“先学后教”消除中学生物理思维定势的实验研究

(广西壮族自治区南宁市第三中学,广西 南宁 530021)

在实际教学中常发现：教师上课讲过的内容学生仍会出错，学生中存在惊人相似的思维定势，这直接影响了学生对物理情景的正确判断、问题解决的准确性，无法很好地实现物理核心素养的提升。因此教师需对学生在物理概念学习中产生的思维定势做深入的探讨，认真分析其成因，提出克服这些思维定势的对策。

物理概念和规律的运用是一个灵活分析、解决问题的过程,而学生在学习物理时常常根据习惯来认识问题,先入为主。对有些物理现象只记结论，不善于分析；一些教师在讲解习题时，也习惯用常见的、典型的思路来分析,使学生形成了物理学习中的思维定势。

学生一旦形成某种思维定势，易造成思维方式的僵化，不利于思维的发散,缺乏创造性，学生很容易把头脑中已有的、习惯了的思维方式不恰当地运用到新的物理学习中去，不善于变换思考问题的角度，不善于改变解决问题的方法，所以常常出现思维错位、运算困难，使问题难以得到解决。在建立概念和规律时,学生因未真正理解其内涵和外延,便会造成“定势错觉”，且极易迁移到应用中去。例如：在物体惯性问题的认识上，学生总认为运动得快的物体惯性大，运动得慢的物体惯性小；在运动和力的关系上，常常会认为力是物体运动的原因，物体受力才能运动；对于摩擦力，则认为摩擦力的方向总是与物体运动的方向相反，摩擦力总是阻碍物体的运动等等。

学生思维定势的产生，一方面受日常生活中积累的知识和经验、类似物理概念等的影响。而另一方面，教师对概念的内涵和外延诠释得不透彻，使学生只关注现象，不注重本质，使学生形成思维定势。可见正确选用教学方式，有利于引导学生学会思考，避免思维定势的形成，或是破除已经形成的思维定势，培养发散、创新思维。笔者以“先学后教”的教学方式，进行了破除学生思维定势的实验研究。

1 实验目的

比较不同教学方式对学生物理思维定势的破除情况，进一步考察这些教学方式在破除思维定势中的成效。

2 实验方案

2.1 设计

本实验采用等组后测实验设计，自变量是物理教学方式，因变量是学生思维定势负效应的减少。

2.2 被试选择

选择南宁三中2011级(4)班为实验班、2011级(10)班为对照班。参考入学成绩以及高一历次考试成绩进行高二平行分班，经过一年学习后，根据平时测试和观察，两个班的数理成绩水平相当，并对高二实验前成绩进行了独立样本t检验，表明结果差异不显著(Sig<0.05)。

2.3 实验工具

教学内容：动力学、能量、圆周运动等力学知识。

前后测：在北京师范大学张萍教授编制的《力学专题》前概念测试题的基础上，结合高考题编制测试题。

2.4 实验安排

实验班和对照班都由笔者执教，在常规教学中进行实验，且学生不知道在进行实验，有效控制了一些无关变量的影响。

实验班的教学采用“先学后教”教学方式，即学案自学→任务驱动、讨论→错例剖析→反馈。对照班的教学采用传统教学方式，即：例题分析→练习→反馈。

3 案例呈现

对于物体和弹簧连接问题，学生的问题解决能力较为薄弱，表现为在对临界条件以及过程的对称性分析上存在思维定势，认为原长是脱离的临界条件。

3.1 前测

例1(2012年四川卷)：如图1所示,劲度系数为k的轻弹簧的一端固定在墙上,另一端与置于水平面上质量为m的物体接触(未连接),弹簧水平且无形变。用水平力F缓慢推动物体,在弹性限度内弹簧长度被压缩了x0。此时物体静止。撤去F后,物体开始向左运动,运动的最大距离为4x0。物体与水平面间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g，则( )。

图1

A. 撤去F后,物体先做匀加速运动,再做匀减速运动

答案为B、D。

前测情况如表1所示。

表1

3.2 对照班教学过程

图2

变式训练：如图2所示，在劲度系数为k的弹簧下端挂一质量为m的物体，物体下有一托盘，用托盘托着物体使弹簧恰好处于原长。然后使托盘以加速度a竖直向下做匀加速直线运动(a

