所谓“前概念”,是指在接触科学知识前,与周围环境长期作用形成的对生活现象的经验型认识。它对学生的学习既有积极影响也有消极作用。正确的前概念能为学习做好铺垫,成为概念学习的资源和增长点,对学生掌握概念产生积极影响;而错误的前概念将成为学习的障碍,如果得不到及时的纠正,将影响学生对科学概念的顺应,阻碍其科学概念的构建。因此,教学新知识前,教师应采用诊断性的测试方式(如问卷调查和访谈),激活学生的经验图式,让学生的认知结构浮出水面,进而弄清学生的前概念哪些是正确的,哪些是片面的甚至是错误的。对错误的前概念,教师要设计科学合理的教学过程以帮助学生改造和重组原有的认知结构,从而形成正确概念。本文以苏科版初中物理八年级下册第十章第五节《物体的浮与沉》一课为例,谈谈物理教学中转变错误前概念的一些做法。

一、通过教学前测,了解学生错误的前概念

教学浮力知识前,我们对本校154名初二学生进行了问卷调查,并访谈了部分学生,研究结果及分析如下:

(一)对漂浮状态的认识

1.对漂浮原因的认识

近一半学生(48.1%)认为物体能浮在水面上是因为受到的浮力大(见下页表1)。一项对7~12岁儿童的研究发现,31.7%的儿童认为物体漂浮是因为这个物体很轻,17.2%的儿童认为物体是空心的;而本调查数据显示,持这两种观点的学生各占3.2%——百分比大幅下降,原因是学生经历了小学科学课程和初二大半年的物理课程学习,知识在增长,生活阅历逐渐丰富,一些错误的观念发生了潜移默化的转变,学生的自我教育在这种转变过程中发挥了重要的作用。而且,因为已经学习了密度知识,有45.5%的学生开始用密度的视角思考物体浮沉的原因。

2.对漂浮浮力的比较

大部分学生(71.9%)认为物体露出液面的体积越大,就是浮得越厉害,受到的浮力也就越大;仅有13.4%的学生认为一样大。这说明多数学生不能将漂浮与平衡状态联系起来,缺乏在具体情境中应用物理知识的能力(见下页表2)。

3.对上浮和漂浮的理解

91.6%的学生认为上浮与漂浮是有区别的(见下页表3);但他们只是从字面意思上区别了上浮和漂浮,在物理情境应用时却会犯错,正确率仅为37.6%,51.0%的学生把两者混淆了(见下页表4)。

(二)对下沉状态的认识

与漂浮原因的认识相似,学生思维主要集中在一个因素上,即物体自身的特点或者浮力的大小,认为与物体自身有关的(物体很重、物体是实心的)占10.3%,有43.6%的学生认为“受到的浮力小”。这些都是从一个维度考虑浮沉条件(实际上需要比较重力与浮力,或物体与水的密度大小关系),说明学生依据知识与经验构建起来的前概念一般不复杂,但前概念是学生与环境长期作用的结果,往往根深蒂固,不复杂并不意味着可以轻松转变。另外,因为掌握了一些密度知识,有46.1%的学生认为“物体密度比水大”(见下页表5)。

(三)对悬浮状态的认识

1.对悬浮现象的认识

上浮、漂浮、下沉现象在日常生活中司空见惯,但悬浮却较为少见,学生缺乏这样的生活体验。27.9%的学生认为悬浮“不可能”,9.1%的学生“不知道”(见下页表6)。

2.对悬浮原因的认识

让表6中选A的学生继续回答下页表7的问题,36.4%的学生认为物体悬浮在液体中应还受其他外力的作用,说明学生心目中的“悬浮”与物理学上的悬浮概念存在偏差,进而表明学生对物理学上的悬浮现象持怀疑态度。

3.对悬浮现象的理解下页表8中,59.7%的学生认为木块是悬浮的,事后通过访谈了解到原因:学生将“悬浮”拆开来理解,认为物体有上浮的趋势(即“浮”),但在外力作用下静止在水中(即“悬”),即为悬浮状态。表9中,65.6%的学生认为铁块不是悬浮的,理由是:虽然物体在外力作用下静止在水中,但有下沉趋势,故不是悬浮。但仍有34.4%的学生认为铁块是悬浮的。由此可见,在几种状态中,学生认识存在分歧的是悬浮现象。但从教学实践看,学生只要明确了悬浮的定义,这个看似复杂的前概念反而更容易转化。

二、错误前概念的转变路径

(一)体验证伪,引发认知冲突

科学是靠证伪发展的。比如,比萨斜塔实验,证伪了亚里士多德关于物体下落的论断;卢瑟福的α粒子散射实验,证伪了汤姆逊的原子结构西瓜模型……科学史也表明:在科学探索的漫长岁月中,人们对自然科学现象及本质的认识都是不断地通过证伪错误的假说和理论而逐步深入的。通过体验感知,引导学生证伪前概念,可以激发学生修正或重构观念的心理欲望。

