基于学生前概念建构科学概念

基于学生前概念建构科学概念浦东新区育童小学桂耀樑【摘要】科学前概念指的是小学生在科学课前，对所学的科学知识已有的认识和了解。小学生受认知水平的限制，他们的科学前概念大多是不完整的、模糊的甚至是错误的。这些前概念常根深蒂固地留在小学生脑中，短时间内很难改变。如果学生的前概念和科学概念比较一致时，学生就容易理解、掌握所学知识；反之，学生就会觉得很难接受，同一知识点往往反复出错。由此可见，对小学生科学前概念的研究，直接影响到课堂效率的提高。那么小学生这些有失偏颇的前概念从何而来？教师该如何正确引导呢？本文从这两个问题出发，以笔者实际教学过程中总结的经验为例，阐述个人的一些思考与研究。【关键词】前概念转变小学教学科学概念当儿童来到这个世界之后，五光十色的万物便开始刺激着他们的感官，在此过程中，他们主动或被动地加工着扑面而来的各种信息，并在头脑中留下了印象。人们一般把儿童对事物的朴素理解称之为“前概念”。由于这种认识是对事物“表面性状”的随意和主观的反映，往往与真正的科学概念不一致，甚至相背。在科学学习时，这些先入的自然概念不时会与科学概念发生冲突，成为学生理解和掌握科学概念的障碍。因此，教师明确学生前概念的特征，了解它们对科学学习的影响，对选择有效的教学策略，提高学生科学学习的效率具有重要意义。目前，国内一些教育工作者对前概念的研究虽已取得了一定的成果和经验，但这些研究内容更多是为了服务中学教学。随着中小学知识联系日益紧密，前概念的研究也正被越来越多的小学教师认识并得以重视。小学科学课程标准中就明确指出：科学教学应首先关注学生已有的知识基础和认知发展水平。可见，前概念在小学生的科学学习中扮演着非常重要的角色。一、小学生常见的几种不完备的科学前概念小学科学教学的内容包罗万象，小学生对大千世界的了解也是深浅不一。结合这几年的教学实际，我把小学生的科学前概念分为四大类，即错误的科学前概念、模糊的科学前概念、片面的科学前概念和空白的科学前概念。（一）错误的科学前概念这种前概念类型是小学生中最常见的，也是最容易被教师发现。导致小学生产生错误的科学前概念有以下原因：1、受日常生活经验影响产生的错误学生的前概念很多来自于他们的日常生活经验。但由于缺乏相应的科学知识或收到现有知识储备的局限，小学生往往会被某些事物的表面现象所蒙蔽，根据自己的理解和猜测，对某一事物做出主观判断，导致了某些不科学的前概念产生。这种错误前概念的特点是顽固性、长期性。对这种错误，小学生是需要经过较长的时间才能转变，千万不能急功近利。如学生平时看到的金属大多是固体，且比较坚硬，就会认为“金属都是固体、硬的、比较重，不会变形”。2、受形象思维影响产生的错误小学生把眼睛看到的作为直接判断依据。由于受思维空间的影响学生对声、光、电等这些无形物质就产生一种错误判断，从而形成错误概念。在学习《空气》一课时，所有学生都会说“我们周围充满了空气”。但教师只要深入一问，便会发现问题——小学生把“周围”二字理解为“空旷的地方”。那么水中有空气吗？石头、木头这些固体物质里有空气吗？由于空气无色无形的特点，学生看不到水里、石头里的空气，所以他们认为这些地方没有空气。类似的问题还有“电池有电流”；“月亮是光源”等。3、受干扰产生的错误在日常生活中学生会接触到各种各样的概念，这些概念有的是他们熟悉的，有的是他们不怎么理解的，但学生也会跟着用。这些认识对科学概念的形成有的具有积极作用，有的会产生负面影响。如有学生认为“白色”就是“无色”。受到这些日常生活概念的影响，学生往往会形成一些不科学的前概念。另外日常生活中成人不科学的解释或语言，也会影响学生的前概念的形成。小学生的认知水平处在形象思维阶段，在这之前，他们多通过图像、声音等形式来认识世界。小学生的许多科学前概念在这些图像、声音中潜移默化的形成。