学生对力学现象的误解及其矫正，本文主要内容关键词为：力学论文,误解论文,现象论文,学生论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
学生在学习物理知识之前，在日常生活及以往的学习中已经形成了一些对物理世界的初步认识，但这些认识中有不少是错误的，可以称之为“误解”。毫无疑问，这些误解对学生学习物理知识必然产生负面影响。为了有效地克服这些影响，有必要研究学生究竟有哪些误解？这些误解是怎样形成的？对学习物理有多大影响？怎样才能有效地纠正？为此，我们教研组从1996年5月开始，开展了“学生对力学现象的误解及其矫正”的专题研究。
一、研究的方法和步骤
1.研究的方法
主要是书面测试，了解学生存在的误解；其次是抽少数学生面谈，了解误解形成的原因；然后针对了解的情况提出改进教学的措施，并在下一届的教学中去检验。
2.步骤
(1)1996年5月，在95级高一学生学习力学结束时进行了书面测试。
(2)1996年9月，在96级高一学生即将开始学习高中物理前，以同样的测验卷进行了学前测试。
(3)分析以上两次测验的结果，研究改进措施，并在96级高一的教学中贯彻这些措施。
(4)1997年6月，仍以同样的测验卷，对96级高一进行学后测试，并进行本专题的总结。
注：测验卷（附后）选自美国《物理教师》杂志1992年3月号刊登的“力概念一览表”一文。原卷是为探测没有正式学过力学的学生在力学方面存在的误解而设计的，共29题。我校测试时选用了其中25个题，全部为选择题。
3.书面测试结果
见表1、2。
表1历次测验的成绩
测验时间对 象
参测人数 平均成绩(分) 及格率
1996年5月学完力学后
95级高一
351
67.772%
1996年9月学习力学前
96级高一
533
51.234%
1997年6月学完力学后
96级高一
530
72.779%
从上面两个表的数据可以看出:
(1)96级高一学生学前测试及格率仅34%，25个题中有16个题即64%的题目，错误率达到或超过50%。说明学生在学习高中物理前对力学现象的误解相当普遍。
(2)两届高一学生学完力学后测试的及格率分别为72%和79%，说明多数学生经过对高中力学的学习初步掌握了牛顿力学的最基本概念和规律。
(3)情况并不能令人满意。在学后的测试中，95级学生有7题（占全卷28%）错误率仍达到或超过50%。96级学生是经过教师对误解的针对性有所加强的教学，并第二次使用同一试卷测试的，这使得他们的成绩比95级有较明显的提高，但仍然有4题（占全卷的16%）错误率达到或超过50%。多数题目错误率比95级低一些，但反映的问题也是严重的。如有关作用力与反作用力的第12题，错误率达15%，即在530个学生中仍有80人对牛顿第三定律没有完全理解。这些情况反映出，学生对有些力学知识的误解是根深蒂固的，是不容易纠正的，我们的教学还必须进一步改进。
二、学生对力学现象的误解及其成因
根据我们对学生答券情况的归类总结和与少数学生面谈的记录，大体上了解到，学生在学习高中物理前较普遍地存在着对力学现象的误解，归纳如表3。
2.误解的成因
经分析我们认为，上表所列的误解主要是由下列原因形成的：
(1)在日常生活中，人们普遍存在着一些模糊的非牛顿力学概念。如“力”，人们常说：某人力大，某人力小，某人充满活力等等。基于这样的“力”的概念，就很容易产生大物体施力较大，主动者施力较大，运动物体必受力的作用等误解。
(2)对生活中的一些现象不加科学分析，单凭直觉，形成误解。如从“物体不推不动”得出，“力是运动的原因”；从“掷出的球做抛体运动”得出，“球总是做抛体运动”等等。第19题A项引出了一个凭直觉回答问题的例子。当一个学生被问到为什么选择A时，回答说：“坐汽车时，向窗外扔出的物体不是向后运动吗？”
