童大振，潘蘇東，包 雷

（1.華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院，上海 200062；2.美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)物理學(xué)院，俄亥俄州 哥倫布 43210）

0 引 言

建構(gòu)主義知識(shí)觀、學(xué)習(xí)觀和教學(xué)觀作為重要的課程教學(xué)理念，是當(dāng)今被廣泛接受的重要學(xué)習(xí)模型，其以人類歷史的長(zhǎng)時(shí)間視點(diǎn)和人類實(shí)踐的寬維度關(guān)照闡述了知識(shí)和學(xué)習(xí)的建構(gòu)性特點(diǎn)，并解釋了知識(shí)的生產(chǎn)和學(xué)習(xí)何以可能［1］.建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)不是由教師把知識(shí)簡(jiǎn)單地傳遞給學(xué)生，而是由學(xué)生主動(dòng)對(duì)已有知識(shí)體系不斷進(jìn)行再創(chuàng)造、再加工，以獲得新的理解和意義的過(guò)程.由此可知，建構(gòu)必須以學(xué)生原有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將其作為知識(shí)的生長(zhǎng)點(diǎn)，通過(guò)新舊經(jīng)驗(yàn)的相互作用生長(zhǎng)出新知識(shí).所以，為了促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，教師需要了解學(xué)生把什么知識(shí)帶入課堂，在此基礎(chǔ)上，教師需要從學(xué)生的視角來(lái)理解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，這樣才能有助于有效教學(xué)的實(shí)現(xiàn).

在國(guó)際科學(xué)教育領(lǐng)域，通常將學(xué)生在進(jìn)入教室前已具備的解釋客觀現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)稱為“前概念”.由于直接經(jīng)驗(yàn)、日常生活語(yǔ)言和隱喻、同伴文化以及傳播媒體等因素的影響，學(xué)生的前概念中有些是與科學(xué)概念大體一致的，而有些則與科學(xué)概念相悖，這些與科學(xué)理解相悖的前概念通常稱為“迷思概念”［2-5］.由于迷思概念具有情境依賴性和碎片化等特點(diǎn)，所以迷思概念的轉(zhuǎn)變并非只是科學(xué)概念的簡(jiǎn)單替代，相反，要使學(xué)生對(duì)科學(xué)概念產(chǎn)生深刻理解，必須將學(xué)習(xí)植根于其生活經(jīng)驗(yàn)之上［6］.因此，對(duì)學(xué)生迷思概念的系統(tǒng)研究可以為理解學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)特性、追求科學(xué)概念個(gè)人意義提供重要信息［7］.

鑒于前概念是學(xué)生理解新知識(shí)的起點(diǎn)，是重要的教學(xué)、教師培訓(xùn)資源，所以開展前概念研究對(duì)學(xué)生成長(zhǎng)和教師發(fā)展均有促進(jìn)作用.自20世紀(jì)70年代，國(guó)際科學(xué)教育領(lǐng)域開始關(guān)注學(xué)生的前概念研究.就物理教育而言，主要涉及力學(xué)［8］、電磁學(xué)［9］、光學(xué)［10］、熱學(xué)［11］、波和聲［12］等主題的前概念研究 .對(duì)每個(gè)主題前概念的研究往往圍繞3個(gè)相互關(guān)聯(lián)的研究方向展開：識(shí)別和分析學(xué)生的概念理解困難，如對(duì)簡(jiǎn)單電路迷思概念的梳理［13］；開發(fā)評(píng)估前概念的工具，如能量和動(dòng)量概念調(diào)查表［14］；發(fā)展概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略，如使用橋梁類比和錨定直覺來(lái)轉(zhuǎn)變學(xué)生的前概念［15］.由于在國(guó)內(nèi)高中物理教育中，功和機(jī)械能是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，在高中物理課程中具有重要地位.因此，本研究選取國(guó)際物理教育界對(duì)“功和機(jī)械能”前概念的研究進(jìn)行綜述，希望能夠厘清功和機(jī)械能的迷思概念，為該主題及其他主題的教學(xué)、評(píng)估和概念轉(zhuǎn)變提供啟示，從而為素養(yǎng)時(shí)代物理觀念的培養(yǎng)助力.

