高瀟怡 黃 真

(北京師范大學(xué)教育學(xué)部課程與教學(xué)研究院，北京 100875)

學(xué)生的前科學(xué)概念對(duì)于科學(xué)概念教學(xué)具有重要價(jià)值。所有學(xué)生進(jìn)入課堂前，他們對(duì)這個(gè)世界是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的已經(jīng)有一整套自己的理解，這些理解跟他們之前接觸過的知識(shí)和自身的經(jīng)歷相關(guān)。大量研究表明學(xué)生存在諸多與科學(xué)概念不完全一致的前概念，而這些前科學(xué)概念對(duì)正式的科學(xué)概念學(xué)習(xí)會(huì)產(chǎn)生一定的消極影響。因此，如果科學(xué)教學(xué)不能考慮兒童的前科學(xué)概念，那么科學(xué)概念轉(zhuǎn)變就很難發(fā)生。以學(xué)生的前科學(xué)概念為基礎(chǔ)的教學(xué)，對(duì)于促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念理解、深化科學(xué)課堂教學(xué)效果具有重要意義。

一、學(xué)生前科學(xué)概念的內(nèi)涵及其教學(xué)價(jià)值

學(xué)生并非空著腦袋進(jìn)入教室，在進(jìn)入教室之前他們已經(jīng)形成了對(duì)世界的“直覺概念”[1]，而這些“直覺概念”往往與當(dāng)前科學(xué)界對(duì)自然客體的解釋不一致。學(xué)術(shù)界對(duì)于學(xué)習(xí)者個(gè)人已有的“直覺概念”有不同的術(shù)語界定，其中最常用的是迷思概念(也稱錯(cuò)誤概念)、異構(gòu)概念和前科學(xué)概念。本文中所使用的“前科學(xué)概念”這一術(shù)語，其內(nèi)涵是指兒童在接受正規(guī)教育前對(duì)科學(xué)現(xiàn)象和過程形成的不完整的想法和觀點(diǎn)，這些想法和觀點(diǎn)是其接受科學(xué)概念的基礎(chǔ)。

“轉(zhuǎn)換學(xué)生思維所需要的努力不亞于一場科學(xué)革命”[2]。按照皮亞杰的觀點(diǎn)，學(xué)習(xí)者的前科學(xué)概念是個(gè)體對(duì)世界的意義建構(gòu)，它是個(gè)體進(jìn)行科學(xué)概念理解的基礎(chǔ)。而已有研究表明，如果這種前科學(xué)概念是錯(cuò)誤的，那么它就會(huì)干擾學(xué)習(xí)者對(duì)新知識(shí)的意義建構(gòu)。教學(xué)中，如果教師不能檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)學(xué)生前科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變，這些概念就會(huì)長期存在并成為之后科學(xué)概念學(xué)習(xí)的障礙。正如奧蘇貝爾所說：“假如讓我把全部教育心理學(xué)僅僅歸納為一條原理的話，我將一言以蔽之：影響學(xué)習(xí)的唯一最重要的因素就是學(xué)生已經(jīng)知道了什么，要探明這一點(diǎn)，并應(yīng)據(jù)此進(jìn)行教學(xué)”。因此，科學(xué)教育關(guān)注學(xué)生的前科學(xué)概念并在此基礎(chǔ)上幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)前科學(xué)概念的轉(zhuǎn)化具有尤其重要的價(jià)值。

