相异构想

教育理论上把学生由感性认识得出的偏离科学现象本质和科学概念的理解与想法称为相异构想（Al-ternative Frameworks），它是如何形成的？有何特征？

相异构想的形成

从建构主义认识论分析，学习不是学生简单地“输入、储存”课本和教师提供的信息，而是主动地将原有经验和新信息进行对比、分析、批判、选择和重建知识结构的过程。学生建构知识的基本方式是同化和顺应。当新的知识与其原有的知识结构和思维方式相符时，就被同化、吸收并储存，否则就会被排斥或经“修正”、“重组”后再吸收。

学生的知识结构和思维方式是通过日常生活的各种渠道逐步形成的，他们往往与科学的概念和思维方式大相径庭。所以，经学生自主修正、重组后的知识往往是新知识与旧知识、科学的思维方式与原有的思维方式相互混杂，派生出形形色色的偏离了科学概念的相异构想。

相异构想从产生的途径上可以分为两种形式，一种是在接受科学教育之前，学生根据日常生活经验，在与自然和社会环境相互作用的过程中形成的。例如，对力与运动的关系，学生在学习之前可能已经理解为力是维持物体运动的原因，作用力越大物体运动得越快；当推动物体的力停止作用，原来运动的物体就静止下来。对落体运动，认为物体越重下落得越快；对于钢笔吸墨水的现象，认为是钢笔的胶皮管具有“吸力”；冬天放在室外的金属块的温度比同样条件下的木块的温度低，等等。而且，学生把这种看法视为“常识”，认为是千真万确的。

另一种是学生在接受科学教育之后，在教学情境中形成的，主要表现在一些学生缺乏感知经验的概念。如在学过分子动理论后认为物体受热膨胀是因为分子和原子可以膨胀；在学过电流概念后认为电流从电源正极出发流向负极，故离正极近的电灯光亮；电流流过灯泡后由于电能的消耗使电流强度变小，等等。

相异构想的特征

由上述建构主义的学习过程可以推论相异构想的一些基本特征。

（1）由于学生的生活环境、活动范围等不尽相同，对同一类事物的认识、感受也不完全相同。原有经验不同，建构方式也因人而异，即使在相同的学习情境中接受同样的新信息，不同的学生也会获得不同的理解或解释，即取得不同的学习结果。所以，每个学生在头脑中产生的相异构想也是各式各样的。正确的只有一个，而错误的则可能是五花八门。即每个学生的相异构想都有其特殊性。

（2）既然学习过程是学生新旧经验之间双向相互作用的过程，而学生所经历的生活环境是有其共性的，又处在同一个学习情境中接受同样的新信息，所以他们的相异构想也有相似性，即同一种相异构想在不同的学生中往往具有普遍性。如在日常生活中，人们常将惯性说成是向前的冲力，将离心现象归结为离心力作用的结果，等等。尤其是在信息技术高度发达的今天，学生通过各种途径获得的大量信息中，更是充斥了非科学甚至是伪科学的内容，而这恰恰是构成多数学生学习新知识的基础。

正因为相异构想有其普遍性，也使我们研究相异构想有着共同的基础和普遍的指导意义。

（3）从心理学角度分析，相异构想含有学生对物理现象的首因效应，即第一印象会对后继过程产生影响。第一印象最深刻、也最顽固。相异构想是“切身体验”到的结果，同时又是学生之前认识世界所凭借的工具，儿童就是靠这种原始的认知结构来认识世界，并“成功”地解释了一些现象。因此对这些认知深信不疑，很难轻易放弃。即相异构想有其顽固性的特征，绝不是通过一次清晰的讲解就可以“毕其功于一役”的。

