“惯性”这一概念,似乎比较简单,但学生对它很容易产生各种各样错误的理解.
学生往往认为物体在没有受到外力作用时,能保持匀速直线运动状态或静止状态,是有惯性的;受到外力时,物体不能保持匀速直线运动状态或静止状态了,因而惯性也没有了,或者说“力克服了惯性”.为了纠正这种错误,可以结合课本上的“行驶中的汽车或火车,由于惯性不能立刻停止,即使紧急刹车,也要向前运动一段距离才能停下来”这一实例,指出“对运动物体即使加上很大的阻力,要使它停下来仍需一段时间”正是运动物体要保持匀速直线运动状态(因而力图反抗速度减小)的性质的表现;再以汽车出发时即使加大油门使牵引力很大也不可能立刻开得很快为例阐明“对静止物体即使加上很大的推动力,要使它达到某一速度仍需一段时间”也正是静止物体要保持静止状态(因而力图反抗速度增大)的性质的表现.
(二)学生往往把牛顿第一定律的内容当作惯性的概念,即把“惯性”与“惯性定律”混为一谈.为了纠正这种错误,除了使学生能准确地叙述惯性的概念和牛顿第一定律的内容外,还应使学生知道,牛顿第一定律指出一切物体都有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质——惯性(因此牛顿第一定律也叫惯性定律),但物体的惯性并非仅仅在不受外力作用时才具有的;“惯性定律”中所描述的现象仅仅是物体的惯性在不受任何外力时的一种表现;当物体受到外力作用时,如本文(一)中所叙述的那样,它的惯性仍顽强地表现出来.
(三)学生往往把“惯性”与“力”混为一谈.他们往往从运动需要力来维持这一错误观念出发,把原来运动的物体不受外力时的继续运动看作是“在惯性作用下”(甚至更明确地表述为“在惯性力作用下”)进行的.为了纠正这种错误,可结合“力是物体对物体的作用”阐明惯性与力是截然不同的概念;当发现学生有诸如“高速行驶的火车急刹车后仍受巨大的惯力运动或踢出去的足球受向前的冲力前进”之类的错误时,可要求他们找出这个“对火车或足球施以向前作用力的物体”来,让他们在碰壁后认识自己的错误 .
(四)学生往往把惯性的大小跟速度的大小混为一谈.例如,他们往往根据“汽车行驶得越快,刹住它越困难”一类现象认为“速度大的惯性大”.在上述情况下,指出汽车开得快时的惯性跟开得慢时的惯性实际上一样大的.因为质量是物体惯性大
小的量度.
为什么学生会存在上述错误理解呢?
认知心理学的理论告诉我们,学生学习物理概念、规律时所形成的错误,常常是由于其头脑中的前科学概念的影响.
前科学概念(苏联心理学家维果茨基称为“自发概念”)一般是指学生在学习物理课程以前由长期的日常经验形成的对事物、现象的看法和观念。按照认知心理学的观点,这种前科学概念的存在是必然的。因为个体从出生就开始了探索环境、顺应环境的活动,在活动中构建出了特定的认知模式(图式)。前科学概念就是这种图式的反映。但它们中许多只是一种对事物和现象的非本质认识,而物理概念显示的是复杂纷繁的自然现象的本质,具有一定的抽象性和复杂性。因此,表现在物理学习中的学生的前概念多是肤浅的、与科学概念相悖的,对学生形成物理概念构成障碍。
有些学生的经验中,早已有了与亚里士多德“力是维持物体运动原因“的理论类似的观念.这样,当他们学习了惯性之后,就可能把它纳入到自己原有的认知结构中.让他们解释用手推车、用脚踢球等一些不易暴露错误观念的生活实例时,他们也能解释得头头是道.但当解释用手抛硬币、飞机扔炸弹的例子时,他们却又运用亚里士多德的理论去解释,其错误观念暴露无遗.
要彻底澄清惯性的错误理解,应当了解学生头脑中前科学概念的特点.
第一,学生头脑中的前科学概念是潜移默化中自发形成的.
学生在长期的生活实践当中,逐渐形成了自己对客观世界物质运动规律的看法.他们几乎每天都会看到物体在力的作用下运动,而在力停止作用时物体静止,于是主观地断言:有力,则物体运动;无力,则物体静止.这正是亚里士多德“力是维持物体运动原因”的理论.
第二,学生头脑中的前科学概念具有隐蔽性.
由于学生头脑中前科学概念都在潜移默化中形成的,所以它以潜在的形式存在.这包含两方面的意义.其一是学生自己并没有意识到它的存在,因为学生并没有有意识地思考并形成“力是维持物体运动原因”的概念.其二是前科学概念平时并不表现出来,但往往在学生运用物理概念解决问题时表现出来.以下面这题测试题为例:老师布置同学们做一个游戏。内容是在快步跑的过程中(不准弯腰)将抓在手中的一小球释放(只是将手松开,并不抛球)。使小球刚好落入一放在跑步路线边上的小圆筐内。同学们中有三种方案:一是在离小筐还有一点距离时松手;二是在正好跑到小筐处松手;三是跑过小筐一点距离后再松手,你认为哪一种方案是对的?为什么? 测试成绩如下:全班44人中
第三,学生头脑中的前科学概念具有顽固性.
由于前科学概念是儿童头脑中业已形成的概念,且长期的日常生活经验与观察又加强了这些概念.因此,学生头脑中的前科学慨念是非常顽固的.
国内外物理教育界近年来的一些研究表明:一旦学生对某些物理现象形成了前科学概念,要想加以转变是极其困难的.尤其那些在人类科学认识史上经历了曲折历程的前科学概念,更是如此.
按照皮亚杰的理论,学生认识什么和如何行动,主要决定于他们所具有的认知图式(思维模式),而不完全取决于教师的外部教育.他们按照自己已有的图式吸收和排斥信息.在有错误认识存在的情形下,就会在头脑中形成和正确信息极不同的东西.此时教师应在他们的头脑中引发认知冲突和危机,使他们头脑中原有的观念与当前面临的现实产生无法调和的矛盾,促使原结构的解体和新结构的建构.这种过程可以说是在学生头脑中引发了一场科学革命.