3.3 实验班教学过程

教师提问：请说说你是怎么想的？

生1：我觉得应该m在平衡位置时脱离托盘。

生2：我觉得不是看具体位置，应该看支持力是否为零。先结合受力分析整个运动过程：m脱离托盘前，受到弹簧拉力、支持力和重力，保持匀加速直线运动，当拉力增大时，支持力减小。脱离时弹力为零，那么脱离位置应该是加速度为g的地方，相当于撤去F后，下面托盘以重力加速度g运动。

生3：题目说了是匀加速运动，加速度怎么会突变为g？我们可以继续分析一下，在物体与托盘脱离前，物体受重力、弹簧的拉力和托盘的支持力的作用，随着托盘向下运动，弹簧的拉力增大，托盘的支持力减小，但仍维持合外力不变，加速度不变，物体随托盘一起向下做匀加速运动。当托盘的支持力减小为零以后，弹簧拉力的增大将使物体的加速度开始小于a，也就是此后物体追不上托盘了，由力和运动分析可知：物体与托盘脱离的条件是支持力FN=0。

师:所以分离的临界条件必然在弹簧处于原长或者平衡位置吗？

生:不是。应该要结合受力情况进行分析。

师:从力和运动的角度看,分离的临界条件应该是什么？

生:两物体间的弹力为零且加速度相等的时候。因为后来加速度不同,物体无法跟上托盘,只能分离。

3.4 后测

图3

例2：如图3所示，木板固定在劲度系数为k的轻质弹簧上，弹簧与地面连在一起。现把质量为m的木块A放在木板上，并用力将木块A向下压，然后突然放手,木块A随即被弹射出去，则在木块A脱离木板之前，木块A的运动情况为( )。

A. 先作加速度减小的加速运动，后作加速度增大的减速运动

B. 先作加速度减小的加速运动，后作加速度减小的减速运动

C. 木块与木板脱离可能是在弹簧恢复原长时

D. 木块与木板脱离可能是在弹簧恢复原长之前或之后

解析：用手将重物向下压缩弹簧到一定程度后，突然将手撤去，在开始阶段，弹簧的弹力大于重物的重力,其合力方向竖直向上，重物向上做加速运动，弹簧弹力逐渐减小，所以加速度随之减小；当弹簧的弹力小于重物的重力时，合力竖直向下，而速度竖直向上，重物做减速运动，但加速度越来越大。所以重物先作加速度减小的加速运动，后作加速度增大的减速运动，故A选项正确，B选项错误；当弹簧的弹力为零时，木块只受重力做竖直上抛运动，木板此后受到弹簧弹力方向向下，加速度大于g，所以当弹簧恢复原长时，木板与木块脱离，故C选项正确，D选项错误。

3.5 实验结果

(1) 统计分析

后测情况如表2所示，对后测成绩进行独立样本t检验，结果如表3、表4所示。

表2

表3 分组统计量

表4 独立样本检验

在分差的95%置信区间，即a=0.05。从方差方程的Levene检验都发现Sig值大于2a=0.1，选取假设方差相等，对应均值方程的t检验Sig值都小于0.05，可见，后测中对照组和实验组存在显著性差异，对照组成绩不如实验组。

笔者对男女生的后测成绩也进行了独立样本t检验，结果如表5、表6所示。

表5 男女生统计量

表6 独立样本检验

在分差的95%置信区间，即a=0.05。从方差方程的Levene检验都发现Sig值大于2a=0.1，选取假设方差相等，对应均值方程的t检验Sig值也都小于0.05，可见男生、女生存在显著性差异，男生成绩明显好于女生。

(2) 实验结论

① “先学后教”教学方式能提高学生破除思维定势的能力；

② 教学方式对男生的影响明显大于女生。

4 结语

“先学后教”的教学方式让学生在讨论中暴露错误前概念，不断实现知识的生成，通过充分透彻的讨论思考及自主建构，能有效进行发散性思维训练，清除思维定势负效应，使得学生具有清晰、系统的物理观念，能正确描述和解释自然现象，灵活应用所学的物理知识解决实际问题。能根据解决问题的需要建构恰当的物理模型，在新的情境中对综合性物理问题进行分析和推理，获得正确结论并加以解释。

以这个实验研究为基础，教师们可以将任务驱动法、前馈控制法、错例剖析法、认知冲突法等结合起来，有效激发思维冲突，突破思维定势，提升核心素养。

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