从而“判决性”地支持了光的波动说,但微粒说并没有销声匿迹,半个世纪后,在对勒纳德光电效应实验深人分析的基础上,爱因斯坦提出了“光的波粒二象性”,传统的微粒说(光本质认识的前概念)因为没有被物理学彻底抛弃,而导致人们对光本质形成完善的认识。某些前概念即使完全错误而在以后被彻底抛弃,也不是毫无意义。恰恰由于其在产生之时符合了人们简单性的思维习惯而有利于物理学家利用它做出重要发现,这更深刻地体现出前概念与物理学科的互惠关系。费耶阿本德的“韧性”和“增生”理论提出科学在发展过程中具有一定的“韧性”,在一定时期人们总会信守一种理论,而置大量反例于不顾。如“热质说”把“热”看做物质,符合了物理学的朴素唯物主义传统,布莱克、拉瓦锡、拉普拉斯的量热学,傅里叶的热传导理论和卡诺关于热机的定理都是基于热质说而得出的。反之,“热运动说”虽然反映了“热”的本质,但由于过于抽象使人们难以接受。在当时的时代背景下,一个历史性的前概念推动了热学的进展,并也正因为它所导致的一系列进展,最终又否定了它自身,使人类发现了热的本质。学中所呈现的科学概念不一致。这些错误概念甚至导致他们对实验现象和教师的课堂讲解进行了错误的感知。[3]

三、前概念的来源

近年来,国外科学教育工作者对物理课堂教学中产生的前概念(此处特指错误概念)进行了大量研究,对物理教学的指导性更强,符合前概念研究的趋势。因此,本段中对前概念(针对后继课程而言)来源的探讨从感性认识上升为理性认识的各个阶段中进行。

“观察为理论所污染”这一命题揭示了人们是基于他们自己的心向或背景知识来观察的。克莱门特等人的研究因此提出学生进人课堂时并不是一块白板,他们已经发展了一些具有解释力的持久的概念,但这些概念与教学中所呈现的科学概念不一致。这些错误概念甚至导致他们对实验现象和教师的课堂讲解进行了错误的感知。[3]

表象是从感性知识上升到理性知识的中介,是先前的感知在人脑中留下的映像,仍然属于感性知识的范畴。在认识事物时,人们首先针对各个具体情形建立一些个别表象,如果直接以个别表象为感性材料进行抽象思维加工,则将导致错误概念。如向学生提出下述问题:“一个质量为1009的小黑球漂浮在水面上,而一个质量为5009的小灰球沉人水中。现将一个用与小黑球一样材料做成的 10009的大黑球放人水中,它将漂浮还是下沉?”川研究发现,在这样一个问题情境中,学生仅仅进行了质量小的球漂浮而质量大的球下沉一种想象活动,[4]从而把非本质的“质量”因素作为本质抽取出来建立个别表象以作判断浮沉之用。

在感性知识上升为理性知识后,学生的错误概念来源有两种典型途径,即不理解“术语”和乱套乱代“公式”。

首先,物理语言是有鲜明特色的准确语言,但它毕竟是在民族语言的氛围中使用的,从而在某些学生那里产生了歧义。如对电阻概念,在法语背景下,通常认为阻力的大小与物体尺寸成比例,因此,许多学生推断电阻是随着横截面积的增大而增大的,两个电阻(无论是串联还是并联)总比一个电阻对电流形成更大的阻碍。[5]而在汉语背景下,学生更多的是在摩擦力、超重、失重、加速度这些术语上有错误认识。

其次,物理量都有公式表达,但不能单从数学公式理解物理含义,否则就会产生前概念。如学习密度概念,其困难不仅在于它不便直接测量,而且它还是一个对质量和体积联立进行处理的复合变量,学生常常由于不能理解这种比值定义法而把该概念割裂开来,如认为物体的浮沉取决于质量或体积而不是密度。[4]又如对于电阻概念,许多学生认为它随着电压的增大而增大,随着电流的增大而减小。

四、前概念顽固性成因

概念教学的最佳效果是学生形成了正确的理解,但有时学生只是理解了概念的部分内涵,或存在某些特定的错误认识,在极端情况下,完全没有理解概念,这表现出前概念的顽固性。

在实验中,就教师而言,认为所有学生都观察到相同的现象,但由于“观察为理论所污染”,学生往往会对观察到的现象进行再建构以与他们早先的信念相一致,这样看来,为支持学生建立新概念所做的演示可能仅仅是强化了学生早先的理解,学生会简单地忽视或否认实验数据,尽管有时那些数据是他们自己通过实验获得的。在另外一些情况下,学生接受了与其前概念相矛盾的实验结果,但并不因此否定前概念中的硬核—“基本原理”,而通常调整的是保护带—如改变附属假设、修改初始条件、重新给术语下定义来使自己不被新结果所否定。即使有些学生在新课教学中完全否定了前概念而转变到科学概念上来,他们中的一些最终又遗忘了科学概念而回到错误概念上来,这是因为他们缺乏应用科学概念的机会。[7]