1 功和機(jī)械能的前概念

功和機(jī)械能的前概念主要可歸納為對(duì)基本定義、大小、正負(fù)或方向、變化量等方面的理解.由于機(jī)械能是一個(gè)復(fù)合概念，為了較為透徹地梳理功和機(jī)械能主題下的前概念，本文將從功、勢(shì)能、動(dòng)能和機(jī)械能4個(gè)維度進(jìn)行逐一分析.

1.1 功的前概念

首先，在功的基本定義方面，從其定義式W=F·S 出發(fā)，可以歸納為 3種誤解 .（1）做功過(guò)程中“力”的誤解.功定義式中的力必須為恒力，在變力情境下不能直接帶入公式計(jì)算.學(xué)生在解題時(shí)常常不區(qū)分恒力和變力情況，均直接用功的定義式進(jìn)行計(jì)算［16］.（2）做功過(guò)程中“位移”的誤解.此處的“位移”是指力的作用點(diǎn)的位移，而非物體質(zhì)心的位移［17］.當(dāng)物體可以看成質(zhì)點(diǎn)時(shí)，二者在數(shù)值上是相等的；而當(dāng)物體不可以看成質(zhì)點(diǎn)時(shí)（如發(fā)生形變的物體），學(xué)生仍然將質(zhì)心的位移帶入求功，就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤.（3）做功過(guò)程中“夾角”的誤解.學(xué)生容易直接套公式進(jìn)行計(jì)算，忽略力與位移夾角的影響［18］.如Singh 和 Rosengrant［14］對(duì) 3 000 余名學(xué)習(xí)基于微積分物理和代數(shù)物理的大學(xué)生進(jìn)行前后測(cè)試，并對(duì)部分參加測(cè)試的學(xué)生志愿者進(jìn)行訪談，對(duì)于題目：一顆衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星僅受地球的引力.請(qǐng)問(wèn)當(dāng)衛(wèi)星在軌道上從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)（非同一點(diǎn)）時(shí)，地球引力對(duì)衛(wèi)星做的功為多少.有部分同學(xué)因沒意識(shí)到力和位移之間的夾角是90°，得出了做功為非零的錯(cuò)誤答案.

其次，在做功路徑與力的種類關(guān)系上學(xué)生也存在誤解.摩擦力等非保守力做功與路徑有關(guān)；重力、彈力、電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力等保守力（又稱為守恒力）做功與路徑無(wú)關(guān).有些學(xué)生不能正確區(qū)分非保守力和保守力，而錯(cuò)誤地認(rèn)為二者做功均與運(yùn)動(dòng)路徑有關(guān)，或者做功均與運(yùn)動(dòng)路徑無(wú)關(guān).如Demirci等［19］對(duì)土耳其巴爾克西爾市7所高中的284名11年級(jí)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查表明：學(xué)生認(rèn)為運(yùn)動(dòng)路徑越長(zhǎng)，保守力做過(guò)的功也越多，物體所獲得的動(dòng)能就越大.

最后，在做功正負(fù)（方向）方面，可將學(xué)生的前概念按照做功過(guò)程中力的大小分為2種情境.第一，單力做功的情境.學(xué)生在判斷做功正負(fù)時(shí)，會(huì)認(rèn)為摩擦力方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，所以摩擦力總是做負(fù)功［20］.另外，學(xué)生會(huì)被坐標(biāo)系誤導(dǎo)，認(rèn)為重力總是沿著Y軸的負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，因此重力總是做負(fù)功.Lover‐ude等［21］調(diào)查顯示，在判斷功的正負(fù)號(hào)時(shí)，學(xué)生有依賴坐標(biāo)系的傾向.有的同學(xué)甚至認(rèn)為：“實(shí)際上不存在負(fù)功，因?yàn)橛脕?lái)計(jì)算功的位移取決于選擇放置坐標(biāo)軸的位置 .”Tanel（Z）和 Tanel（R）［22］的研究也證明了這一點(diǎn)，在學(xué)生的認(rèn)知中，物體在重力的作用下位移方向總是沿著Y軸的負(fù)方向，所以認(rèn)為重力總是做負(fù)功.第二，多力做功的情境.學(xué)生會(huì)誤認(rèn)為由于力和位移都是矢量，其乘積——功也是矢量.所以，多力做功之和等于各力所做功的矢量和.

