牛頓力學的迷思概念

牛頓力學之所以重要，是因為牛頓首先結合數學和自然科學，用數學方法描述科 學家所觀測到的自然現象，甚至能成功預測未來，特別是有關天體的運動(陳榮祥，

2002)。

力學是科學界中理論發展最早、且最為基礎的部分(張川木，1996)。由於作用力是 抽象且不易觀察的，因此學生在判斷物體的受力情形時容易有所遺漏，也無法像專 家、老師能輕易判斷、分辨受力的種類與確切方向。所以力與運動單元是學生在學習 國中理化時，感到最困難的單元之一(江慶育，2011)。

參照國中自然與生活科技課本，我國自然科於八年級下學期開始介紹力的概念、

不同力(浮力、壓力、正向力、彈簧拉力)的種類及性質。九年級上學期則花了至少兩次 段考的時間介紹牛頓三大運動定律，以及力與運動之間的關係。有了力的基礎概念 後，教材才延伸至向心力及向心力的運用(如地科之天體運行章節)及施力作功的概念。

最後才用力矩和作功的概念去解釋簡單機械的原理(萬淑宜，2011)。顯而易見，牛頓力 學為功與能、力矩、簡單機械等章節之基礎，學生需對牛頓力學有基本的認識，才有 辦法理解其它相關概念。

第二節 牛頓力學的迷思概念

過去的研究著重在教學的修正，試圖從課程中補足學生在力學概念上的不足，並 探索教學內容的修正對學習的影響，但這種方法的成效有限(Mallinson, 1977)。

一、 何謂迷思概念

迷思概念意指學生對於某學科或某現象中，所持有的想法和概念，且這些概念均 與科學界公認的想法不同。研究迷思概念的目的，就是為了找出學生的主要迷思概 念，並將之導回到正確概念上(謝青龍，1995)。楊其安與郭重吉(1990)則認為，學生對 自然現象自有一套詮釋方式，常與課程所學不同，往往這些詮釋不易改變，只因其背 後的迷思概念常是根深蒂固。為何迷思概念總是難以改變呢？Vosniadou 與

Brewer(1992)認為學生從日常生活的經驗中，建構了對世界非常直觀的理解，雖然這種 直觀的理解跟目前被接受的科學概念是相抵觸的。但學生這種直觀的理解卻不斷地被 生活經驗給被驗證，導致迷思概念根深蒂固，導致學生難以被引導回正確概念。

陳啟明與陳瓊森(1992)曾將迷思概念形成的原因歸類成下列幾項：(1)與生俱來、

(2)日常生活經驗而來、(3)由隱喻、類比而產生、(4)同儕文化影響、(5)教學產生的結 果、(6)字義的聯想、混淆、衝突或缺乏知識。江慶育(2011)則綜合歷年來的文獻，將迷 思概念的成因歸納成學生因素、社會與文化因素、教師因素。學生可能因生活經驗、

個人天賦、大腦構造不同而產生不同類型的迷思概念；除了個人特質不同，學生也可 能受到同儕、文化背景、大眾媒體的影響；加上老師對學生的迷思概念不了解，並未 注意到教科書的內容與教學會對部分學生產生誤導，未加以澄清，都會在無形中使學 生產生迷思概念。

Fisher (1985)認為迷思概念具有下列幾項特質：(1)與各領域之專家持有的概念不 同。(2)部分迷思概念具普遍性。(3)傳統教學方法難以改變。(4)有時是學生常用的數個 概念，以邏輯且系統的方式連結，產生的替代信念。(5)學生提出的部分迷思概念，反

映了早期的學者在該領域的想法。(6)迷思概念形成的原因，可能受到神經、基因、生 活經驗、教學等影響；Driver、Guesne 與 Tiberghien (1985)則認為學生的迷思概念有 幾項特質：(1)是個人化的，不同的學生遇到相同的問題、相同的教學卻會有不同的解 讀。(2)是不連貫的，同一個學生遇到相同原理卻不同情境的問題，會有不同的解釋架 構。(3)是穩定的，學生會用自己已知的架構來解釋所學的觀念與現象，就算其中有不 合理之處，仍不會改變原先的想法。(4)是動態的，不同年齡的學生對同一概念之迷思 未必相同。想要改變學生的迷思概念，Gil-Perez 與 Carracosa (1990)認為需進一步理解 科學學習的困難之處，並且對學生在教學過程中概念如何深刻的變化作必要性的認 識。畢竟，科學的學習本來就是一種概念改變。

Posner、Strike、Hewson 與 Gertzog(1982)提出概念改變模式(conceptual change model, CCM)，認為若要讓學生考慮另一種概念，須滿足四個條件。其一：此概念是可 被理解的（intelligible），至少新概念中的術語、符號、和表達的語法都需讓學生能得 以理解。其二：此概念在最初是合理的(plausible)，因為初期合理，才可使新概念融入 學生的舊有概念中。其三：對現有概念的不滿(dissatisfaction)，舊概念其實很難被新概 念完全取代，學生唯有在舊概念無法確實解決問題、或就概念無法被同化至學生現有 的概念網路時，才會去考慮一個可被理解且合理的新概念。其四：此概念必須是豐富 的(fruitful)，當學生意識到新概念解決了現有概念無法解決的問題，學生會開始積極嘗 試用新概念解釋過去經驗中所遇到的現象，若新概念能廣泛被運用，則才能被學生所 接受。

Posner 等人(1982)認為，要想讓學生改變想法或概念，將迷思概念導正，最好的方 法就是造成學生的認知衝突，因此需開發可使學生產生認知衝突的課程、講座、練習 題或實驗，利用課程跟回家練習題的搭配，使新概念能在學生心中駐紮。

