基于概念的科学教育

1、基于概念的科学教育叶兆宁东南大学学习科学研究中心“做中学”科学教育改革实验项目教学中心江苏汉博教育培训中心2011.9云南1什么是基于概念的科学教育？回顾小学科学课程的目标科学探究情感、态度和价值观科学知识科学概念2在小学科学教育中过程和结果孰轻孰重？ 认知神经科学和学习科学对学习的研究3神经元 Neuron细胞体 Cell Body轴突 Axon树突 Dendrite突触 Synapse人脑中含有数千亿（1011）的神经元,比它多10倍以上的胶质细胞。每个神经元又可以有数百、数千个,甚至更多的突触（1015） 4突 触人脑中含有数千亿（1011)的神经元，大约和银河系的星星一样多。每个神经元

2、又可以有数百、数千个,甚至更多的突触(1015)5在发育不同阶段突触连接和密度的变化出生时6岁时14岁时6大脑皮层额叶顶叶颞叶枕叶7陈述性记忆（情景和语义、有意识的回忆、灵活的表达）非陈述性记忆海马和副海马区动作记忆（习惯、技能、感知和动作适应）情绪记忆（习惯性的偏好和厌恶，情绪记忆调节）新纹状体小脑脑干和脊髓的动作输出杏仁体下丘脑、自动和激素输出皮层联合区颞叶 顶叶 扣带回 嗅觉区 前额叶工作记忆感觉记忆8在视觉皮层，听觉皮层和前额皮层中突触的生长摘自Neural Plasticity 2002前额皮层听觉皮层视觉皮层初生儿4000天成人9人脑的发育突触的形成和早期的经验有关年龄感知回路(视

3、觉、听觉等)语言高级认知功能受孕出生(月) (年)10我们只使用了10%的脑吗？左半脑语言 数学 逻辑右半脑空间能力 面部识别 美术 音乐大脑优势脑的可塑性？11睡眠有两种基本的形式：慢波睡眠和快速眼动睡眠。每天要睡多少时间出生时 16小时7岁 10.5小时14岁 8.5小时21岁 7.75小时 12眼见未必为实13树突突触2为了持续地增强突触，需要激活CREB蛋白1较强的或是重复的刺激瞬时强化了某个突触并以某种方式通知细胞核生成长期记忆假定突触-核信号分子3细胞核内CREB选择性地激活基因，使它转录成信使RNA，并逸出细胞核轴突4 按mRNA指令产生突触加强蛋白并在神经元内扩散 5 当时已经

4、被强化或敏感化的突触会接受这种加强蛋白加强突触蛋白CREB核编译自 Scientific American Feb. 2005 14参考文献：Laura-Ann Petitto & Kevin Dunbar，New findings from Educational Neuroscience on Bilingual Brains, Scientific Brains, and the Educated Mind，In press: K. Fischer & T. Katzir (Eds.), Building Usable Knowledge in Mind, Brain, & Educat

5、ion. Cambridge University Press. Conference on Building Usable Knowledge in Mind, Brain, & EducationHarvard Graduate School of EducationOctober 6-8, 2004 即使在概念的改变发生的时候，学生仍然保留了他们原来的认知和想法，只不过新的知识抑制了他们原来的认知。 Dunber博士提出了一种新的和不同的观点：15脑科学的进展给教育怎样的启示？学习的生物基础是神经系统的可塑性学习是我们所有察觉到的和处理过的信息的整合，这种发生在体内的整合过程中引起了脑结

6、构(突触连接、神经元数目、功能区、神经递质等）的变化。 从根本上说，学习就是连接状态的变化，或是增加了突触连接处的电位，或是强化或剪除突触之间的连接。因而，一个成功的教学通过改变连接状况，影响着脑的结构。16脑从出生前到20岁左右是主要的建构期；这个建构过程是先天基因和后天经验相互作用的结果；建构过程是逐渐和连续进行的；在此过程中会出现一些功能的敏感期：教育要考虑到学生的差别和学生的学习历程环境基因身体行为脑家庭、学校、同伴、社区、文化17学习是一个逐渐积累的建构过程认知神经科学告诉我们：在学习过程中，对问题的理解是构筑在学习者原有的理解和经验之上的。教育学家、认知科学家、心理学家、认知神经科