(3)在以往的学习中存在一些错误概念，如有关惯性的一些误解：“力克服了惯性，惯性没有了”，“克服惯性需要时间”，“在惯性力作用下运动”，“速度大的惯性大”等等。又如“压力总是向下的，所以大气压力总是向下”。
三、矫正误解的措施
学生的误解之所以比较普遍，且不容易矫正，是因为这些误解往往源于生活，学生印象很深。如果仅按教材叙述教学，不触动学生原有的误解，学生好象听懂了，也能够正确回答某些问题，但一遇到不同的或稍微复杂一点的情况，他们的信念就会立刻动摇，仍然不能正确回答。所以要矫正误解，首先必须重视这些误解的存在，对这些误解的负面影响要有足够的认识。在制定教学计划的过程中，要制定矫正误解的教学计划，有意识地利用各种手段反复矫正，才能取得良好效果。根据我们的经验，下列一些措施是有效的。
1.针对误解，强调物理概念中一些容易被忽略的要点
如力作用的瞬时效应。课文中提到，“只有受到外力作用，物体才具有加速度，外力停止作用，加速度随即消失。”这说明了力作用的瞬时效应。但力的瞬时效应在部分学生中往往和力的积累效应混淆起来。如认为△υ=at是反映力的效果要经过一段时间才能表现出来，认为力的作用具有滞后性。所以，教学中应强调指出：物体受力时，立即获得加速度；力撤消时，加速度立即消失；力和加速度的关系是立竿见影的关系。在以后的教学中，还应该把力的瞬时效应和积累效应互相对照，使学生明确它们之间的联系和区别。
又如学生有“只有作用力大于反作用力才能加速”这样的误解，显然是把作用力和反作用力跟作用在一个物体上的两个力混淆起来了。因此，在讲授牛顿第三定律时有必要强调一下：作用力和反作用力分别作用在两个物体上，既不是“平衡”，也不是“合成”。
2.运用实验及逻辑推理矫正误解
认识来源于实践，所以实验是矫正误解的重要而有效的手段，但仅仅让学生看到实验所展示的现象是远远不够的。例如，在牛顿第一定律及惯性的教学中可做这样的实验：将一木块放在木板上让其随木板一起在水平桌面上运动，当木板遇到障碍物停止运动时，木块却继续向前运动。实验后，如果教师立即做结论说：“木块之所以继续运动，是因为它具有保持自身运动状态不变的性质，这种性质被称为惯性。”如此教法，即使再多做几个类似的实验，学生也未必能完全正确地理解惯性。有的学生还可能产生这样的疑问：为什么木块的继续运动，不是由于力的作用呢？他们原有的误解“力是使物体运动的原因”并没有被触动。比较好的方法是：在学生看过这个实验后，引导学生运用逻辑推理的方法去认识惯性。比如，教师提出对实验现象可以有两种解释：一种是，这时木块受到一个向前的作用力使它继续向前运动；另一种是，这时木块在前进方向上不受力的作用，继续向前运动是由于它本身的某种性质决定的。让学生考虑孰是孰非，然后引导学生对木块的受力情况进行分析。如果说木块受到一个向前的力的话，那么，根据力是物体对物体的作用，这个力必然有一个施力者，但又找不到这个施力者，那么这个力自然也就不存在。这样引导学生逐步认识到第一种解释是完全错误的，纠正了“力是使物体运动的原因”的误解，从而可以比较自然地形成物体惯性的概念。
因为是“误解”，必然有内在矛盾，所以使用逻辑推理揭露其矛盾是矫正误解的有效方法。课本中的阅读材料《伽利略对自由落体的研究》及《爱因斯坦谈运动的问题》，介绍了伽利略的逻辑推理方法，应该引导学生认真阅读，并适当讲解，使学生在学习物理知识的同时，学习科学推理的方法，这对提高学生的科学素质是非常有益的，也是矫正误解的最根本手段。
3.通过讨论 矫正误解
讨论是常用的教学方法，也是矫正误解的有效方法。提出高质量的讨论题是组织讨论教学的关键。在96级高一物理的教学中，教师在有的班级把学前书面测试中的部分题目安排在有关章节的教学中，组织学生讨论。这些题目学生思考过，有印象。当他们学过有关知识后，再来回顾自己原先的错误想法时，不少学生有恍然大悟之感，收到了较好的教学效果。
