中学物理实验认知过程的探讨

231500     安徽省庐江二中   束义福

 

摘要  本文运用现代认知心理学的理论，分析了中学实验物理教学过程中的观察和实验作用于学生认知过程的特点，对改进实验教学有一定的参考价值。

关键词  中学物理实验   认知过程  探讨

 

实验教学是中学物理教学过程的基本形式，整个物理教学过程中必须以实验为基础。就当前物理教学改革的情况来看，实验教学仍然是一个十分薄弱的环节。现仅从教学论的角度，谈谈观察和实验作用于学生认知过程的特点，以提高对实验教学重要性的一个方面认识。

现代认知心理学的基本理论，对于物理教学具有指导意义。关于学习，当然包括实验的学习，认为学习就是学习者认知结构的同化和顺应过程。所谓认知结构，就是学生头脑里的知识结构。学生原有认知结构主要有两个方面，一是“前科学概念”，二是已经学过的理解了的科学知识。教师的责任是从学生的认知结构中寻找是否有起固定作用的观念可以利用来同化新知识；分析新的学习任务能否同学生认知结构中原有的观念清楚地分辨的程度；分析原有的起固定作用的观念的稳定性和清晰性。从而为转化和建立学生良好的认知结构而教，为迁移而教。因此，教师在实验教学中的主导作用是“引导”和“转化”。通过实验教学把人类早已定论的物理知识结构，引导和转化为学生的认知结构；把学生学到的知识，运用典型的方法经过训练转化成为学生的能力。实现这些转化的基础是观察和实验。

科学的观察是有目的，有计划地通过人的感觉器官或使用科学仪器了解周围环境、事物和现象的一种知觉过程。因此，观察是有意知觉的高级形式。按照观察的条件不同，可分自然观察和实验观察。自然观察是在自然的条件下进行的；实验观察是在人为的控制的实验室条件下进行的。在物理教学中，更多的是引导学生进行实验观察（简称为观察），学生观察的方式，有对演示实验的观察和学生自己动手实验观察。学生自己动手实验观察可在学生分组实验、边教边实验和课外物理实验中进行。

观察对认知转化，一般情况下有四个阶段，即对新的物理现象开始观察阶段；兴趣和思考阶段；学生亲自实验观察阶段；运用知识解释现象和分析解决问题阶段。

1、对新的物理现象开始观察阶段

教师在展示物理现象之前，向学生介绍实验的设备和实验观察的目的时，学生总是用“前科学概念”来观察物理现象。所谓前科学概念，主要指那些在学生原有的经验中已经有了较长的发展历史，并形成了系统的但非科学的观念。例如自由落体，教师展示同样大小光滑的铁球和木球，问从三楼同时同水平松手落下，是否同时落地？有人作了估计，大约90%的学生认为铁球比木球落得更快，典型的回答是：“铁比木头重”或“铁更趋于落向地球”。接着教师又展示铁块与鸡毛同时落下的问题，学生不以为然地回答：“铁块重，鸡毛轻，当然铁块先落地。”很明显，教师是有意识地强化了学生的前科学概念。古代亚里斯多德的思想，即重物下落得快与物归自然位置的概念在学生学习中起着支配作用。又如惯性的概念，“力是维持运动的原因”观念，也是学生生活经验中“真正理解”得来的，因为它可以解释许多现象。当教师通过演示，如用手抛出的物体，解释物体离开手后仍在运动时，学生却认为物体被“注入”了一种力在起作用，可见学生中的前科学概念有时非常难以转化。

2、兴趣和思考阶段

教师设计演示的物理现象与学生的前科学观念发生冲突和危机，即当前面临的现实与学生原有的观念产生无法调和的矛盾，使旧的认知结构产生动摇，新的认知结构开始建立，从好奇而激发了极大的兴趣，并引起思考（思维）。

