中学物理概念教学研究综述

李 桢 董 慧

(1. 郑州师范学院物理电子工程学院，河南 郑州 450000;2. 陕西师范大学教育学部，陕西 西安 710000)

1 引言

物理概念在物理学习中有着非常重要的地位，也是学生学习的难点，因此物理概念教学一直是国内外学者研究的主题。笔者借助CNKI数据库,检索了近31年(1990—2020年)的“物理概念教学”为主题词的所有文献，共搜索到7102篇论文,从数量变化趋势看，多年来一直是研究的热点，且持续升温，在2013年达到峰值，最近几年略有下降(图1)。说明物理概念教学研究已取得丰硕成果，但在教学实践中仍存在很多有待解决的问题,“这些成果与一线教学实践之间存在怎样的鸿沟”“该话题还能否、怎样继续深入研究”是值得研究的问题。

图1

2 物理概念教学的涵义

物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人脑中的反映,是对客观事物的抽象,是观察、实验和思维相结合的产物。物理概念教学指教师在了解学生已有学习情况的基础上,根据课程标准要求、物理概念的特点、学生形成概念的认知特点等因素设计并完成课堂教学的过程。其内涵主要体现在学生的“学”上,即学生在已有认知的基础上,在大脑中形成新的概念结构,该结构包括物理概念的内容和建立过程。其内容与物理概念的意义、内涵、外延、关联四个维度相关，概念建构过程表现在两个方面:一是学习主体对物理概念的心理表征,二是心理表征形成的过程(先后顺序),可将其外显化,用于物理概念建构过程的评价。

3 物理概念教学的相关研究

3.1 物理概念教学的发展研究

从20世纪70年代起,西方教育领域兴起了概念教学研究的热潮,主要集中于对学生前概念诊断及概念转变的研究，随后中国物理教育学者也不断深入探讨物理概念教学问题，早在30年前,王沛清先生曾在《物理概念教学》中就系统介绍了物理概念教学。闫金铎先生也在《中学物理教材教法》中写道：“讲清物理概念和规律”。之后,越来越多的学者进行了更全面、深入的研究,研究内容十分广泛,涉及物理学科的各个部分,如概念教学的要求、过程、方法、模式、效果等。[1]

3.1.1 研究对象和内容的拓展

20世纪80年代,美国的物理教育研究者开始了物理概念教学研究,如:Hestenes、Wells(1992)等人开发了力学测量量表(FCI),[2]并开展了学生对物理概念理解的实践研究,内容涉及力、运动、能量、光、热、温度和简单电路等概念,主要研究前概念及其对物理概念教学产生的影响,研究传统教学与物理概念掌握的关系等。

物理概念教学研究历经几十年的发展,其研究对象涉及各个层面的学生，内容涵盖了物理学科的各个方面，研究技术在不断完善, 从最初的零散测试到系统量表诊断,从访谈到量表测试,从纸质量表到网络技术的利用,从实验呈现到计算机虚拟实验创设问题情景，其主要研究结果也被广大教育工作者所接受, 如:通过“创设情景—引起认知冲突—解决冲突”的前概念转变的教学策略被推广应用。[3]

3.1.2 研究方法发展的四个阶段

第一阶段主要是探明学生对物理概念本质的理解，不涉及公式运用及数学计算,因为研究者认为：“定量计算会掩盖学生对概念内涵的理解”,[4]研究方法以访谈为主。如Clement(1980)研究学生对“力和运动的关系”的理解,在课前要求150名大学一年级学生针对单摆、抛硬币、火箭等3个问题,画出物体运动到某一点时的受力情况,后又访谈18名学生,确定了学生理解所存在的问题,总结出“运动需要力来维持”这种错误观点的具体特征。这项研究不但测试出了学生有关“力和运动关系”的前概念,还细致地总结出前概念的表现特征。后来,Clement为了进一步研究课堂教学对前概念转变的影响,又对学习过该内容的大二学生进行测试与访谈,发现效果并不明显,学生的这种前概念仍然存在。因此,他认为对于大多数学生而言,“运动需要力来维持”这个错误观点是很难转变的,传统的讲座式教学方式不能将其转变,学生之间的争论对其有帮助,建议使用创新教育技术。

第二阶段主要是物理概念诊断量表的设计和使用。随着研究的逐渐深入,研究者发现少量、零散的问题无法全面有效地考查学生对于物理概念的理解情况,于是Halloun和Hestenes(1985)设计了力的诊断测试量表(Mathematics Diagnostic Test,简称MD),[5]用于对牛顿力学概念理解的考查,早期的MD量表是开放性的,即要求被测试者写出答案和推理过程。1992年Hestenes、 Wellshe和Swackhamer研究出了MD的改进版—力的概念调查表(Force Concept Inventory,简称FCI),[2]FCI把MD的问答题改为选择题,共有29道题,每道题有5个选项,只有一个正确答案,与MD相比,它可以更方便、全面地考查学生对于力学概念的理解。Thornton和Sokoloff为了提高学生选择正确答案的概率,设计了力和运动概念评价量表(The Force And Motion Conceptual Evaluation,简称FMCE),[6]FMCE共有43道选择题,每道题有8个选项,只有一个正确答案,这样增大了考查的范围.在力学概念量表快速发展的同时,研究者也开始了其他主题量表的设计, 2001年Maloney等人结合电学和磁学评价量表,设计了电磁学概念调查表(Conceptual Survey of Electricity and Magnetism,简称CSEM),[7]CSEM共有23道选择题,每道题有5个选项,旨在评估学生对电磁学主题知识的理解。

