柯莎　宋师霞　白明侠

摘  要：通过力学概念测试卷（FCI）的测试数据来分析并研究银川能源学院的学生在牛顿力学前概念思维过程中的具体表现形式。研究结果表明，牛顿力学前概念普遍地存在于我校学生的认知中，其主要原因可能是思维定势及日常生活中的经验和表象所致。

关键词：牛顿力学;前概念;物理思维

前科学概念（简称前概念）[1]是学习者在接受正式学习某个科学概念之前，在现实生活中通过长期的经验积累起来的缺乏概括性和科学性的经验，或与科学知识相悖的观念和理解。建构主义[2]认为科学概念的学习建立在前概念基础之上。从认知心理学[3]的角度来说，学生在学习科学概念的过程中，是科学认知与前认知的冲突过程，学生没有完成前概念到科学概念的转化，是因为学生缺乏将前概念转变成科学概念的物理思维，由此，想要转变学生牛顿力学的前概念，就应该培养学生在牛顿力学方面的物理思维。帮助学生从“新手”到“专家”转换，形成网络似的知识体系。本文通过牛顿力学概念测试题来了解并研究我校本科学生在牛顿力学前概念中的思维过程，其主要目的是为正确的物理思维的建立提供基础性研究资料。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

随机选取银川能源学院不同专业的本科学生作为调查研究对象，其中发放调查问卷330份，收回调查问卷311份，有效问卷311份，随机分析100份测试样本。

1.2测试工具及研究方法

本研究的调查工具选取的是美国应用非常广泛的“力的概念调查表”（Force Concept Inventory，简称FCI），它是由赫斯特尼斯（David Hestenes）、威尔斯（Malcolm Wells）和斯维克海姆（Gregg Swackhamer）编写，首次出版1992年3月的《物理教师》（physics teacher）[4]，并经海伦（Ibrahim Halloun）、海克Richard Hake））和莫斯卡（Eugene Mosca）多次修订后1995年8月再版[5]。本测试题由30个选择题题组成，每个题目都有A、B、C、D、E共5个选项，学生根据自己的理解选出正确的选项并说明理由。通过问卷调查、观察、谈话等方式了解学生在牛顿力学前概念中所具有的错误思维的具体表现，为正确的物理思维的建立提供基础性的研究资料，并试图在以后教学中有目的的纠正学生之前的思维过程，力图帮助学生建立正确的物理思维，实现前概念到科学概念的转化，提升学习效果。

2 数据统计及结果分析

2.1 数据统计

本研究采用Excel对测试数据进行统计，在统计时随机选取100份测试卷，并对30个测试题进行逐一统计，其各题目的平均正确率统计情况如表1所示：

2.2 结果分析

根据表1的统计数据，我们对各题目的平均正确率做如下归类，其具体分布情况如表2所示。

从表2的统计结果不难看出，平均正确率低于60%的共有16个题目，已超过半数，甚至第23题和26题的平均正确率低于了30%。，学生的平均成绩分布情况很不理想。雖然在中学阶段学生已经接受过物理课程的学习，但是大部分学生对基本力学概念掌握的并不是很好，甚至还有一些错误的前概念仍然根深蒂固地存在于我校大部分学生的脑海中，这不仅使大学物理课程的教学有一定难度，而且也会间接地影响到理工科类学生后继相关专业课程的学习和工程实践。

3 典型易错题分析

为了深入研究被试对象在牛顿力学方面所具有的错误思维过程的具体表现形式，我们现对部分典型易错题进行简单分析，以了解被试对象在牛顿力学前概念思维过程中的具体表现形式，并在以后教学的中注意这些前概念的存在，不断培养学生的物理思维，有目标的转变学生的前概念，使其形成科学概念。

（1）试题23分析

原题：设有一火箭在外太空从a点移动到b点。如图所示。在外太空，火箭不受外力作用。设在b点火箭的发动机开始工作，产生一个恒定的推力（对火箭的推动力），其方向是与ab连线方向成直角。假设这推动力维持火箭运动到c点。

设火箭运动到c点发动机关闭，推动力立刻变成零。试问下面选项中那一条轨迹描述了火箭离开c点以后的运动？

本题的平均正确率为23%，其中11%的学生选择了A选项，32%的学生选择了C选项，21%的学生选择了D选项，13%的学生选择了E选项。本题考察学生对牛顿第一定律和抛体运动等相关知识的理解及掌握情况，选C选项的学生在21题基础上认为物体沿力的方向运动，这部分学生没有真正理解惯性的概念和平抛运动实质。

