初中生對簡單電路的錯(cuò)誤前概念及其糾正的研究

鄭思齊 朱艷梅

(東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 南京 210096)

1 引言

電學(xué)知識(shí)是初中物理學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)，其中簡單電路是電學(xué)的一個(gè)重要組成部分，也是歷年中考的重點(diǎn)考察內(nèi)容.準(zhǔn)確理解簡單電路概念將為后續(xù)物理課程的學(xué)習(xí)提供必要的基礎(chǔ).教學(xué)實(shí)踐與研究表明，學(xué)生在進(jìn)行系統(tǒng)的電學(xué)學(xué)習(xí)之前，他們已經(jīng)在某些日常生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成了自己對電學(xué)概念的理解，即前概念.前概念是前科學(xué)概念的簡稱，它是指個(gè)體在沒有接受正式的科學(xué)概念教育之前，對日常生活中所感知的現(xiàn)象，通過長期的經(jīng)驗(yàn)積累與辨別式學(xué)習(xí)而形成的對事物的非本質(zhì)的認(rèn)識(shí)[1].有些前概念是正確的,有些則是片面的，甚至是完全與科學(xué)概念相違背的.本研究中，我們將與科學(xué)概念相違背的前概念定義為錯(cuò)誤前概念.

國外對電學(xué)前概念的研究起步較早、水平較高.研究內(nèi)容主要涉及電學(xué)概念的理解、電學(xué)概念的思維模型和概念轉(zhuǎn)變方法等方面.Harcharan Pardhan(2001)研究發(fā)現(xiàn)，成人和學(xué)生都存在著電學(xué)前概念.各級科學(xué)教師也不例外，他們存在與學(xué)生相似的前概念.此項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，很多人能用口頭語言準(zhǔn)確地表達(dá)電學(xué)概念，但在應(yīng)用概念時(shí)存在困難.究其原因，是沒有真正理解電學(xué)概念的含義和物理思想[2].該情況表明，學(xué)生在考試中取得優(yōu)異成績也不足以證明其真正理解了科學(xué)概念.前人研究也揭示了中學(xué)生在電學(xué)學(xué)習(xí)中存在的困難及可能原因，例如，David Shipstone(2002)研究認(rèn)為，電路教學(xué)中所使用的燈泡可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在建立電路概念時(shí)出現(xiàn)困難[3]；Laurent Liegeois(2002)研究發(fā)現(xiàn)，在U=IR的關(guān)系式中理解電阻的含義，學(xué)生很難真正掌握電阻概念.當(dāng)需要同時(shí)考慮電阻、電流和電壓三者之間關(guān)系時(shí)，中學(xué)生常感到困難[4].

國內(nèi)對電學(xué)前概念的研究起步較晚，且主要在國外研究基礎(chǔ)上進(jìn)行.集中在簡單電路方面的研究很少，主要分為以下3個(gè)方面：一是對學(xué)生存在潛在錯(cuò)誤概念的現(xiàn)狀調(diào)查；二是對中學(xué)生電學(xué)教學(xué)的研究；三是對學(xué)生電學(xué)前概念轉(zhuǎn)變策略的研究.通過國內(nèi)文獻(xiàn)綜述，本研究發(fā)現(xiàn)，以學(xué)生解決實(shí)際問題的方式來調(diào)查學(xué)生電學(xué)前概念的研究相對較少.大部分研究僅調(diào)查出學(xué)生存在某類錯(cuò)誤前概念，但并未深入研究其具體分布.

本研究針對我國初中生對簡單電路中電學(xué)概念的認(rèn)知情況進(jìn)行了調(diào)查研究.旨在以解決實(shí)際問題的方式調(diào)查學(xué)生存在的錯(cuò)誤前概念.我們對結(jié)果進(jìn)行了深入分析，得出了初中生高頻呈現(xiàn)的錯(cuò)誤前概念.前人總結(jié)出的相關(guān)錯(cuò)誤前概念，本研究也對其是否會(huì)隨著時(shí)代發(fā)展而產(chǎn)生變化進(jìn)行了驗(yàn)證.

2 研究設(shè)計(jì)

本研究在文獻(xiàn)[2]、[3]研究基礎(chǔ)上，根據(jù)一線教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和專家意見，結(jié)合二段式測驗(yàn)兼具訪談和測驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，編制二段式調(diào)查問卷.問卷共9題，用于初中生對簡單電路實(shí)際認(rèn)知情況的調(diào)查，如表1所示.

表1 知識(shí)目標(biāo)及題目分布表

注：本調(diào)查問卷針對電路知識(shí)進(jìn)行學(xué)前測試，不涉及對電阻內(nèi)容的考察.