1.2 勢(shì)能的前概念

在運(yùn)動(dòng)學(xué)中，勢(shì)能主要研究重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能，其前概念涉及基本定義、大小、正負(fù)和變化量4個(gè)方面.

第一，勢(shì)能的基本定義方面.關(guān)于重力勢(shì)能的定義，學(xué)生僅僅從“重力”的字面意思考慮，認(rèn)為有重力就有重力勢(shì)能，重力越大則重力勢(shì)能也越大［23］；另外，學(xué)生把動(dòng)能和重力勢(shì)能混淆，認(rèn)為速度越大重力勢(shì)能也越大.至于彈性勢(shì)能，學(xué)生會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為彈性勢(shì)能是彈簧特有的，其他物體不具有彈性勢(shì)能.

第三，勢(shì)能的正負(fù)方面.關(guān)于重力勢(shì)能的正負(fù)，學(xué)生會(huì)誤認(rèn)為重力勢(shì)能是一種能量，不可能＜0.產(chǎn)生這種誤解的原因在于學(xué)生沒能理解重力勢(shì)能的大小、正負(fù)與參考面的選取有關(guān)，具有相對(duì)性.如許桂清和Bao［24］對(duì)中國(guó)212名高一學(xué)生和美國(guó)97名大學(xué)一年級(jí)學(xué)生調(diào)查顯示：有近半數(shù)的中美學(xué)生均認(rèn)為重力勢(shì)能是一種能量，不可能＜0；另外，36%的中國(guó)學(xué)生和24%的美國(guó)學(xué)生認(rèn)為重力勢(shì)能大小與參考面的選擇無(wú)關(guān).至于彈性勢(shì)能的正負(fù)，學(xué)生會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為彈簧在拉伸時(shí)的彈性勢(shì)能為正，在壓縮時(shí)彈性勢(shì)能為負(fù)，或者與之相反的前概念.

第四，勢(shì)能的變化量方面.對(duì)于重力勢(shì)能的增減，學(xué)生會(huì)誤認(rèn)為物體運(yùn)動(dòng)的路徑越長(zhǎng)，重力勢(shì)能變化的也越多［14］.產(chǎn)生這種誤解的原因在于學(xué)生沒能理解重力是保守力，其做功多少與運(yùn)動(dòng)路徑無(wú)關(guān).關(guān)于彈性勢(shì)能的增減，學(xué)生存在2種誤解：忽略彈簧彈力為變力，不能直接用做功公式進(jìn)行計(jì)算，因此，誤認(rèn)為物體對(duì)彈簧做的功與彈簧的壓縮量成正比；不清楚彈簧的彈性勢(shì)能改變量與運(yùn)動(dòng)過(guò)程無(wú)關(guān)，只與初末位置有關(guān).

1.3 動(dòng)能的前概念

動(dòng)能的前概念涉及基本定義、大小、方向和變化量4個(gè)方面，其中有關(guān)動(dòng)能大小的前概念研究較多且深入.