实践证明，讨论可以使学生的误解得到较充分的暴露，因而得到矫正；还可以充分调动学生思维的积极性，使他们互教互学，提高他们的思辩能力和语言表达能力。
4.收集信息，不断矫正误解
一般地说，误解不是一堂课或一次练习评讲就可以彻底矫正的，所以在教学中应通过课堂提问，课内外练习、讨论、面谈及书面测试等手段，收集信息，不断了解学生存在的误解，以便于矫正。
我们体会：要比较全面，比较迅速地了解学生的误解，命题恰当的书面测试是较好的手段。测试的命题要全面考虑学生可能存在的误解，力求做到有的放矢。
学生的误解，特别是学过以后仍有误解，往往集中在少数后进学生中。后进生误解较多，且不容易矫正。要帮助他们矫正，必须了解他们误解的症结所在，最好的办法是面谈。有一名女学生，当被问及在学前测试中，第6题为什么选C时，回答说：“一击使小球运动状态改变，但由于惯性，小球要保持原来的运动状态，所以一击之后，小球恢复原方向前进。”很明显，这个学生不仅有“运动方向决定于受力方向”的误解，而且把“保持运动状态不变”误解为“恢复受力作用前的运动状态”。这样的问题不通过面谈是不容易发现的。
只有收集到学生对哪些物理概念有误解的信息，才能有的放矢地进行纠正，澄清学生的错误认识。
这项专题研究是我们教研组的初次尝试，可能很不成熟，目的是抛砖引玉，引起同行对这一问题研究的重视。
附：书面测试试题
1.两金属球大小相同，但一球的重力为另一球的2倍，两球同时从2层楼顶下落，则两球到达地面所花的时间：
A.重球约为轻球的一半
B.轻球约为重球的一半
C.大约相同
D.重球短些，但不一定是轻球的一半
E.轻球短些，但不一定是重球的一半
2.设一辆大卡车和一辆小车迎头碰撞，碰撞时，
A.卡车对小车施力大于小车对卡车
B.小车对卡车施力大于卡车对小车
C.两车互不施力，小车被撞碎只是因为它挡了卡车的道
D.卡车对小车施力，但小车对卡车不施力
E.卡车对小车和小车对卡车施同样大的力
3.两钢球，其中一球的重力为另一球的2倍，以相同的速率从一水平桌面滚下。
A.两球落地时，离桌子的水平距离大约相同
B.重球落地时，离桌子的水平距离约为轻球的一半
C.轻球落地时，离桌子的水平距离约为重球的一半
D.重球落地时，离桌子的水平距离远小于轻球，但不一定是一半
E.轻球落地时，离桌子的水平距离远小于重球，但不一定是一半
4.用绳系一重球沿一水平圆轨道旋转，如图1所示。在图示瞬间，绳突然断了，如从正上方观察，请指出绳断后球的运动轨迹。
5.一男孩竖直向上掷一钢球，不考虑空气阻力，到球落到地面为止，作用在球上的力为：
A.竖直向下的重力及一不断减小的向上的力
B.球离手到达到最高点受不断减小的向上力，下落时受不断增加的重力
C.一恒定的向下重力，上升过程中还受一个不断减小的向上力
D.只受到一恒定的向下重力
E.以上力都不存在，球回到地面是一种自然行为
6～9题依据图2描述的情况回答。图2是一以速度v[，0]匀速运动的小球在无摩擦的水平面上从a运动到b，在到达b点时，受到沿矢号所示方向的瞬时一击。
6.球受到这一击之后，将沿图3中哪条路径运动？
7.刚受到此击之后，球的速率
A.等于受到此击之前的速率v[，0]
B.等于从此击得到的速率υ，而与v[，0]无关
C.等于v[，0]和υ的算术和
D.较v[，0]或υ都小
E.大于v[，0]或υ，但小于v[，0]与υ的算术和
8.球受此击之后，沿着你选择的无摩擦的路径运动时，它的速率
A.无变化B.不断增加C.不断减小
D.短时间增加，以后减小
E.短时间不变，以后减小
9.在此一击后，沿着你选择的路径运动时，作用在球上的力主要是：
A.向下的重力和大气压力
B.向下的重力和沿运动方向的水平力
C.向下的重力、由桌面施加的向上力和沿着运动方向作用的水平力
D.向下的重力、由桌面施加的向上力
