中学生力学概念转变的心理机制研究

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1、中学生力学概念转变的心理机制研究胡卫平 刘建伟(山西师范大学教育科学研究院,临汾,041004)摘 要 综合应用教学实验、 测验、 访谈等多种方法,对100名高一学生力学概念的转变进行了研究,结果表明:中学生力学概念转变的方式有抽象概括、 逻辑推理、 联想对比、 实例演绎、 变式思维、 实验推导和理解接受。关键词:中学生 力学概念 概念转变 心理机制1 问题的提出概念转变是指个体原有某种知识经验由于受到与此不 一致的新经验的影响而发生的重大改变。对概念转变的研 究始于20世纪70年代,80年代起,研究成果开始涌现。1982年,康奈尔大学的四位教授(Posner , Strike , Hewso

2、n Savinainen , Scott Ni2az9运用了教学实验使学生转变对电化学的错误认识;She10利用双情境学习模式有效的转变了学生对热传递的错 误概念;Tsai11运用认知冲突来改变学生对简单电路的错误 认识。 科学概念的有效转变和教学策略的选择是建立在对学生 了解的基础上,了解学生概念转变的心理机制对于概念教学 是非常重要的12。本文采取实验的方法,研究了中学生力学 概念转变的心理机制,主要包括力和速度的概念、 力和速度之 间的关系、 加速度和运动之间的关系、 力和运动之间的关系四 个方面,从而为促进学生力学概念的有效转变提供依据。2 实验2. 1 被试 随机选取山西省某中学高一

3、年级两个理科班共计100 名学生为被试,对其进行 “力和运动之间的相关概念的测试 题” 测试。其中男生55人,女生45人,平均年龄为16. 24岁。2. 2 材料录像机和录音机各一台,“力和运动之间的相关概念的 测试题” 两套,用以测试学生的有关前概念的水平。学生每 提高一个认知水平都要参加测试,测试题由 “力和运动之间 的相关概念的测试题” 中相应水平的测试题和补充的该水平 的题组合而成。2. 3 实验者 实验者共有4人,其中任课教师2人,负责讲授涉及的 知识内容。主试1人,负责主持实验。助手一人,负责录制 教师的授课过程,在任课教师讲课结束后主试对部分被试进 行访谈并整理访谈结果。2. 4

4、 方法与步骤2. 4. 1 前测 将一套 “力和运动的关系相关概念的测试题” 施测于被 试,该测试题包括14道选择题,11道简答题,要求在1个半 小时内完成。测试结束后,实验者对被试的回答进行评定, 并将学生的个认知水平分为四级。2. 4. 2 训练 训练包括两部分,其中第一部分是任课教师按照教学计 划讲授内容,转变被试的错误概念。然后,访谈提高到高一 级认知水平的被试,探测其心理机制。 第二部分是对四组被试分别就力和运动的关系的相关 概念进行针对性的教学指导,每个研究内容指导4 - 5节课, 每节课45分钟。通过不同的讲授方法直到被试达到更高的 认知水平为止,在此过程中,对被试的言语以及作业

5、情况进 行详细的记录并进行整理。2. 4. 3 反思问题 当学生的认知水平提高后,要求他们反思概念形成的心 理过程及认知路径,叙述解答选择题的思路和方法,以及实 验过程中的观察情况,同时,从心理角度分析学生完成作业 的情况,总结出被试概念转变过程中的心理机制。2. 4. 4 后测(追踪测查) 按照微发生法13,对被试进行追踪测试,即每达到一个 新的认知水平立即进行相关的测试,测试旨在考察学生对概 念的深层理解,要求被试对自己的回答陈述理由。测试共四 次,然后对测试成绩加以评价。 通讯作者:胡卫平。E2mail : weipinghu 教育部优秀青年教师资助计划项目 “中小学生科学思维能力的发展

6、与促进”(2003 - 110)的研究成果1222 心理科学 Psychological Science 2008 ,31(5) :1222 - 12253 结果与分析3. 1 力和速度概念转变的心理机制 研究发现,被试在力的概念、 合力、 速度概念三方面相关题目上的正确率由原来的71. 8 %、94. 9 %、77 %、84. 6 %、65 %转变为100 %、100 %、100 %、97. 4 %、89. 7 %。对学生在 每个题目前后测的得分进行独立样本的t检验,结果表明, 对所有题目,差异均显著( p 0105)。表1 被试反思报告整理(力和速度概念)对知识原有的理解现在的认识心理过程

