儿童朴素物理学的错误概念及影响概念转换的因素

摘　要　建构主义的学习观认为，新知识的学习总是建立在旧知识的基础上，新旧知识经验进行双向交流。儿童在日常生活中形成的自发概念是科学学习的重要基础，而其中与基本科学理论不一致的错误概念阻碍了学习过程。该文概述了儿童朴素物理学的错误概念研究，探讨自发概念的结构及其争论，并总结了影响概念转换的重要因素，包括认知冲突感，元认知和动机因素，认识论信念因素等。

关键词　朴素物理学，错误概念，自发概念，概念转换，认知冲突。

分类号B844

1 研究背景

建构主义者提出，儿童的科学学习并非从零开始，而是对原有知识经验进行建构，此过程通过新旧经验之间双向反复的相互作用而实现^[1]。在接受系统的科学训练前，儿童的日常经验使他们对客观世界的各种自然现象初步形成了自己的看法和解释，从而建构了大量自发概念（naïve idea），一些研究者也称之为朴素理论（naïve theory）^[2,3]。自发概念中有的部分与科学概念相容，为以后接受科学知识打下基础，奥苏泊尔称之为新知识的固定点或先前知识；另一些却与科学概念相冲突，被称为“错误概念”（misconception）。错误概念具有广泛性、隐蔽性、顽固性等特点。不仅是儿童，就算是在接受了正规科学教育的成人头脑中也屡见不鲜，因为这些概念通常能“解释”一些表面现象，符合直观观察，所以在他们的头脑里是“合理的”。目前儿童朴素理论研究多关注自发概念中与科学概念相容的部分，但本文将重点探讨其与科学概念相冲突的错误概念的研究，目的不是强调其“错误”，而是意在探究儿童的自发概念向科学概念发展的过程和机制。

儿童错误概念在朴素物理学，朴素生物学以及数学认知等多个领域都有体现：在朴素生物学领域有研究发现，有的幼儿认为体形小的动物如小金鱼不会长大，而其它鱼可以长大^[4]。还有对于死亡、遗传、疾病等概念的研究都发现了儿童的错误概念广泛存在^[5]。在数学领域，研究者考察了儿童对分数^[6]，线性比例^[7]等概念的认识。当然进行得最广泛最详尽的，当数儿童的物理学认知研究。

2 朴素物理学的研究范围

朴素物理学是指人们对物理实体、物理过程、物理现象的直觉认识^[5]。儿童用自发概念解释和预测身边的物理世界，同化和顺应外部世界的刺激，但这些凭感性经验得来的知识与当前的基本科学概念却多有冲突，比如：重的物体比轻的落得快让人觉得力是重物体本身的属性；太阳东升西落的轨迹使儿童对天圆地方的地心说深信不疑；影子总是在有光的时候出现且是黑色的，所以儿童以为影子就是黑色的光^[8]；糖溶于水中消失，使儿童认为最终溶液的重量会少于糖加水的总重量^[9]等等。

目前的研究考察了儿童对物理学各个分支的基本概念认知，如力和运动、能量、热、光、声、电、天文现象等，其中又以对力学概念的研究最为详尽。皮亚杰对此做了开创性研究，得出儿童对力有6种类型的认识：力就是运动；自己能动的东西就有力，反之则无力；力是有意图有价值的动作；力是搬运物体的动作；能持久支撑就有力；力和大小轻重有关^[10]。Duit R曾对“学生关于力的错误概念”为研究主题进行统计，发现仅1979~1987年就有将近两千篇论文发表^[5]。其中，Clement的抛硬币实验极具代表性。实验要求被试在忽略空气阻力条件下，用箭头表示硬币被抛向空中时，上升和下落阶段各自的受力情况^[11]。如图1所示。

近90%的被试认为硬币受两个力：一个是重力，一个是“抛力”。上升时抛力大于重力，下降时重力大于抛力。令人惊讶的是这些被试还是大一的工科学生！

我们将常见的力学错误概念与牛顿三大定律相对照，总结得出人们一般会错误地认为：①惯性也是一种力，它使物体保持运动轨迹不变，比如作圆周运动的物体，撤销外力后依然作圆周运动； ②力是产生和维持物体运动的原因，比如认为物体静止时就不受力；力的方向决定物体运动方向，力与速度成正比 ；③作用力存在于主动施力者，比如只有人和动物才有力；作用力和反作用力存在于同一物体上。这些错误概念深受“力产生运动”这一直观观察影响，生活中无处不在的此类现象让人们形成这一朴素概念，使得从亚里士多德到中世纪的冲量理论，都具有本质上相同的错误。错误概念的顽固性可见一斑！

国内有研究者考察了学前儿童对具一定初速度的物体下落轨迹的判断^[12]，让幼儿画出飞驰的汽车掉下陡坡时的轨迹。归纳出4种情况：垂直下落型，冲力型，滑梯型，类抛物线型。

大多数的幼儿处于“垂直下落型”，少数能达到“类抛物线型”； “冲力型”是按先后顺序分别考虑初速度和重力，“滑梯型”的则能将二者综合考虑。随着年龄增加，垂直下落型逐渐减少，冲力型增加。

在对儿童朴素天文学的研究中，Vosniadou通过让儿童自由画出或用橡皮泥塑造地球形状的方式^[13]，以及迫选或开放式提问的方式^[14]，总结出儿童头脑中主要有五种地球模型：矩形，碟形，双地球模型（人生活在平面的地球上，而说的那个“地球”在天上），中空球形（人生活在球内所以才不掉出去，天空就是空心部分）和扁球形（球的顶端是平面）。显而易见在这些概念中，很多是科学概念和日常经验的糅合：儿童既想符合科学描述的球形、旋转天体的地球，又固守已有的日常观察：大地是平面，支撑万物，天空和日月星辰都置于大地上方。

关于昼夜更换和四季更替的研究得出：一些儿童认为太阳和月亮分别固定于地球两侧，地球自转而产生昼夜；或地球固定，日月绕地旋转^[15]。

儿童错误的物理学概念种类繁多，此处不再列举。研究者们并未停留于对现象的描述，而是进一步展开对自发概念的本质结构的探讨，对其结构是一致还是零散的问题上，分化出两种意见。

3 自发概念的结构争论

为了更好解释错误概念的成因，我们首先需要了解儿童的自发概念本身的结构。对此产生了一致性和零散性两种不同观点。

3.1一致性观点（coherence）

皮亚杰认为儿童认知能力的发展都受到一个共同结构，即“数理逻辑结构”的制约，它几乎影响着儿童认知发展的每一个方面。虽然目前许多有关朴素理论的研究不同意逻辑结构的强制约性，而是强调各个知识领域经验的重要性和特殊性（domain specific），但他们仍认为自发概念具有类似理论的组织结构（theory-like）和紧密联系的特征（compactly characterizable）。

Vosniadou等提出的框架理论（framework theory）认为，儿童通过日常观察自发形成了一些稳定的“前提假设”（presupposition），并由此衍生出具体理论（specific theory）来解释或预测具体问题^[16]。比如儿童对地球形状的假设前提是：空间分上下两极以及物体如果没有支撑就会掉下来。由此他们就得出地球是平面的概念，因为如果地球是球型那么人们岂不因为没有支撑都掉出去了！

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