国外学生力学概念的研究

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摘 要：国外在物理概念研究方面取得了颇有价值的研究成果。本文介绍、分析了国外学生力学概念的研究内容和结果，以期对我国的物理概念教学及改革有一定的启示作用。

关键词：国外；力学概念；前概念

中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2007)8(S)-0003-4

1 引言

物理概念是客观事实的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事实的抽象。物理概念是整个物理学知识体系的基石，而“牛顿力学是整个物理学的基础，因此学生对于牛顿力学概念的理解是学好物理的关键”。上世纪二十年代，皮亚杰开创了对儿童物理概念研究的先河，他偏重于研究年幼的孩子对于力和运动概念的理解。更多的物理教育研究者从八十年代开始了大规模对学生物理概念的研究，其内容涉及到力、运动、能量、光、热、温度及简单电路等，但其中大部分研究集中在力学领域。现就国外学生力学概念的研究内容和结果进行分析，以期对我国物理概念教学及改革有一定的启示。

2 国外学生力学概念研究的内容

2.1 运动学概念研究

运动学体系是整个牛顿力学的基础，而时间、位移、速度、加速度又是运动学体系的基本概念，因此学生对于这几个概念的理解会直接影响其牛顿力学的学习。华盛顿大学教育研究小组从80年代初就开始研究学生对于运动学概念的理解。他们主要通过实验创设问题情景，然后结合访谈考察学生对于加速度、速度概念的理解。首先，选取一些学生，他们都学过速度、加速度的概念，并都知道速度、加速度的公式；其次，让他们观察实验：将两个相同的小球放在两个倾斜度相同的“U”槽轨道上(注：两个轨道的形状并不一样，从而导致两个小球具有不同的加速度)，球A放在球B后几厘米处，先无初速释放球A，当球A向下运动了几厘米后(仍处于球B后方)，会碰到一个触动开关，从而无初速释放球B，两个球会同时到达轨道底端并具有相同的末速度；最后，对学生进行访谈：两个小球加速度大小是否相同。研究发现学生存在着很多关于运动学概念的错误理解，可归结为以下三种类型：(1)思维定势，有学生认为两个小球具有相同的加速度，“因为两个轨道具有相同的倾斜度，所以两个球的加速度相同。”这主要是因为学生经过长期常规斜面问题训练形成了思维定势，从而忽略了“U”槽轨道的特殊形状。(2)速度与加速度不分，有学生认为A、B两个球或许具有相同的加速度，“因为相对于球B，球A在较长的时间内，运动了较长的距离”；也有学生认为球A具有较大的加速度，“从球B开始运动算起，在相同的时间内，球A的运动距离更长”；(3)缺乏公式运用能力，有学生认为球B具有较大的加速度，“因为球B在较短位移内，其速度变化和球A是一样的”，这些学生对加速度有一定的感性认识，但不会应用所学加速度公式进行推理。

2.2 牛顿运动定律的研究

牛顿第一、第二、第三定律构成的牛顿运动定律，毫无疑问是整个牛顿力学体系的核心。研究者也非常关注对牛顿运动定律的考察。Halloun和Hestenes(1985)在前人研究的基础上设计了力的诊断测试量表(Mechanics Diagnostictest，简称MD)，其主要作用是全面、系统的考察学生对牛顿力学概念的定性理解，并不涉及公式运算。早期的MD是开放性问题，要求学生写出答案及其原因，然后研究者对错误答案及原因进行总结、归纳、分类，并最终使其成为MD选择题的一些选项，其实这些错误答案是学生前概念最真实的反映。所谓前概念(preconception)是指学生长期日常生活经验的积累以及辨别式学习而形成的对事物非本质的认识，也称相异概念或大众观念。Hestenes等人于1992年推出了MD的改进版：力的概念调查表(Force Concept lnventory，・简称FCl)，FCI共有29个题目(新版本有30题)，每个题目5个选项，其中有16个题目针对牛顿运动定律。Thornton和Sokoloff于1997年设计了力和运动概念评价量表(The Force And Motion Conceputal Evalution，简称FMCE)，相对于FCI，FMCE有几点变化：增加了题目，FMCE共有43个题目，其中有36个题目针对牛顿运动定律；每个题目有8个选项，减低了误选的可能性；增加了考察方式，有些题目以s-t、v-t、a-t图像方式呈现。

2.2.1 牛顿第一定律的研究

Clement于1982设计了三个问题，分别是：单摆问题、抛硬币问题、火箭轨迹问题，这些题目经过修改后被FCI所采用。它们只是定量地考察学生，并不涉及公式运用及数学计算。其中抛硬币问题极具代表性，实验要求被试在忽略空气阻力条件下，用箭头表示硬币被抛向空中时，上升和下落阶段各自的受力情况。研究发现“运动意味着力”这一与牛顿第一定律相矛盾的前概念广泛存在于学生头脑中，其主要表现集中在以下两个方面：(1)运动方向上肯定有力的存在，有些学生认为上抛的硬币受到两个力：一个是重力，一个是抛力。上抛时抛力大于重力，下降时重力大于抛力；(2)随着速度的变化，力是会“耗散”或者“恢复”的，有些学生认为力开始作用的瞬间很“强”(当它离开手时)，它随着球的上升而逐渐减弱，运动停止时(瞬间)，力也就消失了，然后引力使球降落。