7、学家一直致力于探索人是如何学习的需要从小学习正确的科学概念18皮亚杰（Jean Piaget）认为儿童生而具有某种认知结构，他们在儿童发展的过程中依次出现，这些认知能力的出现和环境刺激的关系不大，在预订的时间以前不会出现相反地，我主张正规教育如果系统地运用儿童自发的思维发展过程会比现在的方法取得多得多的成绩 皮亚杰Comments on Vygotskys critical remarks, by Jean Piaget191.课程设计：儿童有效地学习要通过一定社会环境下的互动来实现,在课程设计中要强调学习者和学习任务之间的互动.2.学习指导：在成人适当地帮助下,儿童常常可以完成他独自无法完成

8、的任务,所以要经常根据儿童的水平提供灵活的“脚手架”来帮助儿童,“脚手架”并不仅仅是为了产生直接的效果，更是为了慢慢地培养儿童未来独立解决问题的能力。3.评价：评价要考虑“最邻近发展区”的概念，即考虑儿童实际具有的发展水平和在帮助下可能获得的发展水平。两个儿童可能具有同样的发展水平，但在同样的帮助下，可能解决的问题水平不一样，评价时应考虑这个因素。Vygotsky是前苏联的一位教育心理学家,他提出社会建构理论20科学家对学习的解读人是如何学习的，2000年剑桥学习科学手册，2009年21人是如何学习的脑、心智、经验和学校在过去的三十到四十年间对心智的研究产生了革命性的变化，这对教育有重要的意义

9、。正如我们所展示的：一种新的学习理论正在进入我们的视野，它会导致新的课程设计方法、教学方法和评测方法，这些方法与现在我们在学校里通常熟悉的方法有很大的不同。（2000）美国国家科学理事会22学习科学对学习的共识更深刻理解概念的重要性注重教、也注重学创设学习环境建立在学习者已有知识上的重要性反思的重要性23学习科学对学习的共识更深刻理解概念的重要性 仅仅学到陈述性知识和程序性知识，却不一定能胜任工作。只有学习者知道何种情形运用何种知识，并能在新的情况中对原有知识做出恰当修正，陈述性知识和程序性知识才是有用的。当学生对概念获得更深层次的理解时，他们就会以一种更加使用而且深刻的方式来学习知识，并将所

10、学知识迁移到真实情境中。剑桥学习科学手册，200924专家和新手的区别专家能识别新手注意不到的信息特征和有意义的信息模式专家获得大量的内容知识，这些知识的组织方式反映专家对学科的理解深度专家的知识不能简化为一些孤立的事实或命题，而应反映应用的情境专家能够毫不费力地从自己的知识中灵活地提取重要内容尽管专家谙熟自己的学科，但这不能保证他们会教导他人专家应付新情境的方法灵活多样25学习科学对儿童学习者的研究儿童学习者在很多方面区别于成人，对儿童学习者的研究显示学习随着时间的推移呈现出动态图景。 在某些特殊领域，比如生物学和物理学的因果关系、数、语言等，婴儿和幼儿具有极强的好学易学的先天素质 儿童缺乏

11、知识和经验，但并不缺乏推理能力 早慧的知识可以起动学习过程，但由于有限的经验和逻辑思维系统的不完善，儿童的知识包含错误概念 儿童能够通过纯粹的意愿和努力学习，但当儿童被要求学习他并不具优势的领域时则需要具备有目的的学习策略26学习科学对儿童学习者的研究儿童学习者在很多方面区别于成人，对儿童学习者的研究显示学习随着时间的推移呈现出动态图景。儿童需要理解学习的含义，需要反思他们自己和别人的学习，元认知技能为学习提供了策略性的能力儿童是问题的解决者，又是问题的制造者儿童的好奇心和坚持性需要得到成人的支持和帮助27儿童的概念发展与转变28活动1：阳光下的影子活动2：镜子29要围绕科学概念组织教学概念是