第三阶段是基于二元概念认知量表的测试。随着概念量表的广泛使用,研究者发现仅以选择题形式的量表不能显示学生的推理过程。为此,量表测试需结合访谈技术,然而访谈过于繁琐,需要耗费大量的时间和精力,且实施范围较小,于是在1995年,Odom和Barrow设计了二元认知量表(Two-Tier Diagnosis),该量表的每一道题都有两部分组成,一是四个选项的单项选择，二是选择该选项的理由。只有两者都正确了,才可认为学生真正掌握了该概念。二元认知量表有效地克服了传统量表和访谈的缺陷,使学生的推理过程外显化。[3]

第四阶段是将计算机技术广泛应用于学生物理概念学习的研究中。主要被运用在物理问题场景的创设和对学生概念理解的考查中,利用电脑软件测量、分析学生对物理概念的理解。如Thornton在主动学习策略的研究性课程中,使用MBL电脑工具,这些工具包括“运动和力的科学思维”和实时力学实验课程,测试结果显示：在这两种情况下概念学习效果有显著改善。[8]

3.2 国内外物理概念教学的实践研究

3.2.1 研究的具体性与实用性

物理概念教学实践一直以来备受国外学者的重视,如在国外的《The Physics Teacher》 《American Association of Physics Teachers》 《Am. J. Phys》《Physics Today》等杂志中,收录了很多相关文章,多是以概念转变理论为基础,诊断前概念为前提,针对存在的问题有针对性地设计课堂教学,比较注重实验研究,而且实验过程非常科学,近几年对“元概念干预教学”研究也有突出的成果，如Chinyere的工作。[9]除此之外,有许多研究采用教学实验的方式,从某一概念的教学方式给出自己独特的见解,比如Reichert采用模型建构方法,用清晰的图示和形象的实例,针对摩擦力的产生条件、方向的判断、大小的计算等提出了独特的见解。[10]

国内的物理概念教学实践研究主要是从不同的角度选择理论基础,结合学生的概念学习现状、概念特征等因素,建构物理概念的教学模式,并选择典型的物理概念,进行教学实验研究，以完善其教学模式(表1)。

表1

国内的物理概念教学实践研究方法大致分为三类:一是先测出相关物理概念的前概念,依据前概念和相关理论建构教学模型或提出教学策略,实施教学实验。二是通过调查学生和访谈教师获得影响概念(包括前概念)形成的因素,再依据相关理论建构教学模型,实施教学实验。邱洁通过对初中生及物理教师的问卷调查,总结了影响力学概念教学效果的三个因素(前概念的影响、学生和教师),从概念教学的过程、引入方法及难点的突破方法等方面提出教学策略,初步建构概念教学的模式,并应用于实践。[1]三是课后弥补,通过评价的方式,了解学生对本节概念的掌握情况,采用“矫正复习课”的形式,提出相关教学策略并实施。田烨关注学困生和学习难点,对力学重要概念进行问卷调查,找出学习难点,以布鲁姆掌握学习理论为指导,针对学困生设计突破难点的教学并进行教学实验,取得良好的效果。[18]

4 对物理概念教学研究的分析与反思

4.1 物理概念教学的研究成果

物理概念教学研究伴随着教育的发展,任何时期都是教学研究的重点,也已取得丰硕成果,具体表现在三个方面:(1) 前概念存在于学生的头脑中，并严重影响学生对科学概念的理解；(2) 传统的教学方式很难改变学生的前概念；(3) 运用基于“小组合作互动”和“电脑技术互动”的教学模式，可有效转变错误前概念。

4.2 关于物理概念教学的重要观点

在目前物理概念教学的实践研究中,基本都是采用前概念诊断量表,探明学生的前概念,基于物理概念学习的四个阶段(感知——思维加工——概念形成——概念巩固),从不同视角采取相应的教学手段组织教学。具体有两种重要观点,一是认为有些前概念是错误的,科学概念的建构就是对前概念的转变,概念转变依据“概念替换理论模型”,教学的主要方式是引发“认知冲突”,通过同化、顺应建构新的认知结构。二是基于奥苏贝尔的先行组织教学理论,不突出前概念,选择合适的上位概念作为新旧知识之间联结的桥梁,相当于给“新概念”提供了正确的“前概念”,适合于没有前概念的情况。但根据建构主义理论,学生不是空着脑袋进教室的,在先前生活经验中早已积累了相关概念。持这种观点的学者认为：前概念必然存在,对新概念建构的影响或大或小,物理概念教学必须从“前概念”入手。

5 未来研究展望

5.1 突出“科学思维方法”在物理概念教学中的重要地位

物理概念教学的主要目的是促进学生深入理解概念的内涵,并能够灵活运用、解决问题,为后续的学习奠定基础。而物理概念的形成是一个极其复杂的过程,乔际平指出：为使学生形成物理概念,就要引导学生通过科学的思维,即运用比较、分析、综合、判断、推理、想象等方法,排除各种非本质的干扰,掌握物理现象的本质特征。[19]田世昆、胡卫平明确提出：任何物理概念的形成都离不开科学思维。[20]这些观点都充分体现了科学思维方法在物理概念建构过程中的重要性。然而,在已有相关研究中,没有体现出科学思维方法的突出地位,也没有学者从科学思维方法的角度研究物理概念教学。因此,在物理概念教学中,突出科学思维方法,将其外显化,以科学思维方法为中心建构物理概念教学模式。

5.2 加强对前概念调查、诊断的实践研究

物理前概念对学生学习科学概念非常重要,错误的前概念会严重影响学生对科学概念的学习效果。因此,对前概念的准确诊断是概念教学的第一步,然而据调查,一线教师由于时间有限等原因很少对前概念进行专门的诊断,这样势必会影响教师对学生前概念的准确把握,影响教师的课堂教学设计.因此,加强对前概念的精准调查、诊断的实践研究,可以帮助一线教师准确掌握学生前概念的状况。