在動(dòng)能的基本定義方面，學(xué)生有時(shí)將動(dòng)能與速度、機(jī)械能概念等同.對(duì)于動(dòng)能的方向問(wèn)題，由于速度是矢量，學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為動(dòng)能也是矢量，既有大小，又有方向［22］.而關(guān)于動(dòng)能的變化量，學(xué)生主要存在2種誤解：一種是誤認(rèn)為物體運(yùn)動(dòng)的路徑越長(zhǎng)，獲得的動(dòng)能越大［19］；另一種是混淆動(dòng)量守恒和動(dòng)能不變的條件，認(rèn)為動(dòng)量守恒，動(dòng)能也不變［25］.

在動(dòng)能的大小方面，在比較物體的動(dòng)能大小時(shí)，學(xué)生會(huì)錯(cuò)誤地用“補(bǔ)償論證”，即物體的質(zhì)量小，如果其速度比較大的話，那么動(dòng)能也較大，這是因?yàn)樗俣仁且云椒降男问皆趧?dòng)能表達(dá)式中出現(xiàn)的，而質(zhì)量是一次方的形式出現(xiàn)的.因此，學(xué)生會(huì)誤認(rèn)為速度對(duì)動(dòng)能大小的影響起決定性作用.在該主題下，Mcdermott［25-26］團(tuán)隊(duì)做的研究影響較廣 .研究者設(shè)計(jì)了如下題目：2個(gè)質(zhì)量不同的冰球靜止于光滑水平面上的同一水平線上，現(xiàn)用相同的力分別對(duì)每個(gè)冰球作用相等的距離，請(qǐng)學(xué)生比較2個(gè)冰球的最終動(dòng)量和動(dòng)能大小.利用該題目對(duì)華盛頓大學(xué)的學(xué)生進(jìn)行訪談：在判斷動(dòng)能變化時(shí)，學(xué)生的知識(shí)是碎片化的，僅就動(dòng)能表達(dá)式1/2mv2討論其變化，不能通過(guò)功能原理建立做功與動(dòng)能變化的聯(lián)系.另外，對(duì)于給出錯(cuò)誤答案的同學(xué)，“補(bǔ)償論證”思想對(duì)學(xué)生的誤導(dǎo)普遍存在.即在比較動(dòng)能大小時(shí)，速度比質(zhì)量更為重要，這是因?yàn)樗俣仍趧?dòng)能表達(dá)式中是以二次方的形式出現(xiàn)的，而質(zhì)量是線性的.以Mcdermott題目為原型，其他研究者編制了類似的選擇題，對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)量也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果［14，27-28］.

1.4 機(jī)械能的前概念

（1）在機(jī)械能守恒條件的理解方面，可以梳理出3種前概念.第1種，機(jī)械能守恒基本條件的誤解.如物體所受合力為0或做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則機(jī)械能守恒 .Singh 和 Rosengrant［14］通過(guò)測(cè)量工具對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試表明，對(duì)于題目：甲、乙和丙3位同學(xué)各自騎1輛自行車以相同的速度在水平路面上行駛，當(dāng)前方出現(xiàn)斜坡時(shí)，3人采用了不同上坡方式：甲同學(xué)在斜坡下停止踩踏板，其自行車沿著斜坡滑行；乙同學(xué)繼續(xù)踩踏板，使自行車以恒定的速度上坡；丙同學(xué)用力踩踏板，使自行車加速上坡.若忽略斜坡的摩擦力，請(qǐng)問(wèn)在上坡過(guò)程中，人和自行車組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒的有哪些？研究結(jié)果顯示，有許多學(xué)生選擇了乙同學(xué).這表明，學(xué)生混淆動(dòng)能和機(jī)械能的概念，且沒有深入理解機(jī)械能守恒的條件.第2種，機(jī)械能守恒條件與動(dòng)量守恒條件混淆.學(xué)生誤認(rèn)為如果動(dòng)量守恒時(shí)，則機(jī)械能也守恒［29］.Lawson和Mcdermott［25］的研究表明只有不到 1∕3 的本科生能夠區(qū)分機(jī)械能守恒和動(dòng)量守恒.第3種，多物體系統(tǒng)和單個(gè)物體機(jī)械能守恒的困惑.由多物體組成的系統(tǒng)，往往整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒而對(duì)于單個(gè)物體機(jī)械能不守恒.學(xué)生由于缺乏系統(tǒng)思維，判斷不同研究對(duì)象的機(jī)械能是否守恒時(shí)存在困難.