12、儿童建构更复杂能力的基石，学生可以运用掌握的主要概念，扩大到探究其他的问题上，触类旁通地解决学习和生活中遇到的问题。大量的关于儿童认知行为的研究表明，当儿童达到入学年龄时，就已经形成关于周围世界的许多方面的概念。因为这些概念是由儿童自己获得的，所以对于他们来说是有意义的，不容易被改变。科学课程教学时需要了解学生的前概念30什么是前概念儿童在学习某一知识概念前，对这一知识概念的内涵已有的观点和想法。31学生的前概念有一些正确的前概念有一些错误的前概念有一些对错纠缠的前概念32视频：蜗牛吃什么视频：种子里面有什么学生前概念的来源来自日常现象的观察归纳：鸟都会飞来自与别人交流后的认同：鸡不会飞，最早

13、是鸟驯化的，所以也是鸟类来自阅读和媒体的宣传：鸟是人类的朋友来自课堂教学：蝙蝠会飞，像鸟，但不是鸟来自其他渠道：如实践活动等33儿童的思维为直接经验的感性认识而不是理性认识所支配。“空气没有重量，否则我们应该会觉得肩膀沉重啊！”“力量是由肌肉运动施加的”“说话的声音只由嘴和舌头发出”“我们听到的声音是唯一存在的声音”34儿童只能想象出亲身经历过的事物（看过、听过、闻过、摸过等），很难想象看不见的事物；如儿童理解的物质存在就是看得见或能感受到的事物，如“空气中什么都没有”“水蒸气、力、细菌”“当我们在水中时，就像被包裹了起来，而在空气中却没有任何感觉。”35儿童对因果关系的思考更为线性一些，很难

14、同时处理太多的因素“土壤是生物，因为土壤有营养，里面会长出东西来”儿童认为蚕是一种植物，所以需要浇水和晒太阳儿童想象不出不属于自己实际经验的需求36儿童会将同时发生的两个事物联系在一起，无论这之间是否有关系，如我很伤心，天下雨了。因为我伤心，所以下雨了儿童的思维和语言不能脱离具体事物。“动物和植物不同，动物有腿，但没有根”37他们能把一定情境中形成的观念迁移到其他情境“声音碰到固体或液体时会停下来”“云碰撞的时候会下雨”“云变重或变满了会下雨”学生对水和油混合后的分层现象的解释：学生甲：油比水轻所以油浮在水的上面。学生乙：油比水重，所以油可以把水压 住。38儿童不能牢固树立起前后不能矛盾的观念

15、儿童不会轻易放弃他们好不容易才形成的概念和理论“人呼吸需要空气”“房间里的窗户和门都关着，所以房间里没有空气”39儿童的思维为直接经验的感性认识而不是理性认识所支配。很难走出自我、超越自身来看待世界他们能把一定情境中形成的观念迁移到其他情境儿童对因果关系的思考更为线性一些，很难同时处理太多的因素儿童不能牢固树立起前后不能矛盾的观念儿童对事件发生的过程和原因有非常复杂的解释儿童不会轻易放弃他们好不容易才形成的概念和理论40了解学生前概念的教学意义1、确定教学的起点；2、因材施教、对症下药。41教学的一个重要任务帮助学生在前概念的基础上 确认正确的概念； 丰富不够完整的概念； 纠正错误的前概念；

16、建构正确的科学概念。42如何了解学生的前概念？43了解学生前概念的课堂策略：1.画图2.画网状图3. KWLH 图4.概念图5.为某个事件或现象选择一项解释6.进行预测（画图或文字）44了解学生前概念的课堂策略：7.提问8、词汇联想9、双层多项选择测试451.画图 让学生画图画，表达他们对某个事件的看法 举例： 蚂蚁 蚯蚓 热的传递 小灯泡的亮灭 46学生所画的蚂蚁4748图画让我们发现1、有学生能知道蚂蚁的身体主要有几部分（三部分）（头、肚子两部分）2、知道有触角3、知道有腿（6条）（4条）4、不知道腿都长在哪儿49观察之后所画的蚂蚁50学生所画的蚯蚓看到了“环节”，但细节部分不知道需要感官

