科學概念發展的基本環節及對教學的啟示

【摘要】有效的科學概念學習必須經歷認知沖突、抽象概括和遷移運用這三個基本環節。教師應該了解學生的前概念，依據科學學習的認知過程，引導學生實現從前概念向科學概念的轉變。

【關鍵詞】概念教學前概念概念轉變

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）02-0098-02

學生在學習科學課程之前，通過日常生活的多種渠道和自身的實踐，對客觀世界中的事物已經初步具備了自己的觀點，并因此形成了自己的思維方式。這種在接受正規的科學教育之前形成的概念一般稱之為前概念。廣泛存在的前概念具有隱蔽性、頑固性和不連貫性等特點。科學學習的重要任務是依據科學學習的認知過程，引導學生經歷觀察、實驗等探究活動，獲得充分的證據，實現從前概念向科學概念的轉變。

一、兒童科學概念發展的基本環節

概念是思維最基本的形式，也是構成知識的最基本成分。許多研究者認為科學學習是科學概念的發展或轉變，而不是一些孤立信息的增加。由此，研究者提出了諸多概念教學模型，其中最具影響的是波斯納等人從認識論角度提出的概念轉變模型，還有奧斯本等人基于認知心理學的視角提出的概念教學模型。這兩個模型都吸收了皮亞杰基于兒童行為觀察和言語訪談而提出的意義建構學習觀，所以都較注重學生的已有知識和積極參與。

近二十年來，隨著正電子發射斷層掃描、腦磁圖、功能性磁共振成像等多種無創傷腦研究技術的問世，使得人類對自己腦的高級功能有了實證性研究，研究揭示的大腦學習機制促使人類對學習是如何發生的追問從猜想走向科學。新的學習科學對認識如何學習的這一問題有了進一步認識，不僅更加強調學習者已有知識在學習中的重要性，而且指出“有用的知識”是圍繞重要概念而聯系和組織起來的，它支持理解和遷移，而不僅僅是記憶；“元認知”能促使學習者對學習進行自我調控，以達成學習的理解和遷移；學習不僅是基于個體已知的意義建構，也是個體與環境互動而建構意義的結果。

學生獲得科學概念的過程是一個動態的發展過程，難以用某一模式去固定化。但是，根據現有學習科學的研究成果，可以發現概念學習必須經歷認知沖突、抽象概括和遷移運用這三個基本環節，循序漸進地推進學生科學概念的發展（如圖所示）。

二、兒童科學概念發展的學習機制

1．引發學生認知沖突

認知沖突是指學生的原有認知結構與所學新知識之間無法包容的矛盾。每個學生都不是空白著腦袋進入課堂的，即使嬰兒也會把自己的觀點帶入學習情景之中，是積極的學習者。例如三年級的學生會認為“水蒸發以后就消失了”，五年級學生則認為“土壤是植物的食物”。研究表明，學習者已有的知識和觀點影響著他們從自己經驗出發而進行的觀察，影響著他們如何選擇、描繪和組織信息，甚至限制了他們在各種經歷中的感受。

學生的前概念與科學概念之間或多或少有些差距，甚至是偏差，如果不能有效地激發學生認識到自己已有知識與新知識之間的距離和偏差，學生就會自發地以自己的已知去理解和建構新知識，其結果就會產生錯誤概念。所以，教學僅僅激活學生的原有知識是不夠的，而是要讓學生認識到已有知識與新知識之間的矛盾和沖突，即發生認知沖突，從而使學習者有意識地進行自我調控學習，避免前概念對學習的干擾。如讓三年級的學生解釋冰箱中拿出來的飲料瓶放置一會后外壁為什么會有小水珠；讓五年級的學生參觀并解釋無土栽培植物的生長，則就會激發學生的認知沖突。

認知沖突之所以是學生概念學習的基本環節，不僅因為認知沖突能“喚醒”學生的前概念，而且也是因為認知沖突能激發學生自我調控學習的意識和能力，促使概念學習順利進行。

2．促進學生抽象概括

抽象是指舍棄事物個別的、非本質的特征或聯系，抽取共同的、本質的特征或聯系的思維過程。概括是根據抽象出來的事物共同的、本質的特征或聯系，而把同類事物連接聯結起來的思維過程。抽象決定概念的內涵，是概括的基礎，沒有抽象就不可能概括。而概括決定概念的外延，概括有助于更科學的抽象。例如學生將水、牛奶、醋這幾種液體分別裝在插有細管的小瓶中，并反復浸入冷水和熱水中，通過觀察，抽取出液體所具有的熱脹冷縮共同特征。再經歷空氣和金屬熱脹冷縮的實驗，可以概括出一般物體都具有熱脹冷縮的性質。

有研究顯示，嬰兒甚至在他們出生的一個月內就能形成概念。在短短的幾年內，兒童會獲得時間、空間、數字以及生物等的大量概念。但是，兒童這種自發的抽象概括往往是簡單而