7、两物体之间存在力时,一定相互接触两物体之间存在力时,不一定相互接触实例分析合力的方向与物体运动方向相同合力的方向可能与物体运动方向相同对比联系速度的改变包含大小改变或方向改变速度的改变不仅仅是大小或方向改变,而且还有大小和方向同时改变理解接受表2 被试访谈整理(力和速度概念)问题回答心理过程 速度是不是路程和时间的比值?不是,速度是位移和时间的比值理解接受 磁铁吸引铁块,铁块不吸引磁铁,对么?磁铁吸引铁块时,铁块也在吸引磁铁实例分析 分析高尔夫球抛出以后受力情况高尔夫球抛出以后,只受重力理解接受由表1和表2可知,影响转变的因素主要是思维定势和 相关概念的干扰,转变的心理机制主要有三种: 第一,

8、理解接受。这种转变方式是与同化有联系且有共 同之处的一种更高水平的理解概念的方式,是在理解概念时 主动修正自己的认知结构或对概念的正误进行分辨,从而提 高认知水平或有创见地理解概念的方式。力的概念转变的 主要障碍之一是学生能否理解施力物体和受力物体是同时 存在的; 第二,实例分析。通过分析与所研究的概念相关的实 例,运用演绎的方法推导出特殊的规律,从而对所研究的概 念有新的认识。也指学生通过身边的实例,并且结合理论来分析,使原来错误的认识转变过来; 第三,对比联系。通过同一概念内相关问题的对比,转 变错误概念。3. 2 力和速度之间关系概念转变的心理机制 研究发现,被试在力和速度之间的关系、

9、从速度考察力 以及力引起速度的变化三个方面相关题目上的正确率由原 来的80 %、24 %、48 %、68 %、60 %转变到87. 5 %、91. 7 %、7912 %、7912 %、80 %。对学生在每个题目前后测的得分进 行独立样本的t检验,结果表明,对所有题目,差异均显著( p 0105)。表3 被试反思报告整理(力和速度之间关系)对知识原有的理解现在的认识心理过程 力是维持速度的原因力是改变速度的原因逻辑推理物体只要受到力,速度就改变,受恒定力时,速度不会改变合外力是改变物体速度的原因实验推导斜面上的物体速度越来越大的原因是因为有加速度斜面上的物体速度越来越大的原因是受到力的作用逻辑推

10、理表4 被试访谈整理(力和速度之间关系)问题回答心理过程速度不变,有没有合外力?当时你为什么认为速度不变,则所受合外力必恒定?你怎么认为静止的物体一定没有加速度呢?速度方向改变了,物体受到合外力吗?速度不变,就不产生加速度,也就不受合外力作用只是把知识片面的联系起来,没有全面考虑例如子弹射出的一瞬间是静止的但是有加速度速度方向改变了,速度就改变了,则物体受到合外力通过逻辑推理和变式思维使其考虑问题全面特例分析和变式思维利用逻辑推理通过上述分析可知,学生对力和速度之间关系概念的转 变主要有三种方式: 第一,实验推导。先通过实验产生感性认识,然后再通 过逻辑推理得出合理的解释,从而使自己头脑中原有

11、的错误 概念转变为科学概念; 第二,逻辑推理。逻辑推理是指根据一个判断或一些判 断严密得出另一个新的判断的思维形式。学生通过这一心 理机制使一些比较难理解的概念通过严密推理,使前概念转 变为科学概念。 第三,变式思维。指对同一个概念从多个维度进行分析,揭示不同的描述方式间的内在联系,从本质上认识所学 概念,避免对概念的孤立、 机械的记忆。3. 3 加速度和运动之间关系概念转变的心理机制 测试题数据分析 研究发现,学生在加速度、 加速度和 速度之间的关系、 物体运动状态的改变、 加速度和运动之间 的关系相关题目上的正确率由52. 7 %、68. 4 %、6814 %、7317 %、3618 %、

