中學物理實驗認知過程的探討

231500     安徽省廬江二中   束義福

摘要  本文運用現(xiàn)代認知心理學的理論，分析了中學實驗物理教學過程中的觀察和實驗作用于學生認知過程的特點，對改進實驗教學有一定的參考價值。

關鍵詞  中學物理實驗   認知過程  探討

實驗教學是中學物理教學過程的基本形式，整個物理教學過程中必須以實驗為基礎。就當前物理教學改革的情況來看，實驗教學仍然是一個十分薄弱的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)僅從教學論的角度，談談觀察和實驗作用于學生認知過程的特點，以提高對實驗教學重要性的一個方面認識。

現(xiàn)代認知心理學的基本理論，對于物理教學具有指導意義。關于學習，當然包括實驗的學習，認為學習就是學習者認知結構的同化和順應過程。所謂認知結構，就是學生頭腦里的知識結構。學生原有認知結構主要有兩個方面，一是“前科學概念”，二是已經(jīng)學過的理解了的科學知識。教師的責任是從學生的認知結構中尋找是否有起固定作用的觀念可以利用來同化新知識；分析新的學習任務能否同學生認知結構中原有的觀念清楚地分辨的程度；分析原有的起固定作用的觀念的穩(wěn)定性和清晰性。從而為轉化和建立學生良好的認知結構而教，為遷移而教。因此，教師在實驗教學中的主導作用是“引導”和“轉化”。通過實驗教學把人類早已定論的物理知識結構，引導和轉化為學生的認知結構；把學生學到的知識，運用典型的方法經(jīng)過訓練轉化成為學生的能力。實現(xiàn)這些轉化的基礎是觀察和實驗。

科學的觀察是有目的，有計劃地通過人的感覺器官或使用科學儀器了解周圍環(huán)境、事物和現(xiàn)象的一種知覺過程。因此，觀察是有意知覺的高級形式。按照觀察的條件不同，可分自然觀察和實驗觀察。自然觀察是在自然的條件下進行的；實驗觀察是在人為的控制的實驗室條件下進行的。在物理教學中，更多的是引導學生進行實驗觀察（簡稱為觀察），學生觀察的方式，有對演示實驗的觀察和學生自己動手實驗觀察。學生自己動手實驗觀察可在學生分組實驗、邊教邊實驗和課外物理實驗中進行。

觀察對認知轉化，一般情況下有四個階段，即對新的物理現(xiàn)象開始觀察階段；興趣和思考階段；學生親自實驗觀察階段；運用知識解釋現(xiàn)象和分析解決問題階段。

1、對新的物理現(xiàn)象開始觀察階段

教師在展示物理現(xiàn)象之前，向學生介紹實驗的設備和實驗觀察的目的時，學生總是用“前科學概念”來觀察物理現(xiàn)象。所謂前科學概念，主要指那些在學生原有的經(jīng)驗中已經(jīng)有了較長的發(fā)展歷史，并形成了系統(tǒng)的但非科學的觀念。例如自由落體，教師展示同樣大小光滑的鐵球和木球，問從三樓同時同水平松手落下，是否同時落地？有人作了估計，大約90%的學生認為鐵球比木球落得更快，典型的回答是：“鐵比木頭重”或“鐵更趨于落向地球”。接著教師又展示鐵塊與雞毛同時落下的問題，學生不以為然地回答：“鐵塊重，雞毛輕，當然鐵塊先落地?！焙苊黠@，教師是有意識地強化了學生的前科學概念。古代亞里斯多德的思想，即重物下落得快與物歸自然位置的概念在學生學習中起著支配作用。又如慣性的概念，“力是維持運動的原因”觀念，也是學生生活經(jīng)驗中“真正理解”得來的，因為它可以解釋許多現(xiàn)象。當教師通過演示，如用手拋出的物體，解釋物體離開手后仍在運動時，學生卻認為物體被“注入”了一種力在起作用，可見學生中的前科學概念有時非常難以轉化。

2、興趣和思考階段

教師設計演示的物理現(xiàn)象與學生的前科學觀念發(fā)生沖突和危機，即當前面臨的現(xiàn)實與學生原有的觀念產(chǎn)生無法調(diào)和的矛盾，使舊的認知結構產(chǎn)生動搖，新的認知結構開始建立，從好奇而激發(fā)了極大的興趣，并引起思考（思維）。

