探究核心素养下学生对物理概念的理解

引言

物理概念的深入理解是学生科学素养的核心基础。因此，通过有效的教学方法帮助学生理解物理概念已成为物理教学中的一个重要问题。蒸发是初中科学课程的核心概念，了解蒸发可以支持学生对自然界水循环、物态变化以及微观粒子结构的理解 [1]。

学生学习新的物理概念前，通过反复观察和体验各种自然现象，自发地在脑海中形成了相关的先验知识。这些先验知识是学生学习新物理概念的认知基础，其中的一些可能反映了正确物理概念的本质，但大多数是模糊的，甚至是错误的。例如错误地认为体积较大的水蒸发得更慢。许多学生经常把水蒸气与生活中的“白雾”混淆。本文旨在发展学生对蒸发概念理解的渐进层次和相应的问题，系统分析学生对蒸发学习的概念理解。

一、学生学习“蒸发”概念理解的层次划分

（一）低层次：机械记忆蒸发的定义

液体的蒸发是学生经常观察到的物理现象。例如，用吹风机吹干洗过的头发、湿衣服在阳光下晾干、洒在地上的水慢慢消失。在教师的指导下，大多数学生可以机械地记忆蒸发的定义，并在具体现象和蒸发概念之间建立起初步的对应关系。基于机械记忆，这些学生可以识别日常生活中哪些现象构成蒸发，并能在熟悉情境中正确回答相关问题。

（二）中等层次：掌握影响蒸发速率的三个主要因素

当学生学习蒸发时，教师可以通过实验引导学生探索影响蒸发速率的因素，帮助学生提高对蒸发的概念理解。使用控制变量法，一些学生发现并理解了影响蒸发速率的三个因素。这些学生不仅能根据这三个因素预测蒸发速率，而且可以根据蒸发速率推断这三个影响因素的变化 [2]。然而，解决这些问题的科学推理仍然是机械的。

（三）高层次：从微观角度理解蒸发的本质

教师进一步帮助学生通过图片、分子模型或多媒体技术从微观层面解释蒸发现象。液体表层的一些高速分子能够摆脱其他分子的约束，进入空气。影响蒸发速率的三个因素可以通过蒸发的微观本质来解释。

温度的升高，分子的热运动加剧。温度越高，单位时间内从液体表面逃逸到空气中的分子越多，这在宏观现象中反映出来：液体温度越高，蒸发得越快。

液体表面积的增加，液体表层的分子数也增加，单位时间内更多的分子从液体表面逃逸到空气中。这在另一个宏观现象中反映出来：液体表面积越大，液体蒸发得越快。

进入空气的分子仍进行不规则的热运动：一些向上远离液体表面，而另一些向下返回液体。因此，单位时间内从液体逃逸到空气中的分子数量与从空气返回到液体中的分子数量之间的差异决定了液体的蒸发速率。这在另一个宏观现象中反映出来：液体表面的气体流速越高，液体蒸发得越快。

由于微观解释对初中生来说过于抽象，只有少数学生能够建立蒸发的微观模型，尽管教师应用图片、分子模型或多媒体技术来辅助教学。当学生建立起宏观现象与微观本质之间的联系时，他们达到了对蒸发概念理解的高层次。

二、基于层次划分的考核测试

根据层次的划分，设计了 12 个单选题的测试，用以评估学生对蒸发概念的理解。基础题 4 道，通过机械提取蒸发的定义来解决。中等题 4 道，对蒸发的概念理解提出了更高的要求。提升题4 道，考查学生是否理解蒸发的本质，以及他们是否能够从微观角度解释蒸发过程。为了评估测试的可靠性，随机从学过该知识的初中生中选取了 171 名学生进行了预测试。结果表明测试具有很好的结构效度。

三、授课统一及授课前后测试

（一）备课组统一教学设计并授课

新课引入时，教师演示日常生活中的蒸发现象，例如装有酒精的密封塑料袋的膨胀。学生可以描述更多类似的生活中的现象，例如湿衣服在阳光下慢慢晾干，地上的水逐渐消失。基于这些现象，教师引入了蒸发的物理定义。为帮助学生区分蒸发和其他形式的物态变化，教师强调了蒸发概念的主要特征，以加深他们的机械记忆。教师通过教师演示和小组合作进行了一系列探究实验。学生不难得出结论，液体的温度、液体的表面积和液体表面的空气流速是影响蒸发速率的三个主要因素。最后，教师使用模型、图表、动画等方法来模拟液体蒸发的微观过程，提高了学生对蒸发本质的理解。

（二）授课前后测试

在蒸发课程前后，全年级学生参加了前测和后测。在此基础之上，从中随机选取 50 名学生参加了进一步交流，以探究他们在解决问题过程中的思维过程，研究他们的概念理解特征。对测试数据和交流结果进行分析，分析学生前测和后测数据之间的差异，以检查他们在蒸发课程后对蒸发概念的理解是否有所提高。

四、结果分析

（一）学生对蒸发概念理解的提高

在接受蒸发课程后，学生的总体表现有显著提高。每个层次的问题的提高程度不同。具体来说，基础题的提高最为显著，其次是中等题的提高，提升题的提高最小。这些结果在一定程度上表明，学生对蒸发的概念理解可以分为三个层次。

（二）学生蒸发概念理解的发展特征

根据学生的后测总分，得分在最低的 20% 的学生在及基础题上的表现优于中等题和提升题。随着总分的提高，得分在 20%-40% 的学生在中等题上的表现显著提高，表明这些学生开始掌握影响蒸发速率的三个主要因素。在得分 40%-60% 的学生中，基础题和中等题得分几乎达到了最高点。在得分 60% 80% 的学生中，提升题得分显著增加，表明这些学生达到了高层次的概念理解，并且能够从微观角度解释蒸发。在前 20% 得分最高的学生中，他们在提升题上的得分优势进一步提高，每个问题的准确率都很高。结果表明学生对蒸发概念理解的发展与从基础到提高的思想转变有关。

五、总结

本文探索了学生对蒸发概念理解的发展过程。将学生对蒸发的概念理解分为低、中和高三个层次，并呈现了不同层次学生的认知特征和问题解决表现。基于这一层次划分，实施了一套测试题目，用以评估学生对蒸发概念的理解。实施结果证实了层次划分的合理性和测试题目的有效性。

具有低层次概念理解的学生在大多数问题上的认知更多依赖于机械匹配而非科学推理。具有中等层次概念理解的学生并未完全摆脱机械记忆，无法从微观角度理解蒸发概念，导致推理不连贯。具有高层次概念理解的学生能够灵活应用于现象解释、进行科学推理和问题解决。通过概念理解的进展，学生在解决问题时表现出更高的准确性、熟练度和更连贯的推理，这些都是学生接近更高层次概念理解和问题解决的迹象。因此，强调概念的本质可能是提高学生概念理解的重要教学策略。

参考文献：

[1]义务教育物理课程标准（2022 年版）

[2]梁志杰 影响蒸发快慢因素探究《中学教学参考》2018 年11 期