立足核心素养的培养 探究迷思概念转变策略

朱顺明 万坤

摘   要：物理教学一方面要关注学生正确学习概念使知识得到传承，另一方面还要重视物理课程对学生核心素养的培养。文章将“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”素养落实于教学过程中，有效地实现了物理核心素养在概念转变过程中的落地生根，为学生的终身发展奠定基础。

关键词：迷思概念;转变策略;核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）3-0009-4

目前，我国基础教育已经进入核心素养时代，如何使其落地生根，是摆在广大一线教师面前的问题。一般学生在学习科学概念之前已经具备一定的知识和经验，即前概念，这对于日常教学的开展及进一步深入探究有一定的促进作用。然而，也会有一些与科学概念相悖的前概念，被称为迷思概念。有效教学就是教师通过多种转变策略设置认知冲突实现迷思概念向科学概念转变，学生在问题解决过程中真正实现意义构建。

笔者认为，好的迷思概念转变策略要从“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”四个方面入手，着力于对学生核心素养的培养。由于迷思概念具有阶段性、普遍性和顽固性等特征，教师只有充分了解学生的认知经验，立足学生的最近发展区，精心设计教学环节，促进学生对物理概念和规律内化后形成自我认知的物理观念。通过科学探究，发展学生的科学思维，并渗透给学生实事求是的科学态度与推动可持续发展的责任感教育[1]。

1    立足学生物理观念的建构，探究迷思概念的转变

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，物理觀念的形成和发展需要学生对物理概念、物理规律的逐步学习、系统的反思与迁移应用，使其学会用这些观念解释自然现象，解决生产生活中的实际问题[2]。

案例1：转变“火箭升空的动力来自空气”的迷思概念

教学片断1：如图1所示，长征二号丁运载火箭成功将“墨子号”卫星发射升空并送入预定轨道。请你用所学物理知识解释火箭升空的原因_____________________。

这道题是希望通过火箭发射的情境帮助学生构建反冲运动中相互作用的物理观念，了解学生能否应用所学的概念与规律解释现象和解决实际问题。在课堂反馈中不少学生认为是火箭尾部喷出的气体对空气产生一个作用力，空气的反作用力使火箭获得飞行的动力。究其原因，学生举例如下：

学生1：在公园里船桨划水，船桨推动水，水反过来作用桨，使得船向前进。

学生2：直升机升空，叶片旋转推动空气向下，空气反过来作用于飞机使其升空。

教师追问：那如果这样，火箭飞出大气层后没有了空气，火箭即使在向后喷气，是不是就无法获得前进的动力呢？火箭又是如何调整其姿态的呢？

学生陷入了沉思……

这时，教师设置问题链帮助学生理解相互作用观念。

问题设置1：在火箭升空过程中，涉及到哪些对象？

问题设置2：这些对象之间发生哪些相互作用？

问题设置3：作用在火箭上的推力是哪部分的相互作用？

问题设置4：火箭所受的作用力与外界空气有关吗？

反思：在帮助学生建构物理观念时，教师必须了解学生形成迷思概念的根源。船桨划水和直升机升空本质上都只涉及两个物体，这里桨与船、叶片与飞机其实是一个对象，属于一个整体。像这种与生活情境紧密联系的素材更会使学生产生错误观念，教师要抓住这个契机通过有效问题链引领学生主动思考，在问题解决中抽丝剥茧，层层深入，最终逼近科学本质。

2    立足学生科学思维的培养，探究迷思概念的转变

科学思维是促进学生核心素养提升的关键。在教学过程中重视学生在规律运用过程中产生的迷思概念，它是学生面对新情境时科学思维发生偏差的表现。针对学生暴露的问题，教师要基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，以促进学生的认知结构实现完整而又正确的自主建构，养成良好的思维习惯[3]。

