谈判官|谈实验建构科学概念的教学策略

谈判官|谈实验建构科学概念的教学策略

　　动手动脑学科学——谈实验建构科学概念的教学策略作者：周   斌    何建红

　　【摘要】动手做实验是小学科学课程的最主要学习方式，而新课程也更提倡让小学生在比较完整的时间段内开展实验探究，建构科学概念，逐步实现科学素养的螺旋式上升发展。笔者通过调查和实践，研究实验建构科学概念的教学策略，希望能为其他科学教师带来一些参考，以此改进教学行为和方法，使学生达到更有效建构科学概念的目的。

　　【关键词】调查、方法、认知冲突、探究

　　众所周知，科学教育是一个长期的过程，而小学阶段的科学教育将对一个人科学素养的形成具有近乎决定性的作用。作为承担科学启蒙任务的小学科学课，一直以来本着“细心呵护少年儿童与生俱来的好奇心，培养他们对科学的兴趣和求知欲，引领他们学习与周围世界有关的科学知识”的教学理念，带领一批批小学生们动手做实验，充分体验探究自然界奥秘的快乐，从而也为他们日后的初中科学、高中理综学习，乃至其一生的全面发展打下了扎实的基础。

　　目前，小学科学课堂教学主要是一个个小型实验，这也是科学课程的主要学习方式。按照新课标的要求，一个小学生对科学课程的学习，主要包括了科学概念、探究方法以及对科学的态度和价值观的学习。虽然课堂内科学概念的记忆必不可少，但小学生的科学素养更多地还是要在动手动脑的实验探究过程中才能真正实现螺旋式的上升与发展。笔者通过调查和实践，研究实验建构科学概念的教学策略，希望能为其他科学教师带来一些参考，以此改进教学行为和方法，使学生达到更有效建构科学概念的目的。

　　在教授新的科学概念之前，我们常常会遇到这样的情况：学生在学习科学知识之前，脑海中早已存在一些有关这个科学知识的想法。这种在系统学习科学知识之前所具有的想法被人们称之为“前概念”。围绕“前概念” 建立起来的一种特有的错误思维我们称为“相异构想”或“误概念” [1]。如所有的金属都能被磁铁吸引，烧水时会看到冒出白色的水蒸气等等。

　　经一些研究和实践证明，小学生的科学前概念大多源于日常生活中原有的生活经验和假设。而且，小学生的大部分前概念都与科学涵义不相一致，学生在系统学习科学知识时，通常不会放弃原有的错误认识，从而对正确概念加以排斥，甚至异化对正确概念的理解。如果得不到及时纠正，它将严重影响科学概念的建构，使学生对一些新知识的认识只停留在表面接受，甚至弯曲了新知识的科学涵义。因此，笔者在研究实验建构科学概念时，着重调查了基于学生的前概念水平开展实验教学的策略，下面就此作一些阐述：

　　一、实验前找准科学概念建构的切入点——前概念水平1. 科学的前概念水平测试方法

　　科学课要帮助学生构建科学概念，必须要了解学生的前概念水平。因此我们最好能通过一系列的诊断性测试了解每个学生的前概念水平，这样可以让我们的教学更加贴近学生的思维，更能“有的放矢”。

　　科学的前概念水平测试，可以采用的方法有访谈法，问卷调查法等[2]，另外在有些地方还可以用到到绘图和实验操作等手段。

　　例如在上《水和水蒸气》一课之前，教师可采用访谈的方式与学生口头交流。“你知道我们生活的周围有水蒸气吗？”“你看得到水蒸气吗？”等等，访谈法方便快捷，能迅速知道学生对概念掌握的大致水平，但不能细致入微地了解每一个学生的思维情况。采用问卷调查法可以帮助我们更加深入细致地了解学生的前概念水平。如在三年级科学始业教育时，我们就专门设计了前概念水平测试问卷，并对测试结果做了相应的分析，了解三年级学生的科学前概念水平。以下是对其中一部分重要知识前概念的测试内容以及结果分析：

　　(一)问卷内容：

　　(1)烧水时的冒出的白气是不是水蒸气？

　　(2)蜈蚣是不是昆虫？

　　(3)水是什么颜色的？你为什么这么认为？

　　(4)塑料条是否容易压弯？为什么？

　　(二)对问卷结果的整理：

　　(1)关于烧水时的冒出的白气是不是水蒸气的判断，有73%的学生认为白气就是水蒸气。

　　(2)关于蜈蚣是不是昆虫的判断，高达98%的学生认为蜈蚣是昆虫。

　　(3)关于水的颜色的填空，有78%的学生填写白色，还有少部分学生填写了蓝色、绿色、无色等，主要原因是因为生活中看到过这种颜色的自然水、海水等。

　　(4)对于塑料条是否容易压弯的解释，100%的学生地赞同塑料条比较软。

　　当对结果进行分析时，笔者发现，学生受生活经验和以往生活概念的影响是很大的。比如说烧水时冒出的白气就是很典型的特例，学生从知道地球上有水蒸气开始，就一直认为烧水时的“白气”就是水蒸气，而家长们也增强了这一错误前概念的顽固性，这就像“一个错误，犯的人多了，这个错误看起来就好像正确了一样”。而更多调查还证明，儿童对一个问题所形成的看法，往往根深蒂固，以至成人之后仍然会影响他们的思维，形成认识的障碍[3]。