二、 迷思概念與學習物理學的關係

Hestenes 等人(1992)認為學生從生活經驗累積而來的信念稱為常識信念

(commonsense beliefs)，常識信念在學生剛開始接觸物理時影響甚鉅，因此倘若在進行

教學時如果未考慮學生的常識信念，則很容易造成無效的教學。邱韻如(2006a)認為，

教師需能從教學互動中，了解並掌握學生的迷思概念，才能根據學生的程度採取適當 的物理教材及教法。

迷思概念造成學生學習物理學之困難，陳忠志(1987)提出三點建議：其一，教師在 進行教學活動時，必須知道學生當下已學得哪些正確概念以及哪些迷思概念，並能加 以澄清。其二，應從學生身上所發現的迷思概念為出發點來設計課程，而非一直使用 一程不變的教材內容。其三，物理教學評量應重視學生對基本原理的認識，而非著重 在定量的公式計算。

三、 牛頓力學迷思概念與物理解題的關係

Hestenes 等人(1992)指出，學生對於力和運動的常識信念，跟牛頓力學的正確概念 是背道而馳的，常規的課程鮮少能改變學生的信念或認知，意即學生在牛頓力學的迷 思概念是難以改變的。學生連牛頓定率最基礎的概念也沒弄懂，更遑論去理解課程的 其它內容，或進行相關的解題了。Champagne、Gunstone 與 Klopfer (1982)則發現，學 生在開始學物理前，對於物體如何運動與為何運動早已有先入為主的概念，且此概念 與亞里斯多德對力學的想法相同。張木川(1996)指出，在另有概念及概念改變的研究 中，牛頓力學的迷思概念是眾多研究者聚焦的研究方向，研究者對於學生在力學上常 有之迷思亦有相當程度的共識。

Chi、Slotta 與 Leeuw (1994)以本體論的觀點將物理世界分為三大本體類別

(ontological categories)：物質(matter)、過程(process)、與心智狀態(mental state)，這三個 類別之下，各又分成好幾個次概念，自然種類、人造物質屬於「物質」類別；步驟、

事件、條件為主的交互作用屬於「過程」類別；情緒的、意圖的屬於「心智狀態」類 別。三大類別的本質上彼此是不相同的，若學生概念的轉換需從其中一個本體類別跨 越到另一個本體類別，此時稱為本體類別間的概念改變，這類的改變相當困難，需從 根本上(radical)去改變。Chi 的理論指出，力學的概念難以學習之主因並非它是複雜 的、抽象的或動態的。而是因為學生在學習力學概念時，多數學生把力歸類於「物

質」本體類別（例：認為有「衝力」隱藏於正在運動的物體中，或認為有「重力」存 在於地球內，把力視為存在受力體內的物質）。但科學上則將力視為一種交互作用，屬 於「過程」本體類別，因此要學生放棄原來的觀點，並將之轉換為本質上完全不同的

「過程」，就會非常不容易。

以下將牛頓力學常見的迷思做分類，分別整理出各類迷思概念對物理解題的影 響。

(一) 力與運動兩概念之混淆

Thornton 與 Sokoloff (1998)曾連續數年，對俄勒岡大學及塔弗茲大學的學生進行牛 頓第一定律及牛頓第二運動定律的概念做檢測，發現物體靜止時的受力狀態，由於牛 頓力學概念恰好與傳統概念相同，因此大部分學生均能答對此題。但在鉛直投擲硬幣 至最高點的過程中，對於硬幣自始至終僅受到持續向下的重力，與行進方向完全無關 這件事，每年學生的答對率都極低，因此可以得知，受力方向（即加速度方向）與運 動方向無關，由於跟日常生活學生的經驗相違背，因此為牛頓力學中最不易理解的概 念。

楊其安與郭重吉(1990)對國中生進行力學概念之理解研究，發現學生認為力與運動 彼此有所關聯，受力越強，物體越會劇烈運動，速度就越大。應用於國中教材中，學 生會認為正在進行自由落體的物體，所受的重力和掉落的速度成正比。Hestenes 等人 (1992)也發現，多數學生認為力和運動有因果關係，因此會認為力和運動成正比；有些 學生還會認為比較大的力會決定物體的運動方向，或是認為最後的作用力會決定物體 的運動方向(Hestenes, et al, 1992)。

(二) 衝力迷思

學生常認為一個持續運動的物體必定受一個持續作用的作用力(Thijs, 1992)，因此 容易產生很多迷思，如：(一) 靜止的物體就不受力。(二) 等速度運動的物體，在運動 方向上一定有一股作用力，且克服了反作用力，才能等速前進。(三) 作用力賦予物體

「衝力」，用以維持物體運動。(四) 「衝力」會因重力或摩擦力耗損。(五) 作用力和

物體運動的速度成正比。此處的「衝力」(Impetus)為西元 14 世紀，法國哲學家布里丹 (Jean Buridan, 1291~1363)曾提倡的「衝力理論」(Impetus Theory)，並非物理學中的

「衝量」(impulse，定義為力乘上作用時間)(邱韻如，2012) 。

Clement (1982)曾歸納出具有衝力迷思特質的學生之常見特徵(一)只要持續運動，就 算是等速度運動，也能觸發學生去假設，運動方向上可能會有個力，造成物體運動。

（二）若運動方向上有個明顯的阻力，此時學生會自創一個多餘且比阻力還要大的作

（二）若運動方向上有個明顯的阻力，此時學生會自創一個多餘且比阻力還要大的作