另一方面,即使学生没有改变他们的错误概念,也时常能在物理课堂活动中成功,如仅从电阻公式出发,学生对电阻形成了错误认识,但应用该公式计算阻值却常常是成功的,从而加强了他们早先的信念。

五、前概念转变的途径

错误概念根深蒂固不易转变,因此,国外大量文献对错误概念转变途径进行了探讨,本文将这些讨论归纳为教学方法策略与教学过程策略进行分析与介绍。

蔡提出,在错误概念转变的教学中已有多种方法被证明是成功的[8]。不谈策略的话,许多模式都要求在学生内心产生挑战他们前概念的认知冲突。为诱发这种认知冲突,教师采用了多样化的策略,包括做实验、观看录像、阅读书籍、进行田野旅行,以便在学生依据错误概念所导出的结论和所呈现的实际观察结果间诱发某种形式的认知冲突。[9]

其中,做实验是最普遍的方法。但简单呈现信息的实验对于转变学生的前概念收效甚微。有效的实验方法要求教师向学生提供这样一种经历,即学生不仅仅是在处理材料,而且要通过观察提出问题,与教师和同伴讨论他们的发现,设计进一步的调查,这是一种为美国国家科学教育标准所建议的“动手动脑活动”(hands一on,minds—on activities),仅仅“动手做”(hands一on activities)对学生的有意义学习是不够的。

提问也是教师经常谈到的一种转变学生前概念的教学方法,它可以帮助学生从对科学概念的自我中心化的思维方式中走出来。提问即可以是简单地向学生提出导向性的问题,也可以是引导学生对一个实验进行广泛的解释说明。如向学生提问:“那么你认为它是什么?”并让学生“证明”—不是向教师证明他们是怎么想的,而要拿出证据,这就促使学生在其错误概念上向前走,相互讨论,迫使他们注意到所想象的情况根本不会发生而产生认知冲突。

最后一个被普遍提到的教学方法是讲授。一些美国教师会举许多例子或播放视频材料转变学生的前概念,或者有时仅仅就是直接告诉学生正确答案。在韩国,由于时间限制、实验条件不佳、缺少实验器材、教科书所设计的实验不切实际等原因,许多物理教师也会直接使用教科书上的实验结果来进行概念教学,并且,这些教师相信,如果让学生直接从事实验观察,他们可能忽视、扭曲或反对观察到的结果而生成错误概念。[7]

前概念往往是以个别表象为中介,经抽象思维加工而形成的。因此,前概念转变的教学过程策略首先要求对客观事物进行全面的考察,以建立反映本质的概括表象。如教师发现学生把“质量”作为判断物体浮沉的标准之后,要求学生阅读另一段文字:“一个1009的小塑料球漂浮于水面而5009的小铁球下沉。但是,一个1000g的大塑料球依然是漂浮于水面的。[4]在这一问题情境中,学生又进行了新的想象,以往未曾出现过的“塑料”“铁”作为物质种类因素进人学生的图景,所形成的概括表象为建立正确的浮沉判断标准提供了可能。

其次,概念转变的教学过程策略要求进行概念辨析以避免相似性混淆。如上述学者认为,当向学生讲解密度概念时,教师应向学生强调重量与密度概念的区别,因为对学生来说,问题不在于他们不能理解密度概念,而在于他们不能把两个概念区分开来。[4]物理概念与生活概念相比,前者精细、后者笼统,一个生活概念以不同的方式缓慢地向上发展,分化形成不同的科学概念,如“热”这一生活概念,既可指温度,又可指内能,还可指热量,如果不对它们进行区分,就会在温度、内能热量三者间产生相似性混淆而导致错误认识。

尽管以上策略在显性或隐性的意义上被教师所应用,也有其他研究者基于对各学段学生“电路”概念的考察,提出不管是在土耳其,抑或是在新西兰、英国、美国加利福尼亚州,尽管教师所采用的教学方法不同,这些方法在转变学生的前概念上可能并没有我们所期望的那样大的影响。[6]这表明如何促进学生的概念转变,仍然需要科学教育工作者持续而深人地进行探讨。