二、關(guān)于“水的液氣相變”的學(xué)生前科學(xué)概念的已有研究

關(guān)于水的蒸發(fā)、沸騰和冷凝乍看起來很簡單，兒童從日常生活中會(huì)積累相關(guān)的概念，然而已有研究表明，學(xué)生學(xué)習(xí)這些概念之后并沒有真正理解，而且該主題也是學(xué)生最容易產(chǎn)生前科學(xué)概念的主題之一。國際上對(duì)于該主題的研究已有40多年的歷史，研究者采用訪談法、二階式診斷法、課堂觀察法、繪圖法、傳統(tǒng)紙筆測(cè)驗(yàn)法、概念卡通圖法等方法探查兒童在該主題中存在的前科學(xué)概念。已有研究從學(xué)生的日常生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，創(chuàng)設(shè)具體生活實(shí)例，如衣服變干、水池水位下降、濕手印不見、冰玻璃杯外壁冒水珠、正在沸騰的水、冬天往玻璃窗戶上哈氣等，探究學(xué)生關(guān)于此概念的認(rèn)知與理解。整合梳理學(xué)生的回答可以發(fā)現(xiàn)，兒童在該主題中普遍存在的前科學(xué)概念主要表現(xiàn)為：(1)關(guān)于“蒸發(fā)”的前科學(xué)概念：當(dāng)白氣看不見時(shí)，它就變成了空氣；敞口容器中的水會(huì)被容器吸收，或者消失，或者變成空氣，或者變干；只有水會(huì)蒸發(fā)；水只有在陽光/高溫下才會(huì)蒸發(fā)。(2)有關(guān)“沸騰”的前科學(xué)概念：當(dāng)水沸騰或者冒氣泡時(shí)，氣泡中是熱空氣、氧氣、氫氣或熱量；水蒸氣是熱空氣。(3)有關(guān)“冷凝”的前科學(xué)概念：只有水會(huì)冷凝；空氣中沒有水蒸氣，冷凝是空氣變成液體；容器外壁冷凝的水是從容器內(nèi)壁滲透出來的。

兒童的前科學(xué)概念是否存在年齡差異？是否會(huì)因?yàn)閮和纳沓墒於l(fā)生變化？在巴(Bar)的研究中發(fā)現(xiàn)[3]：不同年齡段兒童對(duì)該主題存在不同的概念理解程度，對(duì)于蒸發(fā)和冷凝的理解與學(xué)生的守恒觀和思維可逆性發(fā)展有關(guān)系。研究表明大部分5～7歲的兒童還沒形成守恒觀念，對(duì)于“水坑里消失的水去哪里”問題無法做出回答，只關(guān)注剩下的水，或者認(rèn)為“被地面吸走了”，而問到“消失的水是否會(huì)回來”，幾乎所有的學(xué)生認(rèn)為“水不見了，就是消失了，不可能回來”。7～9歲兒童開始出現(xiàn)守恒觀，對(duì)于同樣的問題回答是“水池中的水轉(zhuǎn)移到其他地方，比如滲透到地里或者其他固體”，但是他們很少能認(rèn)識(shí)到“水蒸氣進(jìn)入空氣”。所以研究者認(rèn)為雖然學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了水守恒，但是還沒發(fā)展到“空氣守恒”。而9～15歲的兒童大部分能正確解釋“水變成水蒸氣，并進(jìn)入空氣中”。而對(duì)于水是否會(huì)回來，有些學(xué)生已經(jīng)能說出“水進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)”，思維呈現(xiàn)抽象性和概括性。從思維的發(fā)展上看，兒童的認(rèn)知逐漸從具體形式發(fā)展到抽象形式，主要表現(xiàn)為：第一階段只認(rèn)識(shí)水的液態(tài)形式，水滲透到地面仍然是液態(tài)；第二階段水變成氣體，或者小水滴蒸發(fā)到其他“容器”中；第三階段水變成看不見的氣體顆粒，并且不需要“容器”。

研究者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的前科學(xué)概念具有頑固性、穩(wěn)定性、隱蔽性和反復(fù)性等特點(diǎn)[4]，由此有學(xué)者認(rèn)為傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難探查和引出學(xué)生的前科學(xué)概念，當(dāng)然也就更談不上概念的轉(zhuǎn)變[5]。