案例2：转变“运动的合成与分解中运动合成的概念混淆”的迷思概念

教学片断2：如图2所示的玻璃生产线上，宽L的成型玻璃板以v1=v■=2 m/s的速度连续不断地向右行进，在切割工序处，切割刀的切割速度为v■=10 m/s。为了使割下的玻璃板成规定尺寸的矩形，切割刀的切割轨道与玻璃板的运动方向应成多大角度？

学生错误解答：如图3（a）所示。

学生理由：类比小船渡河模型，如图3（b）所示，将玻璃板的速度看成水流速度，切割刀的速度看成船速，此时合运动方向就是垂直板的切割方向，从而使割下的板成矩形。

问题设置1：v■和v■的研究对象是谁？不同对象的速度能否进行矢量合成？

回归典型模型：在小船渡河中，v■是船在静水中的航速，v■表面上是水速，实质上仍可表示为船由于流水的作用，具有与流水相同的速度。这就是运动的合成与分解中的同一性原则。

问题设置2：刀切割玻璃问题中谁是合运动，谁是分运动？

回归课本定义：合运动是物体的实际运动，分运动是指组成合运动的几个分运动。

学生1：切割刀的实际速度是合运动。

学生2：刀对玻璃板的速度方向为合运动。

问题的症结是这个实际运动究竟是以谁为参考系。其实，合运动与分运动是指同一物体在同一时间内相对同一参考系的运动。所以，学生1和学生2的回答都是正确的，他们分别是以地面和玻璃板为参考系观察到的实际运动。

现以地面为参考系，切割刀垂直玻璃板的运动是一个分运动v■■，另一个分运动是刀相对玻璃板静止一起向右的运动v■，它们的合运动v■是相对地面的实际运动，如图4所示。

反思：在进行概念转变教学过程中避免使用书本上现成的知识直接呈现给学生，这样生硬的灌输方式只会降低学生的学习兴趣。教师要充分发挥主导作用，对学生出现的思维混乱现象要给予清晰的认识，精心设问给学生思考讨论和发表观点的机会，以充分调动学生的思维活动，推动科学思维向高阶方向发展，直达问题本质。

3    立足学生科学探究能力的发展，探究迷思概念的转变

迫于考试的压力，知识点的熟练掌握与分数的快速提升成为目前教学首要追求的目标。教师用讲授与灌输代替学生的探究与体验;用结论和技巧代替知识的形成过程;用只言片语代替物理学重大发现的科学探究中漫长且艰辛的历程。当学生缺少对发现问题、构建模型、解决困难以及批判性审视新问题的认识时，就会产生前人对科学规律的获取是那么轻而易举的误解，这就难以形成严谨治学的科学态度和持之以恒的探究精神。

案例3：转变“筒壁发热是由于活塞摩擦引起的”的迷思概念

教学片断3：用打气筒给车胎打气，我们发现气筒壁温度会升高，为什么？

学生：因为活塞与筒壁发生摩擦，摩擦生热引起筒壁升温。

亲身体验，积极探究。

实验操作1：如图5所示，两用气筒（1是打气接头，2是抽气接头）在接头1、2不封闭的状态下，连续打气30次，手摸筒壁发现筒壁温度几乎不变。

学生：筒壁温度升高不是由于摩擦引起的。

实验操作2：接头1封闭，接头2不封闭，连续打气30次，发现筒壁温度升高。

学生：因为活塞压缩气体，外界对气体做功，使得空气的内能增加，温度升高，筒壁温度升高。

联系实际，拓展升华。

拓展实验1：压縮空气引火实验（如图6）

取绿豆粒大小的一块干燥硝化棉，用镊子把棉花拉得疏松一些，放入玻璃筒底。将活塞涂上少许蓖麻油（起润滑和密封作用），放入玻璃筒的上口。迅速地压下活塞，可看到硝化棉燃烧发出火光。这个实验现象说明了活塞压缩空气做功，使空气内能增大、温度升高，引起棉花燃烧。