教師在理解了這一認知規(guī)律之后，應該設計演示真實的、排除次要因素干擾的，突出物理現(xiàn)象本質的實驗，使展示的現(xiàn)象與學生的前科學概念發(fā)生沖突。讓學生處于“意想不到”，制造“矛盾的學習情景”中述自由落體實驗中，教師首先把雞毛和鐵塊放入牛頓管，當場抽真空，然后再演示，學生觀后驚嘆不己。然后，將同樣大小的鐵球和木球從三樓同時松手落下，結果也是同時落地。在鐵一般的事實面前，學生才接受了教師的解釋。從而闡述伽里略關于自由落體是勻加速運動，其加速度與物體本身的重量無關的科學論斷，并為學生所接受。

在教學演示中，教師可以設計一些學生好奇、驚險的實驗，使學生產(chǎn)生濃厚的興趣。這些設計的思想是建立在教師對學生“前科學概念”的診斷、識別和促使認知結構轉化心理機制的基礎上。例如：用酒精燈燒試管上端，水面沸騰了，下端的小魚不死。學生前認為水開了，小魚該死；銅棒上纏繞的棉紗線不會被燒斷，學生前認為棉紗線該燒斷；紙鍋可以把水燒開而紙鍋不會被燒破，學生前認為紙應該被火燒破；教師用大鐵球演示陰尼振動，將繩子拴住大鐵球，吊在天花板上，然后教師把大鐵球從平衡位置拉到鼻尖邊。放手后，當鐵球擺回來時，全體學生驚呼，有的甚至高喊“快讓開！”“快跑掉！”然而，說時遲，那時快，大鐵球在鼻子前又擺回去了，虛驚一場。這是較典型的驚險的實驗。“興趣是最好的老師”。興趣是特殊的認知傾向，帶有濃厚的情感色彩。實驗所引起的興趣屬直接興趣，對啟蒙教學中認知結構的轉化有著特殊作用。

3、學生親自實驗觀察階段

學生在觀察了教師的演示實驗后，也激發(fā)了操作興趣。強烈需求親自動手實驗以進一步觀察、驗證和探索。教師要千方百計創(chuàng)造條件，以各種形式多讓學生親自做實驗并指導觀察和實驗方法。如邊教邊實驗，分組學生實驗，回家小制作、小實驗及課外物理實驗等。學生在親自獲得實驗現(xiàn)象和實驗的成功中感到心理上的滿足，起到新概念的穩(wěn)定和清晰作用。

4、運用知識解釋現(xiàn)象和分析解決問題階段

學生經(jīng)過觀察和實驗所形成的新認知結構中的觀念與原有的觀念清楚的分辨程度影響著有意義學習與保持。由于學生年齡和心理的特點，運用已學知識解釋現(xiàn)象和分析解決問題時，前科學概念或已學知識的負遷移表現(xiàn)了很大的頑固性。特別是使得觀察和解釋那些需要真正理解的問題時，學生往往仍然憑自己的觀念行事，造成學習思維障礙。解決這類問題，教師應具體分析，搞清是心理障礙還是知識障礙。在分析的基礎上，提供運用知識解決問題的感性材料要多樣化，不斷變換呈現(xiàn)方式，以突出本質屬性，才能鞏固新建立的認知結構。

例如在學生學完“浮力”一章后，演示并提出以下問題；（1）同一個雞蛋放在甲杯液體中時，它在液體中懸浮，把它放在乙杯液體中，它漂浮在液面上，問雞蛋在哪種液體中受到的浮力大？學生認為在甲杯中所受到的浮力大。因為排開液體的體積大。錯誤的原因，從心理因素分析，就是忽視了隱蔽的因素“同一個雞蛋”和“液體的密度不同”；從認知上分析，原認知結構中二力平衡的知識理解和掌握不穩(wěn)定。（2）把質量相等的木塊和鐵塊放在水中，當它們靜止后，誰的浮力大？學生往往認為木塊受到的浮力大。雖然學生的結論是正確的，但根據(jù)是錯誤的，分析也是錯誤的。因忽視了木塊漂浮，鐵塊沉在水底的條件，都作為全浸在水里來處理。（3）物體在水中的不同深處受到的浮力大小是否相同？學生認為越深處浮力越大。產(chǎn)生錯誤的原因，在知識上學生認知結構中原有的觀念分辨程度不好，即浮力產(chǎn)生與液體內(nèi)部強有關，而液體內(nèi)部壓強又與液體深度成正比，因此認為浮力大小也跟深度有關系；從心理上看，總是從表象聯(lián)系來認識事物，認為一個木塊浮在水面上要想使它沉下去手必須用很大的力量，手放后木塊就浮起來了。教師還可以出一些變式問題，如既考慮到懸浮在不同深度，又考慮到和容器底緊密接觸；既考慮到液體，又考慮到氣體等等。