三、基于學(xué)生“水的液氣相變”前科學(xué)概念的教學(xué)方法探析

上文分析了相關(guān)研究中對(duì)學(xué)生“水的液氣相變”的前科學(xué)概念的研究，那么教學(xué)中如何運(yùn)用這些研究結(jié)果實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變教學(xué)呢？基于已有研究結(jié)果，我們重點(diǎn)介紹三種有助于探查、引出并轉(zhuǎn)變學(xué)生前科學(xué)概念的教學(xué)方法，即概念卡通圖法、P-E-O教學(xué)法和概念圖法。以下將結(jié)合“水的液氣相變”的相關(guān)案例，具體說明如何利用這些方法在課堂上探查學(xué)生的前科學(xué)概念，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，進(jìn)而促進(jìn)其前科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變。

1.概念卡通圖法

概念卡通圖的創(chuàng)建者是英國曼切斯特大學(xué)的基歐(Keogh)和納依拉(Naylor)教授，他們認(rèn)為概念卡通圖可以直觀地呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者(包括兒童和成人)對(duì)日常生活現(xiàn)象的想法和觀點(diǎn)。在概念卡通圖中往往會(huì)有3～4個(gè)卡通人物對(duì)同一個(gè)熟悉的日常情景進(jìn)行討論，不同卡通人物的觀點(diǎn)以卡通氣泡框的方式呈現(xiàn)，具體表述的觀點(diǎn)是基于兒童對(duì)該問題存在的前科學(xué)概念。概念卡通圖直觀、簡約、趣味和生活化的特點(diǎn)往往很吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行討論和探究的興趣。概念卡通圖的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于使用概念卡通圖學(xué)習(xí)者對(duì)科學(xué)觀點(diǎn)的表達(dá)會(huì)更加自信，因?yàn)?“即便他們說錯(cuò)了，他們也可以把‘回答錯(cuò)誤’的責(zé)任推給卡通圖中的人物”[6]。

在“水的液氣相變”中，教師可以針對(duì)學(xué)生容易產(chǎn)生前科學(xué)概念的現(xiàn)象進(jìn)行概念卡通圖設(shè)計(jì)。以沸騰中出現(xiàn)的白氣是什么為例，對(duì)于沸騰時(shí)冒出來的白氣，學(xué)生容易出現(xiàn)的前科學(xué)概念有：白氣是熱空氣；白氣變成看不見的空氣；白氣是非常非常小的小水滴；只有沸騰的水才會(huì)出現(xiàn)白氣(如圖1) 。

教師可以將這些前科學(xué)概念提前放入卡通人物氣泡框中，上課開始時(shí)給學(xué)生呈現(xiàn)該圖，簡短說明圖片內(nèi)容讓每個(gè)學(xué)生都明白該活動(dòng)內(nèi)容。接著，小組討論他們支持哪個(gè)卡通人物的觀點(diǎn)，并寫出理由或依據(jù)。該環(huán)節(jié)將有助于引出學(xué)生的前科學(xué)概念，學(xué)生對(duì)某個(gè)卡通人物觀點(diǎn)的支持就反映出他們自己的認(rèn)識(shí)。當(dāng)讓學(xué)生解釋支持的理由時(shí)，一方面教師可以由此進(jìn)一步了解的學(xué)生想法，以此作為促進(jìn)學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的依據(jù)；另一方面通過學(xué)生間不同理由的陳述、交流和溝通，有助于引發(fā)不同學(xué)生對(duì)原有想法和觀點(diǎn)的反思。

圖1 “白氣是什么”概念卡通圖

該概念正確的理解是“白氣是非常非常小的小水滴”。如果學(xué)生認(rèn)為白氣是熱空氣，可以引導(dǎo)學(xué)生回顧空氣的性質(zhì)；如果學(xué)生認(rèn)為白氣變成看不見的空氣，那么可以進(jìn)一步詢問學(xué)生或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，如果把一個(gè)蓋子放在白氣上方，過一會(huì)兒會(huì)發(fā)生什么；如果學(xué)生認(rèn)為只有沸騰的水會(huì)出現(xiàn)白氣，可以引導(dǎo)學(xué)生思考與白氣相似的云和霧是什么以及云和霧是怎么形成的。