17、（眼睛、手）、工具（放大镜）51热的传递52学生对热的传递的猜测53线性物体金属棍传热学生能知道，因为生活经验面的物体金属片学生就不清楚了54实验观察后修改的图片55学生对小灯泡发亮的猜测56实验后所画的图片暴露出：连接点不清楚、闭合概念不清57画图的好处展示学生原有的想法（上例）暴露学生的思维过程（线性、面）展示学生的学习成果展示学生对概念的前后对照帮助学生准确表述（表达方式：语言、文字、图画等）582.画网状图 学生画一个网状图，显示想到的与教学主题相关的所有词汇； 画网状图的活动可以由每个学生独立完成，或者由学生集体讨论来完成。59资料来源：北京四季青育红幼儿园 60资料来源：北京亮甲店

18、小学61动物与植物的相同点和不同点62资料来源：南京市逸仙小学 六（4）班 垃圾的分类63KWLH 图我们知道什么-Know、我们想知道什么-Want、我们已经了解了什么-Learn、我们是如何了解的-How） 教师将学生带入一些活动，然后准备一个分成四个栏目的图表K/W/L/H 学生为每一个栏目提供自己的观点64KnowWantLearnHow对漂浮的物体有什么了解？是否所有漂浮的物体都有空气在里面？1、一些不含空气的东西也会漂浮2、物体的形状对于他们漂浮的状况十分重要用黏土和锡箔纸进行实验演示654.概念图 向学生讲授与教学主题相关的关键词，并插入连接词，以显示这些关键词之间的关系，最好把

19、关键词写在小纸片上，每张纸上写一个词，以便在搭建时能够将其移动。66资料来源：北京密云县季庄小学67一般而言，针对这种包含很多概念的概念图，教师需要更多更系统的指导教师在学生画概念图之前，让学生先理解什么是概念图概念图的基本结构画概念图的步骤制作一个让人一目了然的概念图685.为某个事件或现象选择一项解释 教师在卡片上提供一系列带有插图的解释， 让学生分组讨论水与冰模块69案例分析：这种方法在课堂上了解学生前概念的过程中经常会用到，尤其针对一些无法提供实物的课程，例如，地球与空间科学领域的活动、天气与气候、某些生命领域的课程等。70进行预测（画图或文字）学生们用图画或文字说明当某个事件的条件改

20、变时会出现什么情况举例： 如果将物体移近光线，影子会变小吗？71 资料来源：影子的故事吉姆的工场72从以上两张记录单中可以看出，学生对于“影子方向的变化”有一些错误概念，主要表现在：1）、影子与物体不相连；2）、影子和光源同侧。73学生通过亲自实验后发现自己的错误，并能够纠正错误概念，这是一种常用且非常有效的测试学生前概念的方法在使用过程中，教师首先要设计一个适合学生探究的记录单，能够在一张记录单上反映出学生实验前后的变化，对于下一步的指导教学非常有帮助747.提问 学生对教师提出的关键问题进行回答用提问的方式，了解学生的已有认识，是最常用的方法；一般教师在提问前能够大致预测出学生的想法；根据

21、学生的回答，教师采取合适的教学手段进行教学。75视频：水与水蒸气8、词汇联想 词汇联想是给学生一个或几个概念的名称，要求学生写下由给出的名称联想到的词，然后进行分类归纳，运用统计技术检查词汇之间的连结情况，以揭示出学生的前概念。76有1对触角有翅膀有3对足蜂群有分工会采蜜蜜蜂会跳舞77暴露：有3对足、有翅膀、有1对触角等身体结构会跳舞、会采蜜、蜂群、有分工等生活习性有了解系统、全面性不够789、双层多项选择测试双层多项选择测试由两部分组成，第一部分是一个包含正确答案和错误答案的选择题，第二部分是针对第一部分选项提供的原因解释，或者第二部分是一开放式的填空题，要求学生自己说明选择该项的原因。79

22、小结上述做法可以尝试，适合小学生实际操作中，有的策略之间交叉使用 例：画图提问（应随之有访谈） 词汇联想与网状图形式结合了解学生前概念并进行教学设计（不要形式）（例）80要围绕科学概念组织教学围绕概念组织教学的策略和方法81基于前概念的课堂策略1、预判学生的前概念2、试测学生的反应3、针对学生的错误概念设计活动 针对纠正的概念准备器材 针对已有的正确概念进行丰富4、在令人信服的基础上建构新的概念82学生通过证据信服新的概念错误概念一旦形成，很难消除；一定情境下仍然反映出错误的认识；只有在有力的证据下，才能真正形成新的正确的概念。83围绕科学概念设计探究活动探究应有结构，应考虑教学策略学生主动的