纠正相导构想的教学策略

传统的教学观点把学习看做是知识的吸收过程，如同海绵吸水一样。所以，许多教师虽然知道学生存在着各种各样的错误认识，但认为只要把正确的概念传授给学生，学生的错误认识就会自然地被纠正过来。这种认为可以通过文字或语言能准确无误地将知识传递给学生显然是一种误解。一个有力的证明是，经过传统教学的学生普遍持有“力是维持物体运动的原因”的观念，即使学过几年物理，仍然在不同程度上存在这种错误认识。

建构主义认为，学习是观念（概念）的发展或改变，而不是新信息的简单积累。教学是为了促进学生从旧观念向新观念转变，教师的任务则是选择能有效促使学生发生观念转变的教学策略。为了实现相异构想向科学概念的转变，笔者认为应从以下几个方面考虑。

1．揭示学生原有的观念和思维方式，是实现概念转变的前提

建构主义的“概念变更”学习观，是把学生原有的知识经验作为新知识的生长点，引导学生从原有的知识经验中生长新的知识。因此，研究学生原有的观念和思维方式，弄清其对学习和理解新知识会造成什么样的障碍与影响，是实现概念转变的前提。

研究原有观念和思维方式的具体方法一般有两种，即调查和讨论。

（1）调查可以是书面问卷，也可以是座谈，或两者结合运用。通过设置一些似是而非的问题、对物理现象的描述或实验，诱导学生说出自己的认识和看法。一般用于对某一个专题中相异构想的研究。如我们对高二学生学习“磁场”一章前做了一番调查，发现他们对磁的产生，磁对电流的作用，磁化现象等已有一定的认识，同时也发现了一些相异构想。如，有些学生认为磁棒上各处的磁性都一样大；还有的认为磁铁的S、N两极用一根导线连接后，导线中会有电流存在，对此，学生的理解是导线中的自由电子受到磁铁的作用而形成了电流，同时磁铁的磁性减弱；天然磁铁周围的磁场和通电导线周围的磁场是性质不同的两种磁场。再如，用塑料板把磁铁和靠近它的小铁钉隔开时，学生认为小铁钉受到的磁力会减小。由于学生对这个问题没有感性经验，为了理解，只好用生活中的经验来类比，如光和热的辐射会被塑料板吸收或挡住，所以他们认为磁场同样也会被塑料极吸收或挡住；而如果用钢板来代替塑料板，学生则认为铁钉受到的磁力不会变，学生的理解是钢板被磁化了，磁性被传递到钢板的另一边。了解学生的这些相异构想，对我们在教学中有的放矢地设计教学策略是至关重要的。

（2）讨论从建构主义的角度看，由于不同学生的原有经验和建构方式不同，对相同内容所取得的学习结果也不尽相同。以积极的态度对待这种差异，可以丰富我们的教学资源。教学中设计针对性问题，通过交流讨论，让学生有机会表述自己的思想和见解，这样不仅可促进学生对知识更全面地理解，还可诱导学生暴露相异构想。如用下面精心设计的一系列问题，可发现存在于学生中的关于惯性概念的相异构想。

师：太空中宇航员抓铅球有什么感觉？

生：没有感觉，因为G=0；

师：铅球投出去后做什么运动？

生：匀速直线运动；

师：若铅球撞在一个人的头上会怎样？

生：不痛不痒（“鱼”上钩了）。

2．引发学生的认知冲突，是实现概念转变的契机和动力

既然学习过程是学生主动建构知识的过程，是学生主动放弃原有概念并建构与科学概念一致的新概念的过程，这种建构是他人无法代替的，那么，学生在什么情况下会主动放弃原有概念呢？

纵观物理学发展的历史，历次重大观念变革之前，都要经历一系列“危机”与“灾难”的剧烈冲击。而在这些危机到来之前，人们也并非未遇到不和谐的迹象，但这些小小的不和谐并未引起人们足够的注意。只有当这些矛盾日益突出，发展成“危机”、“灾难”，再也无法回避时，人们就会以批判的态度重新审定他们曾坚信是完美无缺的塔基，从而导致观念的革新。