概念卡通圖法比較適用于小組討論和全班集體性討論，在討論過程中教師要及時(shí)引導(dǎo)，讓學(xué)生在陳述理由時(shí)盡量聯(lián)系個(gè)人已有經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。概念卡通圖不僅可以在課開始時(shí)使用，也可以貫穿在整堂課中，當(dāng)學(xué)生提出個(gè)人觀點(diǎn)后可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)其觀點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假設(shè)。概念卡通圖的另一種用法是探測(cè)兒童前科學(xué)概念，卡通人物的氣泡框可以留白，讓學(xué)生針對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，學(xué)生的解釋就能充分暴露出他們存在的前科學(xué)概念，教師可以將此作為有效的教學(xué)資源。

2.P-E-O法

預(yù)測(cè)—解釋—觀察(Predict—Explain—Observe，簡稱P-E-O)是基于概念轉(zhuǎn)變理論和建構(gòu)主義理論而提出的一種教學(xué)方法，包括3 個(gè)環(huán)節(jié)：預(yù)測(cè)(Predict)、解釋(Explain)、觀察(Observe)[7]。

在P-E-O教學(xué)法中，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解釋，最后實(shí)驗(yàn)觀察驗(yàn)證或者推翻已有解釋，構(gòu)建新知。P-E-O教學(xué)法整個(gè)過程能夠潛移默化培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。我們以冷凝中最容易出現(xiàn)的一個(gè)前科學(xué)概念“容器外壁冷凝的水是從容器內(nèi)壁滲透出來的”為例分析P-E-O教學(xué)法的使用。因?yàn)閷W(xué)生很容易認(rèn)為冰杯子外壁冒出的水珠是杯子里的水，教師前期根據(jù)學(xué)生的前科學(xué)概念進(jìn)行情境的設(shè)計(jì)和加工很重要。首先，要使用一個(gè)看得見的容器，如玻璃杯或玻璃盒，使學(xué)生能清晰觀察發(fā)生的過程。其次，準(zhǔn)備密封的玻璃杯和天平，當(dāng)學(xué)生認(rèn)為水珠是杯子里面的水時(shí)，教師可以用守恒觀啟發(fā)學(xué)生“杯子里面的水被密封了，沒有變少”或者用天平稱一下觀察杯子的重量是否有變化。再者，針對(duì)低年級(jí)的學(xué)生，教師可以提前將學(xué)生可能出現(xiàn)的前科學(xué)概念列出來，讓學(xué)生進(jìn)行判斷和選擇。具體如下題：哪里來的水？

教師從冰箱里拿出一個(gè)裝有冰塊且密封的玻璃盒，把玻璃盒放在桌上，沒有打開蓋子。拿出來時(shí)玻璃盒的內(nèi)壁和外壁都是干燥的。過一會(huì)兒，老師發(fā)現(xiàn)，玻璃盒里的冰塊全都融化了，里面都是水。而玻璃盒外面也有一攤水，就可以提問：“請(qǐng)問這些水是從哪來的？”

A.水是玻璃盒熱了出的汗

B.來自空氣中的水

C.來自玻璃盒中融化的冰

D.來自玻璃盒里面的水冷凝

E.從玻璃盒內(nèi)部蒸發(fā)出去的水

F.其他，____________________

引入該現(xiàn)象后，全班或者小組通過討論進(jìn)行預(yù)測(cè)和解釋，然后教師通過演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生比照自己的原有觀點(diǎn)與觀察到的事實(shí)之間的差異。如果學(xué)生認(rèn)為“水是玻璃盒熱了出的汗”，可以讓學(xué)生摸摸玻璃盒，感受玻璃盒的溫度；如果學(xué)生認(rèn)為“水是玻璃盒中融化的冰或里面的水冷凝或是從玻璃盒內(nèi)部蒸發(fā)出去的水”，教師可以通過稱重量讓學(xué)生理解里面的水沒有跑到任何地方。通過實(shí)驗(yàn)觀察，讓學(xué)生對(duì)已有觀點(diǎn)產(chǎn)生不滿，而實(shí)驗(yàn)和討論中反映的新概念可以被理解或接受，從而促進(jìn)學(xué)生的前科學(xué)概念轉(zhuǎn)變。