教师在理解了这一认知规律之后，应该设计演示真实的、排除次要因素干扰的，突出物理现象本质的实验，使展示的现象与学生的前科学概念发生冲突。让学生处于“意想不到”，制造“矛盾的学习情景”中述自由落体实验中，教师首先把鸡毛和铁块放入牛顿管，当场抽真空，然后再演示，学生观后惊叹不己。然后，将同样大小的铁球和木球从三楼同时松手落下，结果也是同时落地。在铁一般的事实面前，学生才接受了教师的解释。从而阐述伽里略关于自由落体是匀加速运动，其加速度与物体本身的重量无关的科学论断，并为学生所接受。

在教学演示中，教师可以设计一些学生好奇、惊险的实验，使学生产生浓厚的兴趣。这些设计的思想是建立在教师对学生“前科学概念”的诊断、识别和促使认知结构转化心理机制的基础上。例如：用酒精灯烧试管上端，水面沸腾了，下端的小鱼不死。学生前认为水开了，小鱼该死；铜棒上缠绕的棉纱线不会被烧断，学生前认为棉纱线该烧断；纸锅可以把水烧开而纸锅不会被烧破，学生前认为纸应该被火烧破；教师用大铁球演示阴尼振动，将绳子拴住大铁球，吊在天花板上，然后教师把大铁球从平衡位置拉到鼻尖边。放手后，当铁球摆回来时，全体学生惊呼，有的甚至高喊“快让开！”“快跑掉！”然而，说时迟，那时快，大铁球在鼻子前又摆回去了，虚惊一场。这是较典型的惊险的实验。“兴趣是最好的老师”。兴趣是特殊的认知倾向，带有浓厚的情感色彩。实验所引起的兴趣属直接兴趣，对启蒙教学中认知结构的转化有着特殊作用。

3、学生亲自实验观察阶段

学生在观察了教师的演示实验后，也激发了操作兴趣。强烈需求亲自动手实验以进一步观察、验证和探索。教师要千方百计创造条件，以各种形式多让学生亲自做实验并指导观察和实验方法。如边教边实验，分组学生实验，回家小制作、小实验及课外物理实验等。学生在亲自获得实验现象和实验的成功中感到心理上的满足，起到新概念的稳定和清晰作用。

4、运用知识解释现象和分析解决问题阶段

学生经过观察和实验所形成的新认知结构中的观念与原有的观念清楚的分辨程度影响着有意义学习与保持。由于学生年龄和心理的特点，运用已学知识解释现象和分析解决问题时，前科学概念或已学知识的负迁移表现了很大的顽固性。特别是使得观察和解释那些需要真正理解的问题时，学生往往仍然凭自己的观念行事，造成学习思维障碍。解决这类问题，教师应具体分析，搞清是心理障碍还是知识障碍。在分析的基础上，提供运用知识解决问题的感性材料要多样化，不断变换呈现方式，以突出本质属性，才能巩固新建立的认知结构。

例如在学生学完“浮力”一章后，演示并提出以下问题；（1）同一个鸡蛋放在甲杯液体中时，它在液体中悬浮，把它放在乙杯液体中，它漂浮在液面上，问鸡蛋在哪种液体中受到的浮力大？学生认为在甲杯中所受到的浮力大。因为排开液体的体积大。错误的原因，从心理因素分析，就是忽视了隐蔽的因素“同一个鸡蛋”和“液体的密度不同”；从认知上分析，原认知结构中二力平衡的知识理解和掌握不稳定。（2）把质量相等的木块和铁块放在水中，当它们静止后，谁的浮力大？学生往往认为木块受到的浮力大。虽然学生的结论是正确的，但根据是错误的，分析也是错误的。因忽视了木块漂浮，铁块沉在水底的条件，都作为全浸在水里来处理。（3）物体在水中的不同深处受到的浮力大小是否相同？学生认为越深处浮力越大。产生错误的原因，在知识上学生认知结构中原有的观念分辨程度不好，即浮力产生与液体内部强有关，而液体内部压强又与液体深度成正比，因此认为浮力大小也跟深度有关系；从心理上看，总是从表象联系来认识事物，认为一个木块浮在水面上要想使它沉下去手必须用很大的力量，手放后木块就浮起来了。教师还可以出一些变式问题，如既考虑到悬浮在不同深度，又考虑到和容器底紧密接触；既考虑到液体，又考虑到气体等等。