现代社会媒体的高速发展，信息量越来越大一方面这些图像、声音丰富了学生的前概念另一方面由于图像、声音有的带有童话或者神话色彩、有的根本就不科学，这些鱼龙混杂的图像、声音给学生造成一些错误的认识。如在教学《蚂蚁》一课时，我先让学生画画你脑子里蚂蚁的样子。结果，孩子画的蚂蚁是五花八门，有的画了长着眼睛、咧嘴笑的蚂蚁；有的画了长着类似人的两条腿，能直立行的蚂蚁；有的画的蚂蚁只有头和身体等。显然，这样的图画来自书本而非现实观察。4、望文生义产生的错误当学生接触到一个新的、不熟悉的概念时，他们往往会从字面上去理解，下定义，导致概念涵义的错误扩大或缩小。这种错误是由学生不了解某概念的确切涵义，仅仅从字面上去牵强附会而产生。比如，在自然《能源》单元里，出现了了一个非常重要的能量名称——热能。很多学生都理解为这种能量是热的，或者说只有热的物体才具有热能。所以他们在回答冰箱把电能转化成什么能量时，自然创造了一个“冷能”。类似的问题还有“白色污染是指白色的废品污染”；“糖类”就是“白糖，很甜”等。（二）模糊的科学前概念在教学中，我们还常遇到学生“知其然，而不知其所以然”的情况。如在教学《斜面》一课时，学生都知道爬陡坡累，缓坡轻松；但问及为什么盘山公路要修得弯弯曲曲时,学生都说不出个所以然来。究其原因：在生活中，特别是小学生多凭借感官对现象进行一些直观的解释，但这些解释往往停留在感性认识的水平上，缺乏严格的推理和实验验，所以当场景转换后学生又变不知道了。（三）片面的科学前概念学生往往只关注事物的部分方面，不能对某种情况进行综合考虑；他们往往用系统中某一或某些组成成分的特点，尤其是一些显著特点，来解释某一现象，而不是从系统各组成部分的相互关系方面进行解释；此外，学生还认为，只有改变了的才需要解释，而不变的则无需解释，它们就是“事物本来的样子”。例如，学生会选择铁的容器而不是木制的或塑料泡沫容器来存放冰块，他们的理解是：铁是硬的，并且铁本身是凉的。他们根本不去考虑冰块和容器以及与周围空气之间的相互关系；再如，科学家把燃烧现象看成是燃烧着的物质和氧气的相互作用，而在儿童看来，一种物质或一个物体燃烧与否只取决于该物质自身的特点。（四）空白的科学前概念在教学中，我发现有一部分知识是小学生从未接触过的，即空白的科学前概念。对这部分内容的教学，教师容易唱“独角戏”，学生主动参与的积极性很弱。如：教学五年级《望星空》这一课前，我了解到大部分小学生连东南西北都分不清楚，他们怎么去找北极星？北极星的方位都找不准，怎么来观察北极星不动，其他星星绕着北极星转动这一天文现象？二、转变前概念，构建科学概念的策略瑞士心理学家皮亚杰的认知发展理论认为：人的心理发展是通过其认知结构的发展而实现的。而图式是指个体对世界的知觉、理解和思考的方式，是认知结构的起点和核心，或者说是人类认识事物的基础。图式的形成和发展是认知发展的实质。当个体面临新的刺激时，总是试图先把它纳入头脑中原有的图式之中，以引起个体原有认知结构量的变化，这个过程叫同化。如果个体头脑中已有的图式不能同化新刺激时，他必须修改原有图式或者重建新的图式，以容纳新刺激，这个过程叫顺应。由皮亚杰的认知发展理论不难看出：同化是引起认知结构的量的变化，而顺应是引起认知结构的质的变化，可见顺应的难度远远大于同化。因此，学生面临新知识、新问题时，总是试图采用同化的方式去学习、理解它。无法同化时，他们才试图采用顺应的方式。若学生不理解新知识在头脑中与已有认知结构有着本质的不同，他们很可能采取了与新知识不相符的头脑中已有的认知图式去同化。这就是常说的前概念影响了学生的解题心智。上述的前概念的特点和皮亚杰的认知发展理论，给自然教学以重要启示，也为我们转变学生的错误的前概念，完善前概念形成科学概念提供了可操作性的策略依据。1、尊重学生的前概念，引导学生建构科学概念学生的前概念并不具备很高的抽象性，甚至有些是与科学概念相悖的。但是学生那些前概念所暴露的问题，正是课堂教学的重点和难点所在，“沉没于水底的物体没受到浮力，因为它浮不起来”、“空心铁船放在水中能浮起来,是因为里面有空气”，学生的这些前概念，这提醒我们科学概念的建构必须要克服这些前概念的阻碍。