3.概念圖法

概念圖是美國康奈爾大學(xué)諾瓦克(Novak)教授創(chuàng)造的一種組織和表征知識(shí)結(jié)構(gòu)的工具。它能展示學(xué)習(xí)者結(jié)構(gòu)化的知識(shí)，通過清晰地解釋概念間的邏輯關(guān)系，可借以深入了解學(xué)生對(duì)概念間的關(guān)系和內(nèi)涵的理解[8]。概念是由節(jié)點(diǎn)和連接線組成的圖示，其中節(jié)點(diǎn)處是概念，連接線表示概念之間的關(guān)系，每個(gè)概念之間的關(guān)系通過連接線和連接詞表示，每個(gè)連接都代表著一個(gè)命題。小學(xué)兒童對(duì)概念圖的使用存在挑戰(zhàn)。教師可以簡化該方法，將原來需要學(xué)生自己寫的節(jié)點(diǎn)概念和連接詞提前寫在卡片上。學(xué)生需要做的就是選擇概念卡片，用連線連接不同的概念，并解釋這些連線的意義。

在“水的液氣相變”中，以水的蒸發(fā)為例。教師在課上分發(fā)給學(xué)生寫好的概念卡片和部分空白卡片。卡片上的概念來源于學(xué)生可能出現(xiàn)的前科學(xué)概念，比如：水、水蒸氣、蒸發(fā)、冷凝、小水珠、高溫、低溫、太陽、空氣、加速、減慢、衣服變干、水池水位下降、黑板上的水印不見了等。在上課開始時(shí)，讓學(xué)生小組根據(jù)提供的概念卡片，拼出概念圖。然后讓學(xué)生解釋小組的概念圖中每個(gè)聯(lián)結(jié)的意義，學(xué)生的每一次解釋都能反映他們對(duì)該概念的認(rèn)知程度，教師也可從其中挖掘?qū)W生的前科學(xué)概念。之后通過全班的分享和討論，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)整概念圖，在調(diào)整過程中學(xué)生幫助學(xué)生前科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變。(圖2給出了水的“蒸發(fā)”的一種概念圖)除了在課開始時(shí)使用概念圖，教師也可以在課結(jié)束前使用概念圖，從而幫助學(xué)生梳理和鞏固新學(xué)的科學(xué)概念。

圖2 水的蒸發(fā)概念圖

概括說來，在基于學(xué)生“水的液氣相變”的前科學(xué)概念展開教學(xué)時(shí)需要教師注意把握如下幾方面原則：

第一，明確學(xué)生的前科學(xué)概念是科學(xué)教育有效教學(xué)的前提。教師要以學(xué)生的已有想法作為教學(xué)起點(diǎn)，在教學(xué)方法使用中考慮學(xué)生的前科學(xué)概念。

第二，教學(xué)應(yīng)從學(xué)生已知的或熟悉的例子開始。前科學(xué)概念來源之一是學(xué)生的日常生活經(jīng)驗(yàn)，因此教學(xué)要從學(xué)生熟悉的生活實(shí)例引入，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生從不同實(shí)例情境中歸納出其中的概念。

第三，為學(xué)生小組或全班深入地討論創(chuàng)設(shè)機(jī)會(huì)。由于前科學(xué)概念具有頑固性、穩(wěn)定性和隱蔽性，教師在教學(xué)中要提供充分的時(shí)間和營造氛圍讓學(xué)生真實(shí)地交流與討論，只有學(xué)生敢于表達(dá)自己的想法和觀點(diǎn)，教師才能知曉學(xué)生的前科學(xué)概念，從而為促進(jìn)學(xué)生的概念轉(zhuǎn)變而調(diào)整教學(xué)。