同样地，当学生用相异构想的概念来理解和解释某些实际问题而产生矛盾时，即原有概念与科学概念之间发生了“冲突”，而原有的概念无力解决“冲突”时，学生才会自愿放弃旧的观念。从心理学角度看，凡经过否定质疑的知识，在学生中才有较高的确信度。所以，转变相异构想的有效教学策略之一是，教师在教学过程中创设能引起学生产生认知冲突的教学情境，以其无力解决的“冲突”动摇其顽固的相异构想，感到必须修正原来的错误观念或模糊认识，以此为契机和动力，指导学生进行认知顺应，形成与科学观念一致的新概念。

如在学习牛顿第三定律之前，学生头脑中往往已经存在关于拔河比赛的胜负、马拉车前进等生活实例的相异构想，且常把一对作用力与一对平衡力相混淆。为此，可让学生讨论这样的问题：普通人与身体健壮的运动员拔河时，普通人是否必输无疑？学生往往给予肯定回答。进一步问是不是因为运动员的“力气”较大，运动员的拉力大于普通人的拉力呢？学生还是做肯定的回答。这时教师可反诘，让身体健壮的运动员与一个坚固的木桩拔河时，运动员还会赢吗？健壮运动员与坚固木桩谁的“力气”更大？学生困惑了，认知上剧烈的冲突迫使学生放弃所谓“力气”这种偏离科学概念的相异构想，并促使其主动思索、探究拔河比赛中的胜负因素到底是什么？

又如对速度概念的教学，可以设立这样的问题情境，一般情况下，兔子和乌龟谁跑得快？在“龟兔赛跑”的故事中，我们能说兔子跑得快吗？在对比冲突中再引出比较物体运动快慢的两种方法和物理学中用单位时间内通过的路程来比较物体运动的快慢，为速度概念的建立打下基础。

需要注意的是，教师在设置能引起学生产生认知冲突的教学情境后，应诱导学生充分暴露相异构想。可组织学生讨论，乃至争论，并要运用延迟评价的原则，即待所有学生的观点都充分展示后，再揭示矛盾，以免相异构想暴露不完全，解决不彻底。

3．引用实验增加学生的感性经验，是纠正相异构想的关键

建构主义重视旧经验在构建新知识过程中的作用，而很多相异构想的形成，恰恰是因为学生缺乏建构新知识所必需的感性经验。这时，如果我们仍仅按知识的逻辑进行教学，则学生往往难以真正理解，充其量会觉得“似乎有些道理”，可自己原来的认识也是“有道理”的，于是兼收并蓄，记住书上结论的同时也保留了原来的“合理内核”，形成一种模糊混乱的认知结构。教学实践证明，增加让学生自己动手做实验的机会，通过实验为学生提供必要的感性材料，是纠正相异构想的关键之一，可促进学生自主解除相异构想，达到事半功倍的教学效果。

例如，为了说明前述插在磁铁和小铁钉之间的塑料板和钢板对原磁场的影响，我们设计了如下实验，有效解除了对它的相异构想。如图1所示，小铁钉通过一条细橡皮筋连在底座上，由于受磁铁的吸引而“悬空站着”，橡皮筋被拉得很紧。此时，在磁铁和小铁钉之间插入一片塑料板，小铁钉仍然站着，橡皮筋的紧张程度不变；再插入第二、三片塑料板，情况始终不变。再用薄钢板代替塑料板，插入第一片时，橡皮筋开始变松，再插一片，小铁钉突然落下。这种鲜明的对比一目了然，学生难以忘怀。