（2）在機(jī)械能大小方面［30］.學(xué)生往往忽視計(jì)算機(jī)械能時(shí)需要先確定零勢(shì)能面，不知道選取哪個(gè)位置計(jì)算機(jī)械能合適.如對(duì)于題目：桌面高為h，一個(gè)質(zhì)量為m、初速度為0的小球從離桌面高H處自由下落，不計(jì)空氣阻力，以桌面為零勢(shì)能面，則小球落到地面之前瞬間的機(jī)械能大小為多少？一部分同學(xué)受定向思維，仍以地面為零勢(shì)能面，得出錯(cuò)誤答案mg(H+h).

（3）在機(jī)械能變化量方面有2種前概念.第1種，機(jī)械能守恒的理解.把“守恒”理解成單純的“不變”.如劉楚良［31］揭示了學(xué)生不能區(qū)別“機(jī)械能守恒”和“機(jī)械能不變”，且進(jìn)一步指出：“機(jī)械能守恒對(duì)系統(tǒng)內(nèi)是動(dòng)態(tài)的，對(duì)系統(tǒng)外是靜態(tài)的，即與外界無(wú)能量轉(zhuǎn)化，其與系統(tǒng)機(jī)械能的‘總量不變’不同，‘總量不變’只是機(jī)械能這個(gè)狀態(tài)量的數(shù)值大小不發(fā)生變化，甚至僅僅是一個(gè)過(guò)程的始、末2個(gè)狀態(tài)的機(jī)械能相等而已.因此，‘守恒’和‘不變’二者有本質(zhì)的區(qū)別.”第2種，機(jī)械能守恒中彈力做功的誤解.學(xué)生會(huì)誤認(rèn)為只有彈力做功機(jī)械能就守恒，其實(shí)出現(xiàn)研究系統(tǒng)內(nèi)部彈力做功且有彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化時(shí)，機(jī)械能守恒才成立.

2 功和機(jī)械能前概念測(cè)評(píng)工具

前概念研究的幾十年間，研究者針對(duì)不同領(lǐng)域和主題下的前概念開發(fā)了多種多樣的測(cè)評(píng)工具.僅測(cè)量工程動(dòng)力學(xué)中功和能量前概念的工具就多達(dá)十幾個(gè)［23］.聚焦于本研究功和機(jī)械能的前概念測(cè)量，與此有關(guān)的測(cè)評(píng)工具主要有3個(gè).

2.1 能量和動(dòng)量概念調(diào)查表

能量和動(dòng)量概念調(diào)查表（energy and momentum concept survey，EMCS）是由 Singh 和 Rosengran［14，32］在1999—2003年開發(fā)的，用于測(cè)量學(xué)生對(duì)能量和動(dòng)量概念理解的工具.該工具由25道單項(xiàng)選擇題（每道題有5個(gè)選項(xiàng)）構(gòu)成，涉及能量和動(dòng)量2個(gè)方面的內(nèi)容.其中，能量的概念包括功能原理、機(jī)械能守恒、重力和摩擦力做功，該主題下共13道測(cè)試題.