科學的觀察還要防止和克服觀察的主觀性。在教學中，經(jīng)常碰到這樣的現(xiàn)象，幾個學生用同一儀器測量同一個物理量，答案幾乎都不相同。在實驗觀察中主觀性的原因較多，較為顯著的原因是先入為主、假像與錯覺。

先入為主，使觀察者以已有的知識去填補空白，使觀察到的新的事物納入自己的理論和愿望之中，導致觀察的主觀性錯誤。先入為主來自兩個方面，即來自學習新知識前的所謂“前科學概念”，還來自以前已學物理知識的負遷移。例如高中學生對自感現(xiàn)象的觀察。自感現(xiàn)象的本質特征，應該表現(xiàn)為一種電流變化過程的延緩，即電流不可突變，教師在演示圖1裝置，當斷開開頭K，燈泡A在明亮的一閃后，熄滅，觀察不出持續(xù)一段時間慢慢熄滅的現(xiàn)象。這一閃亮，學生運用先入為主的前知識，不顧條件地去填被自感現(xiàn)象解釋空白。在學習自感以前，學生學過電磁感應的有磁內(nèi)容，已有了自己的觀念。如根據(jù)楞次定律，感生電流的磁通總是要阻礙原來磁通的減小或增大。因此，當原磁通減小時，就會產(chǎn)生一個感生電流的磁通，阻礙其減小，結果與原磁通疊加，使磁通突然增加；又運用部分電路歐姆定律，用到非純電阻場合，對一段電路，認為其兩端所加的電壓越高，則電流越大。學生就是因為此“先入為主”的觀念，很自然的認為此時燈泡A和線圈兩端的電壓很高，因而通過線圈的電流也很大。盡管教師解釋，燈泡明亮一下，只說明通過燈泡的電流超過了原來的值，但仍難以理解。接著教師又設計了圖2、圖3進行演示，有針對性地解決了問題。因此，認真分析學生“先入為主”的觀念（包括前科學概念和前知識）。通過實驗才能促使向科學概念轉化。這是物理教學過程中觀念的實驗的獨特作用。

假像也能造成觀察的主觀性錯誤。例如上述自感現(xiàn)象中燈泡A的閃亮現(xiàn)象以及前敘的自由落體演示雞毛與鐵塊在空氣中不能同時落地所造成的假象等。

錯覺是人對物理現(xiàn)象不正確知覺，是對客觀事物歪曲的反映。產(chǎn)生的原因有心理的、有生理的。有觀察大小的錯覺，方法的錯覺，運動的錯覺和時間的錯覺等。例如，觀察大小的錯覺。學生立在平面鏡前，然后慢慢地后退，問像的大小有什么變化？全班38%的學生認為平面鏡中的像越來越小。因為觀察者直接觀察自己的像，由于視角減小，就造成了大小錯覺。如果教師掌握這種情況，引導學生操作表象，在頭腦中畫出平面鏡成像圖，正確的答案就出來了。

總之，學生從觀察實驗到親自動手做實驗，將獲得的知識再回到實踐中、去觀察分析，為后續(xù)學習作準備，物理教學過程中就是以實驗為中心不斷開展和進行的。觀察和實驗是學生認知結構轉化的基礎，因此重視物理實驗教學，充分借助和發(fā)揮實驗產(chǎn)生的積極心理轉化和強化作用，才能使物理教學過程符合認知規(guī)律。

參考文獻

閻金鐸、田世昆主編   中學物理教學概論   高等教育出版社   1991

閻金鐸、梁樹森著   《物理學習論》  廣西教育出版社    1999.3

束義福  演示實驗的講解       《中學物理教學參考》    1998.3。

束義福  談演示實驗的作用、要求及失誤的處  《實驗教學與儀器》 2004.4

231500     安徽省廬江二中    束義福

作者簡介：

束義福、男、畢業(yè)于安徽師范大學物理系。中學高級教師、特級教師。中國物理學會會員。中國教育學會物理教學研究會會員。中國發(fā)明學會會員。東方書畫藝術學會理事。巢湖市中學高級教師職務評審委員會委員。中國管理科學研究院學術委員會特約研究員。

在《物理教學》、《物理通報》等二十多家省級、國家級CN報刊上發(fā)表文章200多篇，有的被中國人民大學書報資料復印中心全文收錄。參編、主編教科研論著及教輔用書9部。多項成果獲省級獎和國家專利。

安徽省特級教師。獲“中國素質教育科研之星”獎章。獲“巢湖市專業(yè)技術拔尖人才” 稱號。獲“全國優(yōu)秀教師”稱號并獎章。享受國務院特殊津貼。