变易理论指导下的概念转变学习

众所周知，高中物理难学、高中物理难教，高中物理课堂教学效率低下是物理学家、物理教育研究人员及万千高中物理教师共同承认的现象.而高中物理课堂教学实践证明学生头脑中原有的前概念是导致高中物理学习困难的一个重要因素，这些错误的物理前概念具有广泛性、顽固性、负迁移性、特异性等特点，不管教师在课堂上如何抽丝剥茧般为学生剖析问题的关键部分，也不管教师课后如何不厌其烦的帮他解惑，学生也不一定听得懂、理解得透；因此，如何优化高中物理学习方法、提高学生的物理学习效率牵动着广大物理教育工作者的心.

1物理前概念和概念转变学习的重要性

物理学是一门自然科学，物理现象大量存在于学生的周围，学生在学习物理之前通过日常生活的观察和体验，对许多物理现象已形成了自己的一些理解和认识，这就是物理前概念.学生的这些物理前概念有些是正确的，有些是片面的、错误的，例如他们普遍认为“摩擦力就是阻碍物体运动的力”、“重的物体下落的更快”、“做圆周运动的物体受到向心力的作用”、“物体沿斜面下滑就是受到沿斜面的下滑力的作用”、“超重就是物体的重力增加，失重就是物体的重力减小”，他们常常将“加速度和速度的增加”、“静摩擦力和滑动摩擦力”、“时间最短和位移最短”、“相对静止和静止”混为一谈等等.所以在高中物理教学中，让学生正确的掌握物理科学概念是一个重要的核心问题.要解决这一核心问题，需要教师指导学生进行概念转变学习.

所谓概念转变学习就是将学生原有概念改造、重组和发展的过程，即学习者的前概念（又叫错误概念）向科学概念的转化过程.如果学生的前概念和科学概念基本上是一致的，概念转变学习就是一种同化原有认知结构的过程；如果学生的前概念和科学概念之间是不一致的，甚至是有悖于科学概念的，这些前概念将成为学生学习的障碍，将影响学生对物理新知识的同化和顺应.

高中学生在物理学习中除了学习之前形成的前概念外，在物理学习过程中又会产生一些新的前概念，就是之前学过的一些知识或做过的一些练习等对以后的学习产生负面影响，这些新的前概念主要表现在以下几个方面：物理对象前概念、物理情境前概念、物理条件前概念、物理结论前概念、物理公式前概念、物理过程前概念等；教师在教学过程中要分清学生错误的根源，及时引导他们进行分析、比较、概括、抽象和综合等，使学生的前概念经同化与顺应的过程有效地转变为科学概念.

2“变易理论”的核心观点

变易理论（variationtheory）是由瑞典学者马飞龙教授于20世纪90年代提出，它源自马教授创立的“现象图式学”（phenomenography）.变易理论的核心观点是：“为了认识某个事物，就必须注意到这个事物与其他事物之间的不同.为了注意这个事物与其他事物在某个属性上的不同，这个属性就必须在某个维度上发生变化.在所有其他属性都保持不变的情况下，这个属性才会被识别出来.”变易理论认为，“学习必须透过审辨，而审辨必须透过变易”；“如果我们不能审辨事物，我们便不能学习.”变易理论强调学习的意义在于能够审辨到学习内容中的变易.

3“变易理论”在高中物理概念转变学习中的应用

变易理论应用到高中物理课堂学习中就是当一个“关键”的物理特征发生变化时，而其他特征维持不变，我们必须同步聚焦于这些“关键特征”，让这些“关键特征”从背景中审辨出来变成前景，学生才会更好地察觉这种变化，然后在头脑中建构起自己的知识系统，从而形成学习空间.马飞龙和他的同事们透过变易聚焦学习内容，并基于学习内容中“变”与“不变”的不同组合，得出了“对照（contrast）”、“区分（separation）”、“类合（generalization）”和“融合（fusion）”四种变易图式.

（1）对照性变易图式指的是事物的特征都是通过对比而呈现的，要学习一件事物，我们可以透过“对照”，突显出不同或变的方面，让学生意识到什么在变.对照有助于我们审辨事物的关键特征.

例1一小船渡河，河宽d=180 m，水流速度v1=2.5 m/s，若船在静水中的速度为v2=5 m/s，求：（1）欲使船在最短的时间内渡河，船头应朝什么方向？用多长时间？位移是多少？（2）欲使船渡河的航程最短，船头应朝什么方向？用多长时间？位移是多少？

分析小船渡河是运动合成与分解中的重要问题，渡河时间最短与渡河航程最短是学生理解的难点，这主要是受以往“位移最短就是时间最短”的前概念的影响，教师在教学中要帮助学生“对比”两个问题的“关键特征”：渡河时间仅由船在垂直于河岸方向的分速度决定而与水速无关，而实际航线是由船速和水流速度共同决定的，如图1所示.

（2）区分性变易图式指的是要学习一件事物的某一方面时，我们就必须把这方面的因素从事物的整体中区分出来.要从一个整体区分出其关键属性，学生必须经历这纬度上的值的变易，其方法是开创一个新的变易维度，而使其他各方面保持不变.

分析此题是力学中的难题，大多学生会选择C选项，这是学生对“物理对象”的前概念引起的；大多学生做过如图3所示的用大小相同的外力沿不同方向把物体拉动或推动时物体受到地面摩擦力不同的题目.因此，给斜面上的物块m施加不同方向的外力时，学生就主观上把这个力传递给斜面体.教师在教学过程中要引导学生开创一个新的变易维度，把斜面体隔离出来，对斜面体进行受力，如图4所示，抓住三种情况的关键特征：斜面体受到物块的压力和滑动摩擦力始终不变，斜面体受到地面的摩擦力始终为零，所以D选项正确.

（3）类合性变易图式指的是透过聚焦于什么是不变的，从而推论出定理或规律；类合有助于我们区分关键特征和非关键特征.通过“类合”，可以使学生从变化中审辨出不变的维度，而这个具有普遍性的“维度”会成为这几类事物的共同特征.

分析此题是2013年厦门市高中毕业班适应性考试理科综合能力测试第22题，得满分的考生很少；第（2）问是学生对“物理情境”的前概念引起的，不少学生以力学中常见圆周运动最低点的情境N-mg=mv2R来解，没有进行正确的受力分析，无视电场力的存在；第（3）问是学生对“物理过程”的前概念引起的，之前做过与传送带相关的大多题目是匀变速运动，大多考生把此题中洛伦兹力当作恒力，把物体的运动当作匀减速运动来处理；教师在教学中要进行正确受力分析，引导学生审辨出本题的关键特征是洛伦兹力是变力，摩擦力做功是变力功，无法直接用动能定理求解.教师在教学过程中要引导学生把物理问题的不同方面有机地融合起来，能够觉察到物理问题各方面的变化，对物理问题进行整体认识.

总之，教学的意义在于使学生审辨到学习内容的关键特征，而关键特征的审辨，则依赖于变易图式的正确运用.如果教师能准确地找出学习内容的关键特征，透过不同的组合和结构来开创不同的变易图式，让学生审辨出学习内容的不同或多项关键属性，并引导学生体验“变易图式”，就可使学生的学习由“不可能”变为“可能”.