拓展实验2：压燃式内燃机（即柴油机，如图7）

当柴油机压缩行程快结束时，活塞压缩充入的空气，使空气达到高温。此时，将柴油以高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧，汽缸内气体的压力急速上升，推动活塞对外做功。

反思：冬天我们通常会用双手摩擦取暖，这种习以为常的现象使得学生头脑中形成摩擦生热的前概念。此时，最好的转变策略是将学生置于探究者的位置，使学生用真实的实践操作去发现问题本质。从而让学生的学习过程成为“重新发现”的过程，引发认知冲突，改变学生被动接受的状态。通过拓展延伸，理论联系实践，提供给学生更为具体、清晰的物理情境和丰富的物理表象，巩固学习成果，培养学生对科学探究的过程和结果进行交流、评估和反思的能力。

4    立足学生科学态度与责任的提升，探究迷思概念的转变

哲学家罗素曾说“智慧的不足和道德的缺陷是人类灾难的两大根源。”教育的根本目的是让学生形成正确的人生观和价值观。而物理学科是要让学生一方面养成实事求是的科学态度，另一方面具有遵守道德规范、保护环境并推动可持续发展的历史责任。

目前，物理教学中我们研究的定量性问题居多，其结果往往具有唯一性和精确性。学生在处理实际问题时追求用更精确的物理规律解决问题，他们不敢或不会抓事物的主要矛盾，忽略次要因素。其实，中学很多物理情境都或多或少采取了理想化处理。

案例4：转变“平均速度与瞬时速度完全不等同”的迷思概念

教学片断4：高空抛物是一种不文明的行为，带来了很大的社会危害，城市高空抛物威胁着人们的“头顶安全”。现有一个鸡蛋从离地某高度处自由下落，某摄影爱好者恰好拍摄到它下落的一段轨迹AB，如图8所示。已知砖块的平均厚度为5 cm，该照相机的曝光时间为0.005 s，g取10 m/s2。你能估算出鸡蛋抛出点离A点的高度吗？

绝大多数学生都认为，照片中的鸡蛋从A点下落到B点是匀加速过程，在计算出发点离A点的高度时采用了多种方法求解（略），但是不仅步骤繁琐，而且计算量大、耗时多。

针对学生计算过程笔者追问：

问题设置1：结果是20 m，与AB的长度相比有什么特点？

问题设置2：精确来说，从抛出点到A点下落的时间是1.9975 s，与曝光时间0.005 s相比有什么特点？

这时教师引出当下落位移足够小或时间足够短时，此过程的平均速度就等于A点的瞬时速度。学生终于恍然大悟，根本不必考虑A点到B点的速度变化。

问题设置3：一个30 g的鸡蛋从8楼抛下会让人的头顶受伤。请你谈谈高空抛物的危害？

反思：通过实际的计算体验和问题引导下的感悟，让学生领悟到在解决物理问题时必须尊重客观事实的态度。这种对学生进行科学态度的教育不是人为的“灌输”和“说教”，而是在问题解决中潜移默化地培养学生的科学态度与责任。教学是培养人的社会活动，问题设置3中让学生谈谈高空抛物的危害，目的不仅是锻炼学生的语言表达能力，还要帮助学生形成正确的人生观、价值观，批评当下，面向未来。

学生前概念中产生的迷思概念是教学中的痛点。物理观念的形成，科学思维的积淀，探究过程的展开，科学态度的提升，都离不开思维的冲突。教师应沿着学生的“迷思”找到“痛点”，即思维的冲突点，发现概念认知过程中的理解障碍，从而提出具有可行性的转变策略。在迷思概念转变过程中，我们不仅要关注物理概念与规律的达成，还要立足核心素养的四个维度去思考和重构教学设计，达成立德树人的根本任务。

参考文献：

[1]林颋炜.从物理核心素养的培养观察习题讲评的有效性[J].物理教师，2020，41（07）：42-45+49.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.

[3]惠广俊.创设问题情境 启迪学生思维[J].物理教师，2019，40（12）：14-17.

（栏目编辑    赵保钢）