23、学习要和教师有准备地指导相结合，和学习者之间的共同学习活动结合学习者需要在持续地、有支持和引导的环境下学习，以逐渐掌握一些重要的知识和模型，培养学习的能力84有效的学习需要学习者主动地参与，这是学习者真正能改变他们的原有概念和学习新知识的前提和关键教师在引导学生主动参与中起到重要的作用 85围绕概念组织教学研读教材进行教学设计备课86如何研读教材把教学看成是一个系统教学系统的要素有哪些？87教学系统教师/学生教学系统教学内容/目标/方法教学条件/媒体教学组织形式/活动如何研读教材从教学系统的整体功能出发，积极进行各个要素的分析、考查，然后进行教学设计教学内容、目标 有哪些？学生实际状态怎样？（

24、概念、能力）教学重难点有哪些？采用什么教学情境？探究问题是什么？探究过程怎样进行？88如何研读教材读教材内容、结构、关联背景资料研究教材主要概念教材编写思路89实例教科版四下“电”单元课题活动课题活动1、生活中的静电现象体验静电现象5、导体和绝缘体检测身边的物体是否导电不一样的电荷教室里电器设备的绝缘材料让电荷流动起来6、做个小开关观察手电筒2、点亮小灯泡小灯泡的构造做个小开关让小灯泡发光各种各样的开关3、简单电路带灯座的电路7、不一样的电路连接里面是怎样连接的让更多的灯泡亮起来比较两种不同的电路连接4、电路出故障了什么地方出故障了做个电路检测器90读教材内容、结构、关联？静电点亮小灯泡简单电

25、路电路出故障了导体和绝缘体开关不一样的电路连接91“电”单元中涉及的科学概念静电现象是物质在外力作用下电荷位置发生变化所产生的带电现象电荷有正电荷和负电荷两种，同种电荷相互吸引，异种电荷相互排斥电荷持续的定向流动就形成了电流要使电流经过导线使小灯泡发光，需要有一个完整的电路使用相同的材料，可以组成不同的电路；用不同的连接方式连接的电路具有不同的特点。92“电”单元的主要概念有的物质容易导电，这样的物质称为导体；有的物质不容易导电，这样的物质称为绝缘体。开关通过连接和断开电路来控制电路中的用电器。电是异种能量来源，能产生光和热。93过程与方法组装简单的电路在关于电的探究活动中，进行预测、观察、描

26、述和记录实验的结果用简单的电路图表示电路的连接方式制作简单的开关、并用它来控制电路用电路检测器检测电路中的故障用电路检测器检验导体和绝缘体用电路检测器探究接线盒里电路的连接情况94教学设计教学过程是一个动态、生成的过程关注针对学的过程的设计给学生以学习的空间有效的教学，不是一个预先设计好的教学方案就能解决的，更不能僵死的、不变的简单执行这个教学预设方案。95教学设计所经历的基本过程1.分析学生的认知水平2.观察实验材料的研究分析3.设计教学过程4.书写教案5.准备分组的实验材料96分析学生的认知水平学生原有与本课内容相关的概念水平解决本课认知的概念水平已建立的关联概念学生已有的学科关联知识学生

27、可能从其他渠道获取的知识97学生对电的认识9899学生对电有哪些问题？电有多高的温度？是所有电都会电死人吗？电是从哪里来的？关闭电视后，用手触摸电视，为什么会有静电？为什么抓住一个东西触电时手不会松开？为什么闪电可以把树劈成两半？为什么橡胶不导电？为什么电池摸上去没有感觉，却可以让玩具动起来？为什么不能在电线下钓鱼？ 100学生对于电路的认识 家庭用电，插座，电源，用电器等 从日常生活经验中很难获得回路的概念。101设计教学过程设计教学方案框架根据教材对学生所形成概念水平的不同要求确定教学目标、教学内容、教学重难点、教学方法选择教学材料、教学手段设计教学过程102如何进行教学设计实例 点亮一个小灯泡的教学设计探究问题：怎样用导线（一根）、电池和小灯泡，使小灯泡亮起来？103“点亮一个小灯泡”的活动后，教师可以引导学生思考哪些问题？