【片段1】

器材准备:盛水的水槽、带盖的小玻璃瓶、小泡沫块、苹果、橡皮泥以及学生自备的各种小物体(小玻璃瓶的体积大于小泡沫块的体积,苹果的质量大于橡皮泥的质量)。

学生活动:将这些物体浸没在水中,松手,观察发生的现象,汇报下沉和上浮的物体分别有哪些。

学生交流:下沉的物体有装较多水的小玻璃瓶、橡皮泥等;上浮的物体有装少量水的小玻璃瓶或空玻璃瓶、小泡沫块、苹果等。

基于前概念研究结果,展示要讨论的问题:下列几种关于浮沉原因的分析是否正确?为什么?(1)轻的物体上浮,重的物体下沉;(2)空心的物体上浮,实心的物体下沉;(3)物体受到的浮力大,所以上浮,反之则下沉。

尽管有些实验现象与以上说法一致,但一些反例足以使学生意识到自己的前概念存在瑕疵。例如,对于问题(1),橡皮泥比苹果轻,而橡皮泥下沉、苹果上浮,说明物体的浮沉并不由轻重决定;对于问题(2),装较多水的小玻璃瓶是空心的,但它下沉,苹果是实心的,但它上浮,说明物体的浮沉并不由实心或空心决定;对于问题(3),装有较多水的小玻璃瓶体积比小泡沫块大,受到的浮力大,但小玻璃瓶下沉、小泡沫块上浮,说明浮沉条件也不是仅由浮力大小决定的。学生自然就会产生疑问:物体的浮沉到底由什么决定呢?

通过以上体验活动和证伪过程,让学生产生认知冲突,导致认知失衡,进而产生调整认知结构的内驱力。这种认识兴趣和认知内驱力是学习的内在动机中最活跃的成分,将激励学生充满热忱地从事学习和探究。

(二)探究推理,建构科学概念

认知内驱力点燃了学生求知的火把,如果及时地提供探究素材,构建科学概念就水到渠成了。

【片段2】

任务驱动:怎样使下沉的物体浮起来?怎样使漂浮的物体沉下去?并说明采用的方法。

学生探究,交流方案:减少瓶中的水、将橡皮泥捏成船形,分别是通过减少物重、增大浮力的方法使沉底的物体漂浮;相反,增大物重或减少浮力,能使漂浮的物体沉下去。

教师追问:以下沉的物体为例,减小物重或增大浮力一定能使沉底的物体浮上去吗?

教师演示:将沉底的玻璃瓶取出,用注射器抽出少许水,做入水中,小玻璃瓶仍沉在底部;将绑有钩码的气球沉底(如图4),用打气筒给气球充少量气,体积变大,浮力增大,而它们还是沉底(如图5)。

教师提问:前者减少物重,后者增大浮力,但都没有浮起来,这是为什么?

对比演示:继续抽取一部分水,小玻璃瓶开始上浮;继续给气球充气,气球和钩码也开始上浮。

教师追问:这又是为什么?

引导学生从受力的角度思考,让沉底的物体上浮,减少物重或者增大浮力的最终目的是使浮力大于重力,让学生意识到浮沉条件由浮力和重力共同决定。学生归纳推理,得出结论:当浮力大于重力时,物体上浮;当浮力小于重力时,物体下沉。

接着介绍漂浮和悬浮两种状态,并结合二力平衡知识得出漂浮和悬浮的条件,同时让学生讨论悬浮和漂浮的区别。对于悬浮,可以用鸡蛋悬浮在盐水中的实验强化对悬浮现象的感知,并说明鸡蛋只受重力和浮力作用,不受其他外力。最后,学生自主推导不同状态下物体密度和液体密度的关系。

三、教学效果与反思

新课结束后,对授课班级(40人)进行了测验(第一次后测),经过约一周的习题教学后,用相同难度的试卷对相同的学生又进行了测试(第二次后测)。然后,以“漂浮条件及应用”知识为例,对比前测和两次后测的正确率。比如,表1中的问题“物体为什么能浮在水面上”在三次测验中的正确率如图6所示:在新课前为45.5%,新课结束后,马上检测,正确率不升反而降为17.5%,75%的学生选“受到的浮力大”,说明前概念很顽固,转化过程可能有反复;而经过一周的习题训练后,正确率达到了92.5%。又如,表2中关于铅笔浮力的问题在三次测验中的正确率如图7所示:分别为13.4%、40.0%、82.5%,第二次后测的正确率较第一次后测有了明显的提高。

本次研究启发我们,探究式教学能有效地培养学生的动手能力和创新精神,但要转变错误的前概念,只有探究式学习显然不够,一定要配合传统的习题教学。习题教学的任务是将学生建构的新图式运用到各种情境中,以促进学生对科学概念有更深刻、更全面的理解,比如对悬浮现象的认识、上浮和漂浮的区别等。