本研究以江蘇省太倉市某中學(xué)學(xué)生為調(diào)查對象.因簡單電路在初三上學(xué)期學(xué)習(xí)，故在初一初二中各隨機(jī)抽取2個(gè)班級共192名學(xué)生進(jìn)行測試.回收問卷157份，問卷有效率為81.77%.

3 結(jié)果與分析

3.1 簡單電路中影響燈泡亮度因素的錯(cuò)誤前概念

本研究主要評測在解決實(shí)際問題過程中，初中生如何調(diào)用他們已有的錯(cuò)誤前概念.我們通過學(xué)生選擇的答案以及給出的具體解釋，來分析在學(xué)生現(xiàn)有概念中燈泡亮度和哪些因素有關(guān)，以及學(xué)生呈現(xiàn)出的錯(cuò)誤前概念.

對學(xué)生的答案及解釋進(jìn)行歸納，總結(jié)出簡單電路中燈泡亮度的影響因素.如表2所示，有電流、電壓、電路狀態(tài)、燈泡規(guī)格等.由表2可知，電流部分呈現(xiàn)出錯(cuò)誤前概念的頻次相對較高，占概念出現(xiàn)總頻次的61.50%.電池提供電壓，有電壓才能產(chǎn)生電流.但在157名學(xué)生中僅有2名學(xué)生明確提出電壓的概念.很多學(xué)生都認(rèn)為電池越多燈泡亮度越亮，但絕大多數(shù)學(xué)生并不理解電壓與電流的關(guān)系.研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在電路狀態(tài)上所持認(rèn)知的錯(cuò)誤率也相對較高.從電學(xué)角度來說，燈泡規(guī)格相同是指燈泡的額定功率相同.部分學(xué)生對燈泡規(guī)格這一因素進(jìn)行了思考，但他們并不理解其具體內(nèi)涵.學(xué)生幾乎都是通過推理得出答案，這與相鳳華等人的研究結(jié)論相似.相鳳華等人研究發(fā)現(xiàn)，初中生在解決簡單電路問題的過程中明顯存在局部推理現(xiàn)象[4].

表2 簡單電路中影響燈泡亮度因素的錯(cuò)誤前概念

注：該表中涉及電流和電壓的錯(cuò)誤前概念有部分重合.

3.2 簡單電路中錯(cuò)誤前概念的具體分布

由表2可知，初中生在電流、電壓和電路狀態(tài)這3個(gè)電學(xué)領(lǐng)域中呈現(xiàn)出高頻率的錯(cuò)誤前概念.為了更明確該領(lǐng)域錯(cuò)誤前概念的分布情況，本研究對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，得到高頻率錯(cuò)誤前概念具體分布表，如表3所示.

表3 高頻率錯(cuò)誤前概念具體分布表

由表3可知，在電流概念中，在電流方向上錯(cuò)誤前概念呈現(xiàn)頻率為12.30%.其中有55.39%的初中生認(rèn)為“電流從電池的正負(fù)極同時(shí)發(fā)出，在燈泡處相碰”，學(xué)生持有的這一觀點(diǎn)符合Harcharan Pardhan(2001)研究得出的電流“碰撞模型”[1].在電流大小上錯(cuò)誤前概念出現(xiàn)頻率高達(dá)32.33%.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，其中51.68%學(xué)生將電池作為恒流源，他們認(rèn)為電池將電流均等分配給電路中的燈泡.這一研究結(jié)果和潘江洪(2002)等人研究結(jié)論相同，中學(xué)生持有“恒定電流源”模型[5]； 32.84%學(xué)生認(rèn)為導(dǎo)線會(huì)消耗電流，導(dǎo)線越長，電流消耗越多，如果串聯(lián)電路中不止一個(gè)燈泡，電流流經(jīng)第一個(gè)燈泡后會(huì)被消耗，流到下一個(gè)燈泡的電流會(huì)減弱.相鳳華等人研究發(fā)現(xiàn)，這一概念在國內(nèi)外學(xué)生中普遍存在[4].在電流速度上，學(xué)生認(rèn)為在串聯(lián)電路中燈泡亮起來有先后順序.部分學(xué)生選擇串聯(lián)電路中兩個(gè)燈泡同時(shí)亮，卻解釋道：“電流速度非?？?，和光速一樣快，快到人眼沒法區(qū)分哪個(gè)燈泡先亮，所以兩個(gè)燈泡一起亮.”由此可知，學(xué)生們在日常測試中選了正確答案得到了分?jǐn)?shù)，但這可能并不等于學(xué)生真正理解和掌握了科學(xué)概念.