又如，新教材（人教版）绪言中有一个“瓦碎蛋全”的演示实验，如图2所示，很多学生也看过类似的“气功碎石”表演，都有很深刻的印象，但不太容易解释清楚。在学完“动量”一章后，我们再次提出了这个问题，设问：在鸡蛋能够承受砖块重量的前提下，砖块越多鸡蛋越容易碎，还是越少越容易碎？大多学生认为砖块越多鸡蛋越容易碎，这与物理原理大相径庭。那么，学生错误的结论究竟从何而来呢？建构主义的类比迁移理论认为，学生面对问题时，通常先运用已解决问题的现存知识去指导解决新问题。为了进行类比迁移，问题解决者必须认定一个类比物作为起始点。在面对日常生活中熟悉的问题时，学生往往先从生活经验和常识中寻找类比物。本例中，学生的类比物是“砖块越多，鸡蛋所受压力越大”。但这与问题的本意“砖块多少不同时，铁锤的打击对鸡蛋的冲击力哪个大”截然不同。为了解除学生的相异构想，我们可以用动量定理和动量守恒定律予以定量证明：砖块越少鸡蛋越容易碎。但即使推论过程清清楚楚，学生仍觉得好理解但不好接受。实践表明，相异构想的纠正仅靠警告或理论解释是很难奏效的。教学实践中，我们让学生对比演示该实验，结果是用四块砖演示时成功了，但用一块砖时，几次演示均失败了。实验现象给学生原有的相异构想以强烈的冲击。为进一步增进学生的感受，紧接着我们让学生用手替代鸡蛋做实验，学生明显地感受到静态时的压力与动态时的冲击力不一样，一块砖时的冲击力比多块砖时的冲击力大。至此，再做理论证明就水到渠成了。

4．用科学的思维方法指导学生认知顺应

按照建构主义的观点，学生实现相异构想向科学概念转变的主要机制是顺应。当学生放弃原有概念，在什么情况下会主动建构与科学概念一致的新概念呢？教学实践表明，只有在学生认为新概念的建立是明智的、合理的，并且新概念比旧概念包含更本质的内容，学生才能完全接受新概念，实现相异构想向科学概念的自觉转化。这时，教师应以分析、比较、归纳、推理等科学的思维方法指导学生自主建立新概念，让学生感知新概念可靠的科学基础，认知顺应才能顺利进行。

例如，人在路灯下匀速前进，人影的长度增大得很快，学生就得出影子做加速运动的错误结论。如何帮助学生纠正“位移随时间增加而增大的物体就一定做加速运动”的相异构想？教师应指导学生明确研究运动性质的科学方法，引导学生认真分析物理过程，找出位移随时间变化的关系，建立正确的物理图象。

又如，在学习“电场”一章时，学生常常力图维持“一切物质都由分子或原子构成”的认知结构，不能把对物质的认识扩展到“场”这种特殊物质，而无法形成“场”的观念。通过力学的学习，学生已经习惯于机械叠加的方法和机械的确定性，在学习“分子动理论”时，往往会混淆宏观概念与微观概念的界线，用描述宏观现象的术语来表述微观过程，把宏观当成微观的机械总和，机械地用微观分析解释宏观现象，产生许多相异构想。对这种由观念障碍引起的相异构想，在纠正策略上，科学观念、思维方法上的指导就显得尤为重要。

值得注意的是，某些相异构想经过教学后会变成其他的相异构想。如前述关于塑料板和钢板对磁场影响的相异构想，在第一次调查中有49%的学生认为钢板不会影响磁铁对铁钉的吸引作用，而在学完电磁学后的第二次调查中，这个比例下降为18%，这似乎表明原错误概念得到一定程度的纠正。但在要求学生说明原因时，发现大部分都是错误的。他们认为钢板的作用不是屏蔽磁场才减弱了磁铁对铁钉的作用，而是增强了磁场的作用。原因是钢板被磁化了，它的磁场和原来的磁场合在一起以后，磁场被增强了，对小铁钉的作用也就变大了；还有的学生认为，原磁铁在钢板中产生的感应电流的磁场阻碍了原磁场，故铁钉的受力减小了。这些都表明了探究学生的相异构想是一项十分艰巨的、长期的、复杂的系统工程，需要我们广大教师做出更多的努力。