告诉我们，前概念是是科学探究的基础，也是建构科学前概念的基石。因此我们对学生的前概念要有正确的认识，要尊重学生的前概念，并应根据学生的前概念，创设合适的科学探究条件，调整和改进探究活动，从而打下引导学生从前概念向科学概念转变的思想基础。2、创设教学情景，引导从前概念到科学概念的转变前概念是学生建构新的科学概念的基础，也是科学探究的始发点。让学生在与实际情况相类似的教学情境中修正错误想法是帮助他们获得科学概念的最佳途径。从学生的前概念出发，从学生的身边的、感兴趣的和存疑的问题入手，遵循从具体到抽象、从简单到复杂、循序渐进、由易到难的教学规律。通过创设教学情境，让学生根据自己的理解，预测实验或问题的结果；让他们用自己的前概念对现象进行解释，并为自己的前概念进行辩护，从而使思维结构发生冲突，并强烈意识到前概念的存在；教师在适当时机进行参与，并步步引导他们用正确的科学概念来解释问题。如在开始《沉和浮》单元的教学前，教师就可以这样创设问题情境：“石块放入水中，沉了下去；木块放入水中浮了起来。物体的沉浮与什么有关呢？铁块在水中是沉的，为什么钢铁造的轮船却能浮在水面上，还能装载货物呢？……本单元的内容就将帮助我们揭开物体沉浮的秘密”，这些都是学生在日常生活中常见的、感兴趣的而且存疑的问题，这样的引入切合学生的实际，这样从一开始就能紧紧地吸引住学生的注意。这样良好的开端在引导学生从前概念向正确的科学概念的转变上就迈出了成功了的一大步。3、引发认知冲突，消除错误的前概念改变学生错误的前概念是一件非常困难的事，有的前概念非常顽固，需要经过较长的时间才能得到转变。美国学者纳斯伯姆和诺威克曾提出过“矛盾事件”的方法，具体的做法是：首先，通过一定的方法暴露学生的前概念。其次，使学生明确意识到他们和别的学生想法不同。第三，让学生尝试解释一个矛盾事件，引起概念冲突。最后，鼓励和引导进行认知调整，建立与科学概念相一致的新的概念模型。因此在科学探究中，我们应创设一种认知冲突的情境：首先让学生发现自己对某一现象的认知和真实现象之间的矛盾；接着再让他们意识到对同一事实的两种不同的认知结构之间的冲突；最后逐渐调整认知结构使其与真实现象之间达到一致，从而建立与科学概念相一致的新的概念模型，实现从科学概念向科学概念的转变。例如：路培琦老师所上的《连通气球》一课中，教师提出将大小气球连通后会发生怎样的变化。学生们说出了自己的五种猜测，这是他们基于自己以前的概念作出的猜测，其中普遍认为大小气球连通后是会一样大的。可是在做实验时却发现大小气球不是这样变化的，而是大的更大，小的更小。这与学生原有的前概念发生了冲突，从而引发学生思考为什么会气球大的更大，小的更小？后又通过实验证明这是大气压力有关。可是又有新的问题产生了：小气球为什么没有全瘪？经过进一步的认知冲突，最后得出了正确的科学概念。学生在对连通气球的有关认识经历了“发现——否定——再否定——再发现”这样一个不断冲突不断修正的过程，完成了从前概念向科学概念的转变。4、接触事物，完善片面前概念对于小学生而言，生物在日常生活中经常会接触到，也就是说有一定的认识。然而这种认识大多是片面的，不完整的，这是因为小学生对生物体没有一个全面观注和了解过程而造成的。对于这种情况我们说可以把生物体引入课堂或让学生自己亲自饲养，为学生创造一个近距离接触生物体的机会，从而达到形成正确科学概念的目的。如《蜗牛》课前调查中发现，蜗牛是学生非常熟悉的小动物，但是蜗牛有哪些生活习性、特点并不熟悉。课堂上当孩子们面对眼前慢慢向前爬动的蜗牛，通过仔细观察，获得了以前只有在书本上读到的知识。知道了蜗牛壳的样子，亲眼看到了蜗牛的眼睛，蜗牛软软的身体，向前爬动留下的湿湿的轨迹，还有蜗牛张开嘴吃菜叶的情景。这是多么宝贵的第一手资料。通过观察他们不仅记下了一篇篇观察记录，而且还提出了许多的问题：蜗牛最喜欢吃什么?