　　2.基于“调查”下的科学概念建构

　　如果一节精彩的科学课只是一味地在那里思考、设计生动的教学内容和流畅的教学过程，而不去充分调查学生的前概念水平，那么极有可能课堂生动热闹，课后遗留产生“科学概念建构异化”的问题。所谓“科学概念建构异化”即学生以生活中的经验和认识来理解科学概念，而不去修改和完善他原有的前概念，当错误前概念还没来得及被修正，此时任何进入学生脑海的新概念都是在头脑中异化建构的[4]，而这对于新概念的建构是极其不利的。

　　如当我们教学《空气占据空间》时，学生头脑中其实已经有了很多关于空气的前概念了，如无形、无色、抓不到等，而调查知道有近一半的学生认为空气不占什么空间。那么教师应该充分了解好学生的前概念水平，合理有效地设计实验来激发学生头脑中“看不见、抓不到≠不占空间”的矛盾，在交流探讨中打破矛盾，建立新的概念体系。“无破则无法立”，所以科学概念建构要在深入调查学生前概念水平的基础上，再展开概念建构教学。

　　二、突出科学概念建构的载体——实验指导策略根据“典型概念模式”， 同时基于对小学生前概念水平的调查和分析，笔者梳理出了具有“形成型”、“改变型”、“完善型”3种教学特征的典型模式，以此提出相不同科学概念建构中的实验指导策略。

　　1.对于形成型概念的建构，应重视实验方法的渗透。

　　形成型概念对学生而言是相当陌生，相当繁难的概念；又是典型的，广泛存在于学生的生活之中的。所以，笔者认为，在小学科学教育阶段，与其教给他们一些似懂非懂的形成型科学概念，还不如教给他们一个寻找正确科学概念的实验方法。因为“授人以鱼，不如授人以渔”，科学教育更强调科学探究的方法。当学生的大脑里还没有一个完整的前概念时，就不应该去讨论这个问题，而应是制造机会来引发学生的思维碰撞并引导他们主动设计实验寻找正确的答案。

　　如在学生头脑中还没有形成声音振动曲线图、振动频率的概念时，建构“声音高低”这种晦涩难懂科学概念，其实并不适合让学生了解“声音高低”的科学本质。教师应提供一系列有结构性的实验器材，让学生去观察、实验、比较、发现，如：敲击大铁钉声音低，敲击小铁钉声音高；敲击长铁管声音低，敲击短铁管声音高；拨动粗琴弦声音低，拨动细琴弦声音高；敲击空竹管时，深的声音低，浅的声音高；敲击装水的杯子时，水多的声音概念高，水少的声音低等等。那么所有这些声音的高低变化有什么规律呢？学生通过多组实验的观察、研究和讨论，必然可以找出实心物体的发声变化由物体本身决定，并符合“大低小高，长低短高，粗低细高”的规律，空心物体的发声变化由其内部空气柱长短决定，依然符合“长低短高” 的规律。经历这一系列的探究过程，学生获得了他们能理解的“声音高低”概念，更重要的是掌握了类比分析的科学实验方法。

　　2.对于完善型概念的建构，需不断以实验中的新发现来补充完善。

　　与形成型概念不同，完善型概念建构过程中，学生是带着一定的认知来参与学习的。在教学中，教师必须直面这种认知，切勿把学生强行拉回零起点。探究活动开始前，让学生对将要建构的概念进行描述和解释是必要的。在学生还没有在动手探究中获得充分证据的时候，教师不要轻易下结论。就如爱因斯坦在总结他的成果是说的一样：创造一个新理论并不像是摧毁一个旧谷仓，然后在原地建一座摩天大厦。它倒像是在攀登一座山，获得了新的，更宽阔的视野，在我们的起点和它的丰富环境中发展意料之外的联系[5]。

　　其实，对于一些科学核心概念的建构并不是一蹴而就的，它需要学生在不同的年龄段重复同样的思考。而每一次重复的思考都应会是学生对科学概念认识的新提高。出于这些考虑，教材往往会对同一个科学概念安排在不同的年级反复进行教学，如对于物体沉浮概念的学习就安排在三、五、八年级分3个阶段进行，三年级要求学生掌握不同的材料在水中的沉浮情况与材料性质有关，五年级要求学生掌握体积相同的物体，沉浮与物体轻重大小有关，物体的沉浮状态受物体的排水量大小影响，八年级要求学生掌握用排水量和液体密度来计算物体浮力的阿基米德定理，并要求进一步理解物体沉浮不仅受排水量影响，还与物体本身的密度与浸入液体密度有关。这种安排给我们的启示之一便是科学课上帮助学生建构的完善型概念，要与学生的前概念发生联系，不断地组建一个又一个探究活动来完善。