2.2.2 牛顿第二定律的研究

FCI对于牛顿第二定律的考察，不是局限于学生对于公式F=ma的记忆，更重要的是考察学生在具体情景中的应用。如：一女士以恒定的的力推一个箱子，箱子以恒定速率V在水平地板上运动，当该女士用两倍的水平推力推箱子，则箱子会怎样运动?在测试中发现很多学生认为箱子将会以2V的速率运动，即速度和施加的力成正比。这主要是由日常生活经验造成的，即“越用力推物体，物体就走得越快”，使得学生特别容易混淆速度与加速度的概念。

2.2.3 牛顿第三定律的研究

FCI和FMCE的量表中有很多碰撞类的题目考察学生对于牛顿第三定律的理解，可归结为以下三种类型：第一、一辆大卡车和一辆小汽车相互碰撞，它们之间相互作用力的大小；第二、小汽车推着熄火的大卡车向前加速或匀速运动时，它们之间相互作用力的大小；第三、两个质量不一样的人坐在椅子上，然后各自朝对方的椅子用力，在推椅子的动作进行及两学生仍然接触期间，它们之间相互作用力的大小。学生的错误理解可以总结和归纳为两个方面：(1) “冲突原则”，学生把相互作用力看成是“两个相反力的斗争”，且越有力的物体施加的力越大，这里“越有力”可以看作“体积越大”“质量越大”或者“更积极”。(2)力的叠加与作用力、反作用力相混淆，尤其在第二类题目中，很多学生认为：“小汽车推着大卡车加速运动，那么小汽车对大客车施加的力肯定大于大卡车对小汽车施加的力。”

2.3 运动的合成与分解

平抛运动是牛顿力学中最重要的一种曲线运动模型，对平抛运动的研究方法是运动合成与分解的典范，因此通过对学生平抛运动理解的考察，可以了解学生对于运动的合成与分解的掌握情况。FCI中考察学生对于平抛运动理解的题目主要有两类：

(1)常规平抛运动：不考虑空气阻力，正在飞行中的飞机丢下物体的运动轨迹。学生错误理解主要有以下两个方面：(1)参考系选择错误，有些学生选择了从飞机上观察小球运动；(2)没有建立惯性的概念，有些学生认为小球离开飞机就没有水平速度了。

(2)类平抛运动，如下题：

一枚火箭在外部空间由“a”点横向漂移至“b”点。该火箭不受任何外力作用。在“b”点时，火箭的引擎发动并产生一恒定的推力(作用在火箭上的推力)，方向与直线“ab”成直角。该恒定推力一直保持到空间中一位置“c”(图1)。问下列哪一路径最能表示火箭在“b”与“c”间的路径?(图2)

类平抛运动的理解需要以平抛运动作为基础，因此学生的错误率比较高。选择错误答案的原因主要集中在以下几个方面：(1)A选项，力具有“耗散性”：力刚开始很大，则物体的运动轨迹就靠近力的方向，随着力逐渐减小，物体的运动就偏向水平方向；(2)B选项，“最后的力决定运动”：物体只受到一个力的作用，那么物体就会沿着所受力方向运动；(3)C选项，没有区分“持续力”和“瞬时力”；(3)D选项，“力具有延迟性”：施加的恒定推力会在水平运动一段时间后才显现出来。

2.4 重力概念的研究

Watts（1982)通过访谈一些中学生，发现了学生关于重力的几个错误概念：(1)重力的作用需要媒介；(2)没有空气的地方就没有重力：(3)重力随着高度增加而增加；(4)重力从物体下落时开始对物体作用，当物体静止在地面上时，就没有重力；(5)物体越重下落越快。研究表明随着年龄的增大，知识的积累，学生持有这些错误概念的比例不断降低。然而这些错误概念真的已经被转变了，还只是被隐藏起来了?FCI中为了考察学生对于“忽略空气阻力，轻重物体下落速度一样”这一概念的理解，重现了伽利略的比萨斜塔实验：“忽略空气阻力情况下，轻重两个小球从同样高度落下，是否同时落地?”，同时从不同的角度提出了新的问题：“让这两个小球以同样的速度从水平桌面上滚下去，它们落地点离桌底的距离之间关系”。两个问题的正确率有着天壤之别，第一个题目正确率非常高，而在第二个题目中，很多学生认为重的物体落地点离桌底远，甚至有学生认为其距离与质量成正比。看来，“物体越重下落越快”这个自亚里士多德开始数千年被人们信奉为“真理”的误解，今天仍然普遍隐藏在学生的头脑中。