12、21 %转 变 为89 %、89. 5 %、94 %、100 %、6312 %、7317 %。对学生在每个题目前后测的得分进行独立 样本的t检验,结果表明,对所有题目,差异均显著( p0105)。胡卫平等:中学生力学概念转变的心理机制研究1223 表5 被试反思报告(加速度和运动之间的关系)对知识原有的理解现在的认识心理过程 做匀速圆周运动的物体,由于速度大小不变,所以,无加速度当运动的方向发生改变时,有加速度逻辑推理物体的运动状态仅指物体运动的快慢物体运动状态包括物体运动快慢与方向理解接受物体处于静止状态就没有加速度处于静止状态时也可能有加速度上抛物体在最高点静止但有加速度表6 被试访谈整理

13、(加速度和运动之间的关系)问题回答心理过程速度变化大,是否加速度就大?速度变化大,加速度不一定大,加速度大小不仅仅看速度变化大小,还要看所用的时间理解了加速度的定义后对他们的关系就容易理解了当时你为什么认为速度变化大,则加速度就大?认为速度变化量和速度变化率一样考虑问题片面,对定义理解不深刻加速度和速度之间的关系是什么?开始怎么说有加速度肯定有速度,有速度是否一定有加速度?加速度是速度的时间变化率,有加速度不一定有速度,有速度不一定有加速度通过实例分析推理能理解它们之间的关系通过上述分析可以看出,加速度和运动之间关系概念的 转变方式主要有四种: 第一,抽象概括:抽出事物的本质属性或特征,在这基

14、础 上,把所有反映事物本质属性结合为一个整体,形成关于事 物的整体的和一般的认识,进而把这种一般的认识推广到同 类事物,把握同类事物的共同性和一般性。 第二,逻辑推理:指根据一个判断或一些判断得出另一 个新的判断的思维形式。在推理过程,学生应用相关推理的、 比例推理的、 组合推理等等方法 第三,实例演绎:实例分析是通过分析与所研究的概念 相关的实例,运用演绎的方法推导出特殊的规律,从而对所 研究的概念有新的认识。 第四,理解接受。如物体运动状态的改变,学生在注意 到物体运动状态的改变是通过速度来判断的,而有关速度变 化的类型与速度的关系学生是不难理解的,这样学生通过自 己理解就能判断出物体运动

15、状态的改变。表7 被试反思报告整理(力和运动之间关系)对知识原有的理解现在的认识心理过程判断有无加速度是利用公式:a= (V1- V2)/ T加速度有无本质上是通过合外力来判断通过举例和推理,加速度有无实质上是通过合外力判断的。力是维持物体运动的原因力不是维持物体运动的原因对光滑水平面上的运动的物体,尽管在水平方向没有受到力的作用,将以这个速度和方向运动下去,由此可知,力不是维持物体运动的原因 物体在粗糙水平面上做匀速直线运动,撤去外力后,先匀速,后减速物体在粗糙水平面上做匀速直线运动,撤去外力后,立即减速由实验和推理可以知道,当物体在粗糙水平面上做匀速直线运动时,撤去外力后,物体将立即减速表

16、8 被试访谈整理(力和运动之间关系)问题回答心理过程 力是产生运动的原因吗?原来运动的物体,需要力维持吗?是的,原来静止的物体,施加一个力使其运动起来不需要,力不是产生运动的原因联想对比得出力不是产生运动的原因力是速度变化的原因吗?有力就产生加速度,有加速度就有速度变化逻辑推理3. 4 力和运动之间关系概念转变的心理机制 测试题数据分析 我们针对加速度大小的表征、 力和运 动之间的关系、 力和运动之间关系的应用进行了测试,学生 在相关题目上的正确率由原来的47. 8 %、56. 3 %、62. 5 %、37. 5 %、75 %、56. 3 %转变为93. 8 %、81. 25 %、72. 5 %、50 %、93. 75 %、81. 3 %。对学生在每个题目前后测的得分进行独 立样本的t检验,结果表明,对所有题目,差异均显著( p0105)。通过上述分析可以看出,力和运动之间关系的概念转变主要有三种: 第一,逻辑推理。指根据一个判断或一些判断得出另一 个新的