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基于前概念基础的高中物理实验教学设计和实践

1. 前概念在物理学科中的概念和影响

前概念（preconception）在英语语境中意为主观的观念和想法.指的是在进行系统化的学习之前,学生对于生活现象等积累的经验和看法,是学生对社会和自身的基础性概念认知和想法.前概念并非指具体的行为或思维,而是指学生在学习之前的状态.在物理学科中,前概念表示学生习以为常的、能够自然而然得出结论的物理现象或生活现象.在物理现象与生活现象共通的情况下,学生能够借助生活现象来理解物理现象.例如,在学习“电流”的基础知识时,为了让学生理解抽象的电力流通过程,教师通常会将之比作“水管中的流水”,以体现电流的持续性和连贯性.在学生理解电流相关的实践问题时,会在头脑中形成“水流”这一前概念.通过生活现象的类比,学生就能在短时间内理解电流的概念,促进学生对物理知识的吸收与认可,可见在正迁移的条件下,前概念对于学生学习具有促进作用.另一方面,前概念对于学生学习也有负面影响.高中物理学科的学习,就是让学生完成从前概念到学科概念之间的转变,让学生理解生活中的具体现象,并对其形成原因有系统的认识,同时,纠正学生的错误观念,帮助学生成为具有科学思维的人才.前概念是学生潜移默化的思想,学生将之默认为“约定俗成”的正确内容,这会给物理科学的学习带来阻碍.

2. 前概念给高中物理学科带来的变化特征

心理学认为,人们在面对未知事物时,倾向于用自己已知的观点来建构、类比新事物,以期在短时间内理解未知事物的概念.物理学科的“已知观点”就是前概念.前概念分为正确和错误两种,是学生在物理学科学习过程中的双刃剑.例如,在学习牛顿第三定律时,教师可以利用“鸡蛋碰石头”的前概念展开教学,鸡蛋破碎的原因是鸡蛋对石头的作用力小于石头对鸡蛋的作用力.这一概念是正确的,有助于教师提升课堂效率,让学生尽快理解定理知识,促进学生知识的整合与发散.前概念也会造成学生的错误观念,对学生今后的学习和生活带来长久的、不利的影响,让学生“想当然”,失去探究精神和求真欲.高中生对于生活中的物理现象有基本认识,也具有一定的物理理论基础,部分物理前概念持续时间长,且反复出现的频率高.很容易影响学生对于新鲜知识点的判断.例如,在做圆周运动实验时,学生受旧有只是系统的影响,会认为物体受到的是指向圆心的向心力,对惯性的认识不深.还有学生在做超重和失重实验时,很多学生认为超重就是物体所受的重力增大,失重就是物体所受的重力减小等等.高中物理实验教学中绝大部分实验与学生的生活现象有关,但高中生学业压力重,没有足够的精力去深挖生活中的物理现象,如果学生在日常生活中缺乏观察和积累,就不利于实验的顺利开展.由此可见,正确的、科学的前概念能够帮助学生展开实验学习.

3. 当前高中物理实验教学的现状与问题

传统教学中实验教学比重小,教师将实验教学作为高中物理学科的辅助教学.实质上,物理学是由实验和理论两方面组成的,二者相辅相成,互为表里.新课改背景下,实验教学受到了更多教育工作者的关注,但受应试教育的残余影响,当前高中物理实验教学仍然存在很多问题,现状不容乐观.首先,学校实验教学的资源配置不足,实验室及实验仪器资源等方面投入较少,没有及时增添新的实验仪器与设备.教师即使想开展更丰富的实验活动,也缺乏实验资源,导致实验教学的内容单一、结构僵化,难以引起学生的学习兴趣.同时,学校对于器材和设备的后续管理不足.部分学校秉持传统的实验教学观念,实验仪器日常维修和保养工作不到位,导致实验仪器老化快、能效低,不能发挥长久的教学效能.在高中物理教材中有33个实验,包括23个分组实验和10个探究性实验.对教师的要求较高.而很多教师在实验教学方面未经过专门的训练,在开展实验教学时心有余而力不足,直接导致教学效率低,学生不能认识到实验教学的重要性,也感受不到实验活动的快乐.部分教师甚至用口头授课代替实验教学,学生只能理解抽象的内容,无法通过实质性的实验操作来加深自己的印象,导致学生学习效率低下,更难提升物理学科素养.

4. 基于前概念基础的高中物理实验教学优化设计

4.1结合学生的学习基础,调整学生的理论框架

高中生已经掌握了一定的物理知识,对于实验教学的基本器材和注意事项等都有了一定的了解,通常也具备一定的实验操作能力,在实验中能够尽快找到实验技巧.据此基础,教师应当调整教学方案,通过前概念基础下的高中物理实验教学,构建学生的理论框架,让学生将新知识与旧知识融合在一起,形成对物理学全面、深入的认识.教师可以询问学生基本学习情况,了解学生的学习实际,在此基础上挖掘学生对于物理学科的感性认识.在开展实验教学时,可以从学生耳熟能详的实验仪器入手,让学生自主回忆实验方法,加深学生对初中物理的印象,同时,挖掘其中对高中物理学习有促进作用的前概念,帮助学生完成前概念的正迁移.例如,在开展“电阻实验”时,可以先带领学生走近实验室,让学生回忆初中所学的实验知识,并让学生回答如电流表、电压表、电阻、滑动变阻器、常用电源、导线、开关等常见实验工具的作用和使用方法.在适当引导学生加深对重难点事项的印象后,让学生自主展开实验,关注学生的实验过程,促进学生自主能力的提升.也可以就前概念内容展开对所学知识的总结和分析,让学生找出自己学习的优势和误区,帮助学生将孤立的前概念内容转变为知识体系中的玉环,让学生理清学习框架,做到查漏补缺.