關(guān)于EMCS的用途與使用方法，開發(fā)者在對(duì)外公布該量表時(shí)就做了明確說(shuō)明.EMCS可以被用作前測(cè)，以發(fā)現(xiàn)教學(xué)開始前學(xué)生存在的認(rèn)知困難，也可以被用作后測(cè)，以檢驗(yàn)教學(xué)干預(yù)的效果或調(diào)查學(xué)生在完成學(xué)習(xí)后仍存在的困惑.對(duì)于使用方法，作者指出使用單項(xiàng)選擇題是可以對(duì)學(xué)生的理解進(jìn)行有效探索，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、客觀并且便于對(duì)成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，但僅有選擇題的缺點(diǎn)是，研究者無(wú)法全面了解學(xué)生解題的思維過(guò)程，所以，EMCS紙筆測(cè)試與學(xué)生個(gè)人訪談相結(jié)合能夠起到更好的測(cè)試效果.然而，一旦將訪談法引入測(cè)評(píng)就必然會(huì)帶來(lái)測(cè)試成本增加、樣本數(shù)驟減等問(wèn)題.為了優(yōu)化測(cè)量方式，有研究者對(duì)EMCS進(jìn)行了改造.如利用4層級(jí)診斷測(cè)試，即把每一道題分為答案—對(duì)答案是否確信—推理—對(duì)推理是否確信4個(gè)層級(jí)，這樣既能通過(guò)大樣本測(cè)出學(xué)生的前概念也能呈現(xiàn)出學(xué)生的思維過(guò)程［33］.

2.2 能量概念清單

能量概念清單（energy concept inventory，ECI）是 由 Swackhamer和 Hestenes［27］在 2005 年開發(fā)，用于檢測(cè)學(xué)生對(duì)能量概念理解的工具.該工具共有35道單項(xiàng)選擇題組成，每道題都有5個(gè)備選項(xiàng).與EMCS中對(duì)能量概念的界定不同，ECI中的能量除了機(jī)械能外，還包括生命科學(xué)、化學(xué)以及電學(xué)、熱學(xué)等能量，其中對(duì)機(jī)械能進(jìn)行考察的題目?jī)H有7道，占總題數(shù)的1/5.

由于ECI測(cè)量的能量概念具有跨學(xué)科性，所以將其專門用于物理教育的研究較少.值得一提的是，ECI題目考查的知識(shí)點(diǎn)較為綜合，在僅有的測(cè)量機(jī)械能的7道題目中，卻包含了勢(shì)能的理解、動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化、系統(tǒng)機(jī)械能守恒和機(jī)械能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化4個(gè)知識(shí)維度的考察.以其中1道題為例，如圖1所示.放置在水平冰面上的冰塊通過(guò)彈簧與墻面連接，彈簧在外力的作用下處于壓縮狀態(tài)，撤去外力后，彈簧將推動(dòng)冰塊運(yùn)動(dòng).如果你只有這一個(gè)彈簧，但是有多個(gè)質(zhì)量不同的冰塊，怎么能使冰塊獲得更多的能量呢？（1）用一個(gè)質(zhì)量更小的冰塊；（2）用一個(gè)質(zhì)量更大的冰塊；（3）使彈簧的壓縮量變大.A.只有（1）；B.只有（2）；C.只有（3）；D.只有（1）和（3）；E.只有（2）和（3）.這道題較為全面地考察了學(xué)生對(duì)勢(shì)能和功能轉(zhuǎn)化的理解.

圖1 能量概念清單樣題

2.3 能量概念評(píng)估表

能量概念評(píng)估表（energy concept assessment，ECA）是由Ding［28］在其2007年提交的博士畢業(yè)論文中開發(fā)的，旨在測(cè)量學(xué)生應(yīng)用能量基本概念和基本定理能力的工具.具體而言，ECA的測(cè)量?jī)?nèi)容主要涉及功能原理的應(yīng)用、各種形式能量的測(cè)定、能量系統(tǒng)的說(shuō)明、功和熱的區(qū)分以及吸收或發(fā)射譜的計(jì)算5個(gè)方面.該套試題共有33道單項(xiàng)選擇題組合而成，備選項(xiàng)的數(shù)目上并非全部一致，有8道試題為4個(gè)選項(xiàng)，19道試題為5個(gè)選項(xiàng)，4道試題為6個(gè)選項(xiàng)，2道試題為7個(gè)選項(xiàng).全套試題中測(cè)量功和機(jī)械能的試題共計(jì)有29道，所占比例高達(dá)87.88%.