六、反思

综上所述,前概念问题作为国外科学教育研究的热点和前沿,已在研究内容、方法上形成鲜明特点并取得丰硕成果。

研究者或着力探讨各国学生普遍持有的错误概念,从而发现前概念问题领域中的普遍规律;或挑选那些在本国文化氛围中公认的困难概念作为研究对象以加强针对性。前者以各国学者对“力和运动”前概念的研究为代表,不分地域,皆以“力概念鉴定单”(Force concept inventory)为数据采集工具,研究的发现整合为科学教育界对前概念特征及概念转变理论等普遍性规律的认识;后者以韩国学者对“密度”前概念的研究为代表,这种研究在概念转变的理论框架中进行,对理论作出检验并提出教学方法或策略建议。

前概念研究普遍采取质性研究与定量研究相结合的方式进行,质性研究以半结构化访谈、录音、录像资料、学生日记等为数据来源,对该类数据的分析可使研究者把握学生的错误概念表现形式,监控学生的概念学习效果。定量研究多采用准实验方式,以经信度和效度检验的试题为工具,对概念转变的效果做卡方分析或协方差分析。定性、定量相结合的研究方法保证了数据来源的广泛性和可靠性,为研究的发现提供有力的支撑。

前概念研究的最重要成果是建立了概念转变理论框架。第一个维度是潘斯纳等在1982年提出的“概念转变模式”(Conceptual change model,简称CCM)[10]。该模式把学生的概念转变与科学共同体的范式变化相类比,并承认情感和社会因素在概念转变中所起的作用;第二个维度是依据皮亚杰的理论建立的“认知冲突”(cognitive Conflict)模式,该模式要求采取恰当的教学设计以激发学生错误概念与科学概念间的冲突,通过学生心理从不平衡向平衡的过渡实现概念转变;第三个维度是“元认知”(metacognition)模式,该模式试图通过学生的元认知意识、元认知监控和元认知评价过程达到较好的概念转变效果。以上三个维度,并不是分类学意义上的三个类别,而是如同不同波源所发出的三个子波,在波前处形成同一个波阵面。三个维度既是独立的,又是统一的;既有各自鲜明的特征,又达到三者内在的一致。

国外所进行的前概念研究,在内容选择、实验设计、数据来源规划、数据采集程序与分析手段上已经形成行之有效的规范,从而为在我国进行此类研究提供有益启迪。此类研究以实证方式进行,依赖理论工作者与中学物理教师的通力合作,取得的成果符合中学物理教学实际,便于推广、应用,将促进科学教育事业在我国的发展。

[l]Vygotsky L.S.Play and Its Role in the Mental Dvelopment of the Child[J〕.Voprosy Psikhologii,1966,12(6):62一76.

[2]Vygotsky L.S Thinking and speech[A].RW Reber’AS Carton,N Mirick The collected Works of LS Vygotsky:Vol.i.problems fo general psychology [C〕.NewYork:Plenurn Press1987.38一285.

[3]Clement J.Students’Preconceptions in Introductory Mechan[J〕.Ameirican jounal of Physics,1982,50(1):66一71

[4〕Kang S.Scharmann IC,Noh T. Reexaminingtherole of cognitive conflict in science concept leaning [J].Rsearch in Science Education,2004,34(1):71一96.

[5〕ViardJlanglois F. The Concept of Electrical Resistance:How Cassirer’s Philosophy,and theEarly Developments of electric circuit Theory,Allow A Better Understanding of students’leaning difficulties [J].Seience&education,2001,10(3):267一286.

[6〕Cepni S.Keles E.Trukish students’conceptons about the simple elctric circuits[J].international journal of science an mathematics Education,2006,4(2):269一291

[7]Park,Kim I.Analysis of stuents’ responses to contradictory results obtained by simple observation or controling variables [J].Research in science Education,1998,(3),365一376,

[8〕TsaiC.Using A Conflict Map and An Instruetional Tool Change Student Alternative Conceptions in Simple Series Electric--cireuits[J〕.International Journal of science education,2003,25(3),307一327.

[9〕Gomez-Zwiep s. Elementary Teaehers’Understanding of Students,Scienee Misconceptions:ImPlieations forPractice and Teaehe rEdueation[J〕.Journal of Science Teacher education,2008,19(5),437一454.

[10」Posner GJ,Strike KA,Hewson P W,GertzogWA. AC commodation of Ascientific conception:Toward A Theory of Conceptual Change[J〕.Science Education,1982,(2),211一227.

                                                                                      (

[ 2009-12-22 ]

单位地址:重庆市北碚区天生路1号科学教育研究中心 邮编:400715
Copyright©2007 西南大学科学教育研究中心版权所有
 更新日期: 2020-10-00




引文来源  国外中学生物理学前概念研究
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