3 国外学生力学概念研究的结果

3.1 前概念、相异概念广泛存在于学生头脑中，并严重影响物理概念的学习

大量研究发现，学生或许可以熟记许多科学名词、科学事实、科学理论等，但是对于这些名词、事实、理论和概念并没有真正理解，这是由于学生在学习物理之前，通过日常生活的种种渠道和自身的实践，对客观世界中的各种实物己形成了前概念。Heuvelen(1991)认为“拥有前概念的学生，他们看到的只是弹簧、绳子、斜面、滑车等问题中的实物，而不能像物理学家那样看到问题背后的物理概念。由于不能对问题进行定量的分析，更不用说把物理过程用数学公式表达出来，学生只好不停的使用公式”。Hestenes、Wells(1992)等人也意识到“学生很多关于力学方面的前概念与牛顿力学概念是相矛盾的，这些前概念的存在使得学生听不懂物理课，从而导致他们强行记忆一些没有关联的片段，做着没有意义的作业，所以很多学生有厌学情绪”。

3.2 前概念与科学概念并存于学生的头脑中

有研究者做了这样的实验：一个有点像干冰气垫器的那样圆盘，在几乎是无摩擦的玻璃台面上不停的运动。通过软管打进空气，打进空气的数量和方向可由键盘控制。然后要求学生用这种盘――桌――管装置模拟电子游戏机进行比赛：“使圆盘在桌面上以稳定的速度沿直线运动――圆盘出发后不加速也不减速”。测试的对象是即将进入名牌大学就读的优秀高中毕业生。很多被测在实验中为了维持圆盘的运动都在不停的按着键盘，但在游戏后的访谈中发现大部分的被试都知道圆盘的运动不需要力的维持。这说明学生解决问题存在两种水平，在直觉判断上使用错误概念，而在逻辑推理水平上使用正确的概念体系，即在学生头脑中存在两套系统并存的情况。Goldberg和Bendall(1995)认为：“传统教学中，学生都把记忆性的、以公式为中心的问题解决方法作为学习物理的正统工具，他们缺少面对陌生环境利用所学的概念和定律进行推理的能力。因为他们的知识只是由零散的、少量的事实和公式组成，当遇到陌生的环境时，学生外显的还是他们的前概念。”

3.3 传统教学很难转变学生的前概念，需要新的教学策略

Hestenes、Wells等(1992)对传统讲座教学方式下1500多名中学生以及500多名大学生进行了FCI测试，发现学生前后测试的分数提高并不明显，同时还发现：前概念的转变与学生的数学基础没有明显关系，所在测试班级教师水平(达到合格以上)与测试的结果也没有必然的联系。有研究甚至发现，传统教学之前有34．9％的学生认为恒定的力产生恒定的速度，但是学完课程后这部分的人数却增加到了59．9％，也就是说，传统教学没有帮助学生理解概念，反而起了反作用。

国外研究者认为：“尽管教育者目前对于学生在各个学术和非学术领域所拥有的前概念知识以及怎样在教学中与这些知识互动已经有了很多好的想法，但是，研究表明这些已有的概念在传统教学中很难发生改变。这些研究发现向我们揭示了一个令人失望的局面，也就是说教学常常不能使学生放弃原有的知识、观念而形成我们期望他们具备的知识。这一结果对教学的理论和实践都提出了挑战，促进我们重新评定教学目标、设计新的教学策略”。有研究发现：“体验到认知冲突是影响概念转变的重要因素”，因此有效的概念教学必须要让学生产生认知冲突：首先创设一定的情境，使学生对一些现象所持的观念明朗化，然后直接对其进行挑战，从而引起认知冲突，解决冲突的尝试为随后的学习提供前提。同时有研究者认为：“当力学的精确数学表达式被看作教学唯一重点时，公式的死记硬背式学习就常常取代了对概念的理解，最好的预防措施就是教没有数学的物理，至少在教学过程的初期应这样”。

参考文献：

［1］阎金铎，田世昆．中学物理教学概论［M］．北京：高等教育出版社．2003，94．

［2］LA．Halloun,D．Hestenes．The initionkno wledge state of college physics students［J］．Am．J．Phys,1985，53(11)：1043-1048．

［3］D．Hestenes，M．WeHs,G．Swackhamer．Force Concept lnventory［J］．The Physics Teacher，1992，3(30)：141-158．

［4］R．K.ThorntonandD．R．Sokoloff．“Assessing student learning of Newton’slaws：The forceand motion conceputal evalution and the evaluation Of active learning laboratory and lecturecurricula”［J］．Am．［J］.Phys，1998，66(4)：338-351．

［5］J．Clement．students' preconception in introductory mechanics ［J］．Am．J．Phys，1982，50(1)：66-71．

［6］D．M．Watts．Gravity don’t take it for grantedI［J］．Phys Educ，1982,17：116-121．

［7］]A．V．Heuvelen，・Learning to think like aphysicist：A review of research-based instructionalstrategies［J］.Am．J．Phys，1991，59(10)：891-897．

［8］罗莎林德．德赖弗等著，胡诊林，义译．科学概念――学生是怎样理解的［M］．河南：河南教育出版社．1985，99―107．

［9］F．Goldberg，S・Bendall．Making the invisible visible ［J］．Am．J．Phys，1995，63(11)：978-990．

［10］从立新，史磊，吕旭其．物理前概念及干预教学实验研究总报告 ［J］．教育研究与实验，2007，(2)：60―63．