相較于EMCS和ECI，ECA在內(nèi)容和認(rèn)知層面的難度都較大.在內(nèi)容層面上，其試題情境不僅涉及到彈簧和木塊等能量領(lǐng)域常見物理模型，還包括電子和行星等不常見模型；在認(rèn)知層面上，ECA將試題分為3個(gè)推理層次，即零階推理、一階推理和二階推理.另外，ECA在題目設(shè)置上也有所突破，主要表現(xiàn)為試題中大量采用能量圖、模型圖和情景圖.如在1道考察做功的題目中，呈現(xiàn)的是一次汽車碰撞的實(shí)驗(yàn)，如圖2所示.一輛原長(zhǎng)度為L(zhǎng)的汽車撞到一堵混凝土墻后完全停止，失事的汽車被壓扁且沒有反彈.問(wèn)：墻對(duì)汽車做了多少功？這樣的題目情境貼近現(xiàn)實(shí)，能夠考察出學(xué)生解決真實(shí)問(wèn)題的能力.

圖2 能量概念評(píng)估表樣題

3 功和機(jī)械能概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略

Scott等［34］通過(guò)對(duì)“為概念轉(zhuǎn)變而教”的教學(xué)策略研究文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，最終將指向概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略歸為2類：第1類是建立在認(rèn)知沖突和解決沖突基礎(chǔ)上的教學(xué)策略；第2類以學(xué)習(xí)者原有的觀念為基礎(chǔ)，利用比喻和類比的方法將其擴(kuò)展到新的領(lǐng)域.在功和機(jī)械能主題下的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略研究中也可以分為類似的2類.

3.1 “認(rèn)知沖突型”概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略

“認(rèn)知沖突型”教學(xué)策略的理論基礎(chǔ)來(lái)源于皮亞杰的個(gè)人建構(gòu)主義理論，認(rèn)為學(xué)習(xí)的核心是學(xué)習(xí)者積極參與對(duì)知識(shí)的重組.此類教學(xué)策略對(duì)已具備較為牢固基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)生更有效.

例如，針對(duì)學(xué)生在判斷動(dòng)量、動(dòng)能變化時(shí)，不能建立與動(dòng)量定理、功能原理的聯(lián)系，僅僅就動(dòng)量mv、動(dòng)能 1/2mv2討論變化 .Lawson 和 Mcdermott［25］提出使用對(duì)話法、討論法激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，能夠幫助學(xué)生建立這些概念的聯(lián)系.另外，Mcdermott［35］總結(jié)出“引出-面對(duì)-解決（elicit-confront-resolve，ECR）”的教學(xué)策略來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生概念轉(zhuǎn)變.具體實(shí)施步驟為：首先，設(shè)計(jì)相關(guān)練習(xí)題引發(fā)潛藏在學(xué)生頭腦中的前概念；其次，呈現(xiàn)出2名觀點(diǎn)不同學(xué)生的對(duì)話，要求學(xué)生選擇一種自己認(rèn)可的觀點(diǎn)并說(shuō)明理由；最后，通過(guò)對(duì)話使每位學(xué)生將自己置于爭(zhēng)論的一方后，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)自己的觀點(diǎn).在ECR 的基礎(chǔ)上，Nalkiran 和 Karamustafao?lu［36］利用“預(yù)測(cè)-觀察-解釋（prediction-observation-explanation，POE）”教學(xué)策略對(duì)功、能量和功率的教學(xué)進(jìn)行干預(yù)，取得了很好的教學(xué)效果.POE也分為3個(gè)階段：在預(yù)測(cè)階段，要求學(xué)生就教師所提出的概念或事件的可能結(jié)果進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)，通過(guò)這種方式激活預(yù)學(xué)習(xí)，同時(shí)也可以獲得學(xué)生的前概念；在觀察階段，向?qū)W生展示有關(guān)事件或概念的演示和實(shí)驗(yàn)，從而產(chǎn)生與預(yù)測(cè)階段的認(rèn)知矛盾；在解釋階段，教師根據(jù)預(yù)測(cè)和觀察階段的發(fā)現(xiàn)對(duì)事件或概念進(jìn)行解釋.