蜗牛爬过为什么会留下湿印?蜗牛怎么长着两对眼睛？蜗牛会闻味吗？……在经历过程中，学生的探究活动在不断深入，也正是在亲身经历的过程中使他们获取了知识，完善了先前片面的概念。5、丰富体验，由模糊变为清晰学生对有些事物的认识比较模糊，我们要给予其丰富体验，并帮助其抓住要点进行观察、梳理，形成清晰的概念。如学习“昆虫”时，学生原以为体型小的、有触角的、会飞的就是昆虫。显然这是对昆虫这一概念的理解比较模糊，如何帮助学生建立昆虫这一科学概念。我们可以设计这样几个环节：首先让学生交流对昆虫的认识（暴露学生的前概念，激发认知需求）其次观察一些典型昆虫的标本或图片，寻找共同点（明确昆虫的特征，初步形成概念）第三制作昆虫模型（建立表象，巩固昆虫概念）最后辨识一些小动物是不是昆虫（通过比较、解释，进一步强化昆虫概念）。通过这样一些环节逐步帮助学生转变模糊的概念形成昆虫的科学概念。6、探究实践，建构科学概念概念的构建来自于学生对事物的体验与感悟，学生只有在探究活动中充分运用感官参与了，实践了才会有深刻的感悟和体验。科学探究为每个学生提供了通过各种途径形成概念的条件，满足了每个学生自主学习、探究问题的天性。学生可以从所要探究的概念出发，通过阅读课本或查阅有关资料或与同学老师之间的相互交流，收集有关的材料，并通过自己对材料的分析提出主观的猜想并亲自动手设计实验来进行验证。在探究中，通过丰富的体验和感悟逐步纠正一些错误的观念和看法，为获得科学概念提供有力的心理支柱。在课堂教学中，学生经历一个个科学探究的经历，在经历的获得中激发思维，建构科学概念。“种子的萌发”其教学目标之一：让学生经历种子发芽的实践历程，获得“种子发芽所需要的必备条件”这样的科学概念，教材安排了蚕豆种子发芽这一探究活动。教学这一内容前把蚕豆种子下发给学生，要求学生自己做蚕豆发芽实验。等到上课时，许多学生已做了蚕豆发芽的实验，其中有发芽较好的，有发芽不好的，也有不发芽的。学生这些实践活动是在“前概念”的指导下开展的，其实践的感悟和体验并不深刻。上课时，教师首先组织学生交流汇报，让发芽好的和发芽不成功的同学作交流，通过交流、比较得出“水、空气、和适宜的温度”是种子发芽的必备条件，然后组织学生展开讨论怎样来证明这三则是必备条件，通过讨论学生提出了反证的方法、对比的方法来进行探究，于是学生重新开展探究活动，分别以加水和不加水、给予充足的空气和用塑料袋包住并抽去空气即“不给空气”、常温下和放在冰箱内的低温环境下等探制条件的方法进行探究，学生在经历了这样的对比实验，懂得了探制条件的科学实验方法，通过这样充分的探究，学生的思维得到激发，科学概念就在这样“做”中构建起来。7、实践应用，巩固科学概念在帮助学生完成从前概念到科学概念的转化后，还要提供对科学概念进行巩固和系统化的机会。因为孤立的概念很不稳定，很容易受其他因素的影响，也难迁移到其他的情境中。使概念系统化的方法是建立概念图把新旧知识联系起来，还可以通过一些综合活动把知识相互联系起来加以运用。巩固新概念的方法有在不同的情境下运用新概念，通过各种练习进行强化。如《沉与浮》在学生建立了科学概念后，引导学生开展探究潜水艇秘密的活动，教师可以利用教材上的资料图或者多媒体课件向学生介绍潜艇沉浮自如的原因，有了上面小瓶子的铺垫，学生很容易理解，教师还可让学生动手操作小潜水艇，体验潜水艇沉浮的现象，这样不但提高学生的兴趣，发展学生的动手能力，而且促进了科学概念的巩固和系统化，完成了科学概念的真正建构。8．归纳反馈，提升科学概念实践探究基础上获得的认识也只能属于感性层面，这时候及时进行交流研讨，学生能自觉地把自己的实践过程加以回顾，反思，听取、比较其他可能的解释，再次激发学生思维的参与，抽象、综合事物的一般性质，再用语言加以表述，作出概念的界定，使科学概念变得更加清晰、科学、精致化。例如在教学《脚手架》一课时，学生制作并测试正方体框架的承重能力后交流研讨：师：加固后