　　3.对于改变型概念的建构，要以实验时的“意外”来引发认知冲突。

　　在三种概念类型中，改变型概念是受前概念影响最大的。正因为“学生不是带着空白的头脑走进课堂的”，因此在了解学生的前概念基础后，教学的第一步应该是让学生认识到他们已有的概念与事实并不相符，引发认识的冲突，借以打破学生头脑中顽固的错误前概念[6]。

　　如《杠杆》一课的导入中, 教师设计了一个“比谁的力气大”的游戏， 让学生推荐出班级中公认的一个力气大的和一个力气小的两位同学比试。力气小的压离支点远的一端木棍, 力气大的压离支点近的一端木棍, 结果力气小的几次都轻而易举地取得了胜利。这样的结果, 很显然出乎学生的意料, 就能引发学生的认知冲突，揭露前概念框架的不合理性，从而使学生自愿放弃前概念，建构改变型概念。

　　“旧的大楼没有推到，很难建起新的大楼” 。所以，建构改变型概念是决非轻而易举的，只有在学生意识到过去的认知无法解释新的问题或与某一事实矛盾时，才能放弃原有的想法。当学生看到自己认为“正确”的观点与老师的答案产生冲突时，易引起认识和情感的强烈反差，促使学生找出原有观点错误的原因。

　　如在教学五年级下册《物体在水中是沉还是浮》一课时，在观察更多的物体是沉还是浮的实验中，我安排了7种有结构的材料，有些是学生极易做出判断的材料，如石头、泡沫塑料等，也有些是学生较难判断的材料，如回形针、蜡烛等。在预测这些物体在水中是沉还是浮并说说预测的理由时，许多学生凭借自己的生活经验，判断影响物体沉浮的因素有：大小、轻重、形状、材料、是否空心等。其实学生的这些预测，展示的就是他们对沉浮判断的前概念。但是当实验结果与学生的前概念产生冲突时，这就更容易引起学生的思考，从而发现并提出问题：“影响物体沉浮的因素有哪些呢？”这就动摇了他们的前概念，为学生接下去的探究奠定了基础，从而帮助学生建立新的科学概念。

　　一旦学生产生了认知冲突后，教师还应及时认识到他们的概念模型是脆弱的，很不稳定，很容易受其他因素的影响，也难迁移到其他的情境中。下一步就该由教师提供更多有结构性的材料，进行各种探究实验或综合实践活动，帮助学生稳固这种新的概念模型。在这一过程中，需要这些将有助于改变型概念的形成。

　　三、把握科学概念建构的主线——实验思维

　　有人将科学教学比喻为引导学生过河，在“知识本位”的常识课阶段，将科学知识给了学生，学生由不知到已知，由知之甚少到知之较多，就可以说由此案到达彼岸了。在“能力本位”的科学课阶段，科学知识被视为基础和载体，它的任务是运载能力和兴趣由此案到达彼岸。在以培养学生科学素养为目标的新课改下，需要过河的除了知识和能力，还应有情感态度价值观等诸多方面，只有与科学素养相关的诸方面都到达了彼岸，学生才能得到真正意义上的发展。更为重要的是，我们还要考虑如何让学生自己“过河”，学生要自己“过河”，但也不是盲目地“下水”，教师要为他们提供“过河”的垫脚石，引导他们安全地到达彼岸。

　　目前，在教学实践中依然发现目前绝大多数科学教师对事实性知识的追求上没有改变。客观上，这也与教材、教参上教学目标表述的笼统、空泛与难以操作有关，致使教师面对课堂时陷入两难，既怕回到常识课的老路上去，又不敢放弃，这也跟“科学概念建构”与“实验教学过程”的脱节有着重要的关系。

　　于是，当我们在帮助学生建构一些科学概念时，更要学会让学生多问几个“为什么？证据呢？”，防止学生被“送过河”，那么他下一次还是不会自己过河。比如在“水”的教学时，有学生说水有“磁力”，这虽然是一个错误的想法，但它显然是学生依照生活经验思考得到的结果。因此，教师不因轻易否定学生的说法，而应以“很奇妙的想法”，“你是怎么想的”作回应，这既肯定了学生积极思考、敢于想象的精神，又提醒学生反思自己的想法。如果学生在实验和思考过程中自我修正错误，那么他在科学方法论和情感态度上都会受到教育。反之，直接否定学生的回答，会挫伤学生独立思考的积极性，使学生成为无独立见解的人，当然也就谈不上发展个性和创造力了。

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