表3顯示，在電壓概念中，電壓大小上錯(cuò)誤前概念出現(xiàn)頻率為18.64%.初中生認(rèn)為電池越多，電池提供的電荷量(或電力)越多，電流就越大，則燈泡越亮.從學(xué)生表述中發(fā)現(xiàn)，他們在系統(tǒng)學(xué)習(xí)前對電學(xué)知識(shí)有初步了解.學(xué)生知道電流、電壓、電荷量、電力等概念名稱，但并不理解概念的具體內(nèi)涵，對這些概念并無準(zhǔn)確認(rèn)知.這一結(jié)果在朱喜香(2005)的研究中也有提及[6].

表3表明，電路的3種狀態(tài)中，在短路上錯(cuò)誤前概念出現(xiàn)頻率為18.46%，所占比重相對于其他兩種狀態(tài)較高.絕大部分學(xué)生認(rèn)為，短路時(shí)該燈泡仍亮，或在串聯(lián)電路中一個(gè)燈泡短路，其他燈泡均不亮.

3.3 初中生簡單電路中典型錯(cuò)誤前概念

研究發(fā)現(xiàn)，初中生在進(jìn)行系統(tǒng)的電學(xué)學(xué)習(xí)前，在生活中已經(jīng)獲得了一些電學(xué)概念.但他們對這些概念沒有準(zhǔn)確理解，并形成了一些錯(cuò)誤認(rèn)知，比較典型的錯(cuò)誤前概念如表4所示.

表4 初中生簡單電路中典型錯(cuò)誤前概念匯總表

表4呈現(xiàn)出的典型錯(cuò)誤前概念，與國內(nèi)外前人研究結(jié)論具有相同之處.這表明，簡單電路中的錯(cuò)誤前概念依然普遍存在于當(dāng)代初中生群體中.例如：在電流方向上，絕大多數(shù)學(xué)生持有Harcharan Pardhan (2001)研究得出的“碰撞模型”；學(xué)生持有的典型錯(cuò)誤前概念2和4，即“電流消耗模型”，與竇鐵洋(2001)等人所得研究結(jié)果相同[7]；本研究得出的典型錯(cuò)誤前概念5和孟秀蘭等人(2000)研究結(jié)論一致，孟秀蘭等人研究發(fā)現(xiàn)，中美兩國高中生都認(rèn)為理想電源提供的電流是恒定的，不管在電路中連接幾個(gè)燈泡以及如何連接這些燈泡[8].

本研究在考察“學(xué)生是否了解斷路狀態(tài)下的電流特點(diǎn)”時(shí)發(fā)現(xiàn)，僅有26.75%的學(xué)生認(rèn)為“電流流到斷開處停下來”，研究結(jié)果和王書元(2013)所得結(jié)果不同.王書元研究發(fā)現(xiàn)，有70%多的初中生在學(xué)前持有該錯(cuò)誤前概念[2].針對這一變化，本研究對部分學(xué)生進(jìn)行了訪談，得知學(xué)生主要從科普讀物和科普活動(dòng)中獲得相關(guān)認(rèn)識(shí).隨著科技發(fā)展和國家對公民科學(xué)素養(yǎng)的重視，科普讀物和活動(dòng)的增加影響了學(xué)生的認(rèn)知活動(dòng)，從而使他們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)變化.

綜上所述，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，初中生在解決簡單電路實(shí)際問題的過程中，將電流、電池、電路狀態(tài)和燈泡規(guī)格歸結(jié)為影響燈泡亮度的主要因素.在電流概念上呈現(xiàn)錯(cuò)誤前概念的頻率相對較高，在電流大小、電壓大小和短路3個(gè)方面的錯(cuò)誤前概念出現(xiàn)頻率較高.與此同時(shí)，學(xué)生在進(jìn)行系統(tǒng)的電學(xué)學(xué)習(xí)之前，其認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已經(jīng)存在了一些關(guān)于簡單電路比較典型的錯(cuò)誤前概念，前人研究得出的錯(cuò)誤前概念在當(dāng)代學(xué)生群體中依然普遍存在.

4 教學(xué)建議

由研究結(jié)果可知，我國初中生在解決簡單電路問題的過程中普遍存在一些錯(cuò)誤前概念.教師需要識(shí)別學(xué)生已有前概念，通過實(shí)際教學(xué)盡可能地幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變，由錯(cuò)誤前概念向科學(xué)概念轉(zhuǎn)變.教育心理學(xué)研究表明：要實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤前概念的轉(zhuǎn)變，就要對學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造和重組，是認(rèn)知發(fā)展進(jìn)行同化與順應(yīng)的過程.同化是指學(xué)生把外在的信息納入到已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，以豐富和加強(qiáng)已有的思想傾向和行為模式.順應(yīng)是指學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與新的外在信息產(chǎn)生沖突，引發(fā)原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整和變化，從而建立新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[9].根據(jù)研究結(jié)果和教育心理學(xué)理論，本研究提出如下建議，供教師們參考.