4.2创设生活化的实验情境,指导学生思考实验现象及本质

高中生对于新知识的理解能力较高,但受繁重的课业影响,对于枯燥、单一的物理教学缺乏积极性,很难培养他们的实验热情.为改善这一现状,需要教师“因地制宜”,为学生创设与他们生活相结合的实验情境,从学生生活中常见的物理出发,引发学生的好奇心,结合学生的前概念知识,帮助学生由表及里发现和探究物理现象.例如,在进行“失重”相关的课外实验时,教师可以结合学生日常生活中常见的饮料瓶等为学生展示失重现象.在学生的生活经验中能够知道,静止的饮料瓶在底部有孔的情况下会不断渗水.教师首先为学生演示这一现象,然后让饮料瓶自由下落,学生可以观察到饮料瓶里的水在下落过程中不再渗出.教师再让学生分析宇航员在太空的状态,让学生自主得出结论：当物体处于完全失重状态时,凡是和重力有关的现象将消失.通过实验能够重塑学生对生活现象的新认知,帮助学生理解物理现象的本质.教师还可以通过分段式的引导,帮助学生理解实验现象,拓宽前概念的维度,以获取新的知识.例如,教师可以先让学生回答问题：篮球打气的方式是什么？学生会回答：篮球打气需要特定的打气筒,通过气针输入空气.教师再让学生思考打气筒在打完气后发热的原因,并让学生自己动手操作.受前概念影响,学生可能会认为打气筒是通过摩擦发热.此时教师应当让学生展开对照实验,让学生在空气中打气,学生会发现打气筒并没有发热.教师再告诉学生,打气筒是通过压缩空气来工作的,而压缩空气能够产生热量.此时教师再自行操作压缩空气点火的实验,学生就能对此产生明确的认识,进而理解该物理现象的本质.

4.3培养学生学习兴趣,引导学生深入挖掘实验原理

前概念产生的原因与人的认识发展过程有密切的联系,人的认识发展总是由表及里、由浅入深的.当人们的认识还停留在表面、浅层时,对自然界的认识总是片面的.人们的许多前概念得以改变就是因为物理学的实验以及对实验的深入分析促使人们对物理现象的本质有了深刻认识后才改变的.物理学科中不乏抽象、复杂的理论知识,对学生缺乏影响力,学生对学科通常持有片面的看法.为了培养学生的学习兴趣,引导学生深入挖掘实验原理,就要结合学生的物理前概念,增强实验趣味性,让学生从被动学习转化为主动学习.教师需要注意的是,难度过高的实验很容易让学生产生消极情绪,对困难望而却步.过于容易的实验又容易让学生认为教师不尊重自己,或是产生自满情绪,二者都不利于实验教学的顺利开展.教师应当由简入繁,让学生先理解生活相关的实验情境,再动手验证实验.例如,教师在讲述摩擦力相关的知识时,可以先为学生创设以下实验,让学生动手实践：取两个相同的饮料瓶,其中一个瓶盖上涂上润滑油,试让学生分析哪一个瓶子更容易拧开,说明原因.实践过后,学生会说涂了润滑油的瓶子更容易被拧开.教室再导入摩擦力知识点的教学,让学生明白简单实验背后的力学知识,再展开更专业的实验,学生就会更乐于参与,主动探究更深层次的知识内容.

4.4关注实验细节,设计开放性实验内容

在具体的实验操作中,学生很容易受前概念的影响,将生活中的错误经验导入实验过程中,导致操作不规范甚至错误.教师应当向学生强调操作严谨的重要性,让学生不以方便为实验标准,而要严格按照规定操作.只有这样,才能取得正确的实验效果.例如,在进行单摆测定重力加速度的实验时,如果学生按照自己的前概念,将单摆从水平方向放落,导致摆角大于10度,单摆所做的运动就不是简谐运动,后面所做的实验就没有意义了.为了避免学生随意操作的现象发生,教师需要在实验开始前向学生说明实验细节,强调实验原理,让学生严格按照所需条件展开实践.在规范实验细节的同时,教师还应当明确学生在课堂中的主体地位,明确实验教学的中心思想,为学生设计开放性的实验内容.在操作已知实验的过程中,可以鼓励学生多思考、多研究,敦促学生自己思考、设计实验过程,并动手完成实验.强化学生的自主思维.教师在以学生对实验操作规则准确明白,实验操作安全的情况下,对学生的实验操作不过多干涉,以求激发学生积极思考,自主学习的积极性,使学生能够更好的掌握所学的物理理论知识.例如,在进行“动量定理”的实验时,教师可以为学生提供气球、鸡蛋和海绵,为学生提供“鸡蛋装在气球中”的思路,让学生自己设计实验过程,并分析原因.学生经过研究,会展开对比实验,将装有鸡蛋的气球提起到一定高度,使其自由下落,在下落地点设置或不设置海绵,会取得截然不同的实验效果.学生会具有鸡蛋掉落会破碎的前概念,当鸡蛋受海绵影响而完好无损的时候,学生就会产生强烈的好奇心和探究欲,在不知不觉中就走进了本节课所要讲授的内容中去.

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