科学的观察还要防止和克服观察的主观性。在教学中，经常碰到这样的现象，几个学生用同一仪器测量同一个物理量，答案几乎都不相同。在实验观察中主观性的原因较多，较为显著的原因是先入为主、假像与错觉。

先入为主，使观察者以已有的知识去填补空白，使观察到的新的事物纳入自己的理论和愿望之中，导致观察的主观性错误。先入为主来自两个方面，即来自学习新知识前的所谓“前科学概念”，还来自以前已学物理知识的负迁移。例如高中学生对自感现象的观察。自感现象的本质特征，应该表现为一种电流变化过程的延缓，即电流不可突变，教师在演示图1装置，当断开开头K，灯泡A在明亮的一闪后，熄灭，观察不出持续一段时间慢慢熄灭的现象。这一闪亮，学生运用先入为主的前知识，不顾条件地去填被自感现象解释空白。在学习自感以前，学生学过电磁感应的有磁内容，已有了自己的观念。如根据楞次定律，感生电流的磁通总是要阻碍原来磁通的减小或增大。因此，当原磁通减小时，就会产生一个感生电流的磁通，阻碍其减小，结果与原磁通叠加，使磁通突然增加；又运用部分电路欧姆定律，用到非纯电阻场合，对一段电路，认为其两端所加的电压越高，则电流越大。学生就是因为此“先入为主”的观念，很自然的认为此时灯泡A和线圈两端的电压很高，因而通过线圈的电流也很大。尽管教师解释，灯泡明亮一下，只说明通过灯泡的电流超过了原来的值，但仍难以理解。接着教师又设计了图2、图3进行演示，有针对性地解决了问题。因此，认真分析学生“先入为主”的观念（包括前科学概念和前知识）。通过实验才能促使向科学概念转化。这是物理教学过程中观念的实验的独特作用。

假像也能造成观察的主观性错误。例如上述自感现象中灯泡A的闪亮现象以及前叙的自由落体演示鸡毛与铁块在空气中不能同时落地所造成的假象等。

错觉是人对物理现象不正确知觉，是对客观事物歪曲的反映。产生的原因有心理的、有生理的。有观察大小的错觉，方法的错觉，运动的错觉和时间的错觉等。例如，观察大小的错觉。学生立在平面镜前，然后慢慢地后退，问像的大小有什么变化？全班38%的学生认为平面镜中的像越来越小。因为观察者直接观察自己的像，由于视角减小，就造成了大小错觉。如果教师掌握这种情况，引导学生操作表象，在头脑中画出平面镜成像图，正确的答案就出来了。

总之，学生从观察实验到亲自动手做实验，将获得的知识再回到实践中、去观察分析，为后续学习作准备，物理教学过程中就是以实验为中心不断开展和进行的。观察和实验是学生认知结构转化的基础，因此重视物理实验教学，充分借助和发挥实验产生的积极心理转化和强化作用，才能使物理教学过程符合认知规律。

 

参考文献

阎金铎、田世昆主编   中学物理教学概论   高等教育出版社   1991

阎金铎、梁树森著   《物理学习论》  广西教育出版社    1999.3

束义福  演示实验的讲解       《中学物理教学参考》    1998.3。

束义福  谈演示实验的作用、要求及失误的处  《实验教学与仪器》 2004.4

 

231500     安徽省庐江二中    束义福

 

 

作者简介：

束义福、男、毕业于安徽师范大学物理系。中学高级教师、特级教师。中国物理学会会员。中国教育学会物理教学研究会会员。中国发明学会会员。东方书画艺术学会理事。巢湖市中学高级教师职务评审委员会委员。中国管理科学研究院学术委员会特约研究员。

在《物理教学》、《物理通报》等二十多家省级、国家级CN报刊上发表文章200多篇，有的被中国人民大学书报资料复印中心全文收录。参编、主编教科研论著及教辅用书9部。多项成果获省级奖和国家专利。

安徽省特级教师。获“中国素质教育科研之星”奖章。获“巢湖市专业技术拔尖人才” 称号。获“全国优秀教师”称号并奖章。享受国务院特殊津贴。