3.2 “腳手架型”概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略

“腳手架型”教學(xué)策略的理論基礎(chǔ)為維果茨基的最近發(fā)展區(qū)理論，屬于一種社會(huì)建構(gòu)主義視角下的教學(xué)策略，其重點(diǎn)不在于學(xué)習(xí)者的主動(dòng)調(diào)適，而是側(cè)重于教師的適當(dāng)干預(yù)，為新的思維方式提供“腳手架”［37］.該類教學(xué)策略適用于新課教學(xué)或基礎(chǔ)知識(shí)較為薄弱學(xué)生的輔導(dǎo).

例如，Lindsey 等［38］通過(guò)測(cè)試表明，學(xué)生對(duì)功的定義和功能轉(zhuǎn)化的理解存在困難，針對(duì)這些困難，設(shè)計(jì)了2種教學(xué)片段，功及其變化和能量守恒.在這2個(gè)教學(xué)片段中，教師通過(guò)講座、教科書和實(shí)驗(yàn)來(lái)補(bǔ)充教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果；Nordine等［39］使用基于項(xiàng)目的教學(xué)法設(shè)計(jì)了能源單元教學(xué)，通過(guò)使用驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題和情境化教學(xué)，從而搭建了一個(gè)有意義的語(yǔ)境，為了充分解決這些問(wèn)題，學(xué)生必須學(xué)習(xí)各種類型的能量（如動(dòng)能、化學(xué)能和電能）、能量轉(zhuǎn)換和守恒、能量耗散和能源資源；Van Heuvelen和Zou［40］研究顯示，利用多種表征（文字、示意圖、能量柱狀圖和數(shù)學(xué)公式），尤其是利用能量柱狀圖的教學(xué)能夠幫助學(xué)生定性理解功與能的關(guān)系，提升學(xué)生問(wèn)題解決能力，促進(jìn)學(xué)生由新手向?qū)＜疫^(guò)渡.

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)功和機(jī)械能概念的前概念、測(cè)評(píng)工具以及概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略的研究進(jìn)行系統(tǒng)梳理表明，學(xué)生對(duì)功、動(dòng)能、勢(shì)能和機(jī)械能等概念存在大量的與科學(xué)概念不一致的前概念.為了測(cè)量功和機(jī)械能的前概念，研究者開發(fā)了EMCS、ECI和ECA 3種測(cè)評(píng)工具.針對(duì)學(xué)生的前概念，主要有適用于已具備較為牢固基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)生的認(rèn)知沖突型概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略和適用于基礎(chǔ)知識(shí)較為薄弱學(xué)生的腳手架型概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略來(lái)促進(jìn)概念的融合理解.

在建構(gòu)主義指導(dǎo)下，國(guó)際研究者對(duì)功和機(jī)械能的前概念形成了由發(fā)現(xiàn)、診斷到轉(zhuǎn)變的系列研究.而在國(guó)內(nèi)，對(duì)于該主題的研究大多關(guān)注于發(fā)現(xiàn)和診斷階段，而對(duì)前概念轉(zhuǎn)變研究不足，這是值得物理教育研究者反思的.另外，自2018年中國(guó)普通高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)公布以來(lái)，能量觀作為一種物理觀念被重視.此后圍繞能量觀進(jìn)行教研的文章不斷增加，而對(duì)能量概念理解的研究則在逐漸減少.應(yīng)該注意的是，觀念的建立是以概念的充分理解為基礎(chǔ)，沒有概念的觀念是空洞的.因此，在素養(yǎng)時(shí)代，功和機(jī)械能前概念的研究是能量觀培養(yǎng)的前提，其他學(xué)科觀念維度的培養(yǎng)亦是如此，應(yīng)給予前概念研究應(yīng)有的關(guān)注.