（2）试题26分析

原题：设有一人作用在一个大箱子上一个恒定的力。结果大箱子以恒定的速率v0沿水平方向移动了。若人作用在箱子上的作用力增大到原来的两倍，方向仍是原来的水平方向，则：

A）箱子将以上题中箱子原来的速度v0的两倍这样的恒定速度运动;

B）箱子将以恒定速度v运动，2v0>v>v0;

C）箱子先以恒定速度v运动，v>v0，然后箱子的速度不断增大;

D）箱子的速度先不断增大，然后箱子以恒定速度v运动;

E）箱子的速度将不断增大。

本题的平均正确率为30%，其中5%的学生选择了A选项，21%的学生选择了B选项，9%的学生选择了C选项，35%的学生选择了D选项。本题考查学生对牛顿第二定律的理解及掌握情况，选D选项的学生简单地认为速度和力成正比，物体受力后速度会瞬间增大到最大值，然后以此速度做匀速直线运动，持有这种前概念的学生不能正确理解牛顿第二定律的内涵，对该定律缺乏理性认识，以生活中表象为依据进行了简单判断。

（3）试题11分析

原题：如图所示。设有一冰球以匀速v0沿直线运动在光滑无摩擦的水平平面上从a点运动到b点。忽略空气阻力。上图为俯视图。当冰球运动到b点时受到图示中黑箭头方向的快速一击。这一击的作用会使一个同样的静止的冰球获得该方向的速度vk。如果冰球受到一击之后沿着你在第8题所选择的无摩擦轨迹运动，则冰球在受到这一击之后所受到的作用力是：

A）向下的重力;

B）向下的重力和运动方向的水平分力;

C）向下的重力，水平面向上的支承力和运动方向的水平分力;

D）向下的重力，水平面向上的支承力;

E）没有力作用在冰球上。

本题的平均正确率为35%，其中6%的学生选择了A选项，13%的学生选择了B选项，42%的学生选择了C选项，4%的学生选择了E选项。本题考查学生对力与运动等相关知识点的理解及掌握情况，选C选项的学生认为物体受到冲击力的作用后，力会一直在物体的整个运动过程中都存在，因此他们以为冰球受到击打，就会产生一个水平方向的分力，持有这种前概念的学生不理解什么是冲击力，不知道该力有什么样的特点，仅凭生活中的经验和固有的思维定势进行判断，误把冲击力看成恒力。

（4）试题20分析

原题：图示为两块石头的运动记录。两石块向右运动。现每隔0.2秒记录下石块的位置，用一带数字标号的小黑正方形标识。

假设这两块石头的加速度各为常量，它们之间的关系是：

A）石块a的加速度比石块b的加速度大;

B）石块a的加速度和石块b的加速度一样，两个加速度都大于零;

C）石塊b的加速度比石块a的加速度大;

D）石块a的加速度和石块b的加速度一样，两个加速度都等于零;

E）没有足够的证据回答这个问题。

本题的平均正确率为43%，其中16%的学生选择了A选项，3%的学生选择了B选项，31%的学生选择了C选项，7%的学生选择了E选项。本题考查学生对加速度等基本概念的理解及掌握情况，其中选C选项的学生认为位移变化量越大，速度的变化量也就越大，导致加速度也越大，持有这种前概念的学生没有真正理解加速度的内涵及物理意义，他们模糊的认为加速度就是速度增加（变化）的那部分，并且这种错误的前概念一直到持续到了大学阶段。

4 总结

从以上分析我们可以看出，牛顿力学前概念广泛地存在于我校学生的认知中，虽然学生在高中阶段已学习过物理，但对于基本物理概念还是很模糊，并没有掌握其本质和内涵，其主要原因可能由于思维定势及日常生活中的经验和表象所致，导致学生在解决问题时缺乏理性分析。在以后的教学过程中，我们必须而且也很有必要以基本的力学概念为出发点，对学生的原有前概念和原有知识经验进行引导，培养学生在牛顿力学方面的物理思维，使学生能够将脑海中的前概念转变成科学概念，为后继课程的学习打基础。

参考文献

[1]  顾明远.教育大词典（5）：教育心理学[M].上海：上海教育出版社，1990.

[2]  陈琦，刘儒德.教育心理学[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]  梁宁建.当代认知心理学[M].上海：上海教育出版社，2003.

[4]  David Hestenes，Malcolm Wells. Force Concept Inventory[J]，The Phys，Teach，1992.

[5]  David Hestenes，Ibrahim Halloun. Interpreting the Force Concept Inventory[J]，The Phys，Teach，1995.

作者简介：柯莎（1985-），女，陕西汉中人，硕士，讲师，主要从事大学物理及实验方面的教研工作。

基金项目：银川能源学院科学技术研究项目资助（2016-KY-Y-27）