4.1 教師要主動(dòng)了解學(xué)生已有前概念

由研究結(jié)果可知，在進(jìn)行系統(tǒng)的電學(xué)學(xué)習(xí)之前，學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已經(jīng)存在某些前概念.如果教師在物理教學(xué)中忽視了這些前概念，“兩張皮現(xiàn)象”極易出現(xiàn)：學(xué)生看似理解了物理概念，但原有錯(cuò)誤認(rèn)知依然存在，同化和順應(yīng)過程并未真正發(fā)生，其認(rèn)知結(jié)構(gòu)也未發(fā)生改變.因此，教師在正式教學(xué)之前了解學(xué)生已有前概念，可以更好地確定教學(xué)起點(diǎn).了解學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，教師教學(xué)便能更有針對性.教師了解學(xué)生前概念的方法有很多，例如,通過查閱文獻(xiàn)，尋找相關(guān)量表或問卷，在正式教學(xué)之前對學(xué)生進(jìn)行測試和分析；通過設(shè)計(jì)訪談提綱，在教學(xué)前對學(xué)生進(jìn)行抽樣訪談，記錄并分析；通過課堂提問，讓學(xué)生自由討論和發(fā)言，從而了解學(xué)生已有前概念.

4.2 通過引發(fā)認(rèn)知沖突實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變

情境教學(xué)是指通過生動(dòng)形象的情境激起學(xué)生學(xué)習(xí)情緒的一種教學(xué)方法.電學(xué)內(nèi)容比較抽象，很多學(xué)生在進(jìn)行知識(shí)理解和建構(gòu)過程中容易出現(xiàn)困難.教師選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)和事例，創(chuàng)設(shè)物理情境.不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，還能夠激活學(xué)生已有認(rèn)知，引發(fā)認(rèn)知沖突，加速學(xué)生認(rèn)知發(fā)展中順應(yīng)過程的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變.針對電學(xué)教學(xué)，教師可以充分利用多媒體教學(xué)設(shè)備和物理實(shí)驗(yàn)室等教學(xué)資源，通過恰當(dāng)形象的類比、探究性物理實(shí)驗(yàn)等方法創(chuàng)設(shè)物理情境.例如,通過對燈泡內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片進(jìn)行細(xì)節(jié)放大，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察，獲得準(zhǔn)確認(rèn)知；綜合考慮類比對象的選擇，選用水流類比電流時(shí)需要考慮，是否會(huì)造成“電流消耗”錯(cuò)誤認(rèn)知；通過探究性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行串聯(lián)電路電流特點(diǎn)教學(xué).通過物理情境，學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，并促使他們對前概念做出調(diào)整和改造，從而建構(gòu)科學(xué)概念.

4.3 通過合作學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變

學(xué)生常以自己的經(jīng)驗(yàn)為背景對事物進(jìn)行認(rèn)知和理解，只能對事物特征獲得部分認(rèn)識(shí)，很難形成正確而全面的認(rèn)知.而合作學(xué)習(xí)是在一定情境下，利用人與人之間的協(xié)作交流進(jìn)行相互溝通，從而促進(jìn)自身知識(shí)經(jīng)驗(yàn)建構(gòu)的一種學(xué)習(xí)方式.石志敏等人(2010)研究發(fā)現(xiàn)，粗略觀察和對局部事實(shí)的概括是導(dǎo)致錯(cuò)誤前概念的原因之一[9].

因此，教師在教學(xué)過程中要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維進(jìn)行討論和交流.通過不同觀點(diǎn)的碰撞，每個(gè)學(xué)生的認(rèn)知獲得補(bǔ)充、修正和加深，加速學(xué)生認(rèn)知發(fā)展中同化和順應(yīng)過程的發(fā)生，從而促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變，建構(gòu)科學(xué)概念.例如，在“燈泡亮度的影響因素”問題上，學(xué)生們持有并都堅(jiān)持自己的觀點(diǎn).就該問題開展討論，在彼此觀點(diǎn)的交流和爭論中，學(xué)生便會(huì)發(fā)現(xiàn)自己觀點(diǎn)的不妥之處，從而愿意尋求更合理的解釋.