E.重力对球无作用，球下落是由于物体有下落到其自然位置的内在趋势
10.图4为一固定在水平桌面上的半圆形沟道，一球从"1"进入，从"2"离开此沟道，图中哪一条路径最能代表球离开沟道后在桌面上运动的情形？
11.两个学生a和b面对面地坐在相同的椅子上，a的质量为95kg，b的质量为77kg，a的双脚放在b的膝盖上，如图5所示。突然，a用双脚推b，使两张椅子都运动起来，在此情况下：
A.a和b互不施力
B.a施力于b，但b对a不施任何力
C.a、b互相施力，但b施力较大
D.a、b互相施力，但a施力较大
E.a、b互施同样大的力
参照图6回答12、13两题。一大卡车抛锚，用一辆小车推着它返城。
12.当小车推着卡车加速运动时：
A.小车推卡车的力等于卡车反推小车的力
B.小车推卡车的力小于卡车反推小车的力
C.小车推卡车的力大于卡车反推小车的力
D.小车引擎开动着，所以它施力于卡车，而卡车的引擎不运转，所以它不能反推小车，只是由于它挡了小车的道，所以被推向前
E.两车互不施力，由于卡车挡着小车，所以被推向前
13.当小车推着卡车匀速运动时：（选项同上题）。
14.一石块从屋顶落到地面，
A.下落后，速率很快达到极大，然后匀速下落
B.一面下落一面加速，因为越接近地面，地球引力越强
C.由于地球对石块恒定引力的作用，石块加速
D.下落是由于一切物体都有向地球下落的内在趋势
E.下落是由于重力和大气压一齐推它向下
15.如图7，用钢缆将升降机从竖直井内匀速向上提升，忽略空气阻力，
A.钢缆作用于升降机的力大于向下的重力
B.钢缆作用于升降机的力等于向下的重力
C.钢缆作用于升降机的力小于向下的重力
D.升降机向上是由于钢缆缩短了，并非由于钢缆施力于升降机
E.钢缆施于升降机的向上力大于大气压力和重力的合力
16.一大人和一小孩用绳尽力向右拉一木箱，如图8所示，木箱最可能移动的路径是A～E中哪一条？
17如图9所示，两球向右运动，连续每0.20s末的位置用数字表示，它们的速率有相同的时刻吗？
A.没有
B.在位置2瞬间相同
C.在位置5瞬间相同
D.在位置2和5瞬间相同
E.在位置3和4之间某一时刻相同
18.两球a、b向右运动，它们在连续相等的时间间隔到达的位置由图10中带数字的球表示，两球的加速度的关系为：
A.a的加速度大于b的加速度
B.a的加速度等于b的加速度
C.a的加速度小于b的加速度
D.a的加速度等于b的加速度，但都等于零
E.回答问题的条件不够
19.一球偶然从一做水平飞行的飞机中掉出，从地面看去，球离开飞机后最可能运动的路径是图11的哪一条？
参照图12回答20～23题。图12为一火箭，不受外力从a到b横向飘移，到b时，引擎起动产生一与
成直角的推力，火箭运动到某点c时，引擎又熄火。
20.图13中，哪条路径最能表示火箭从b-c的路径？
21.在火箭从b-c的过程中，其速率
A.恒定B.不断增加C.不断减小
D.短时增加，以后恒定
E.短时恒定，以后减小
22.引擎在c点熄火后，火箭将沿图14中哪条路径运动？
23.火箭过c点之后，其速率
A.恒定 B.不断增加 C.不断减小
D.短时增加，以后恒定
E.短时恒定，以后减小
24.以恒定速率4.0m/s在地板上推一大木箱：
A.如果作用力增加一倍，木箱的速率将增加到8.0m/s
B.推木箱以恒定速率运动的力必须大于重力
C.推木箱以恒定速率运动的力必须等于阻碍它运动的摩擦力
D.推木箱以恒定速率运动的力必须大于阻碍它运动的摩擦力
E.使木箱运动必须有力作用，但诸如摩擦这样的外力并不是“真实的”力，它们只是阻碍运动
25.上题中，如果作用在木箱上的推力突然消失，此木箱将：
A.立即停止运动
B.继续在极短时间内匀速运动，然后减速到静止
C.立即开始减速到静止
D.继续匀速运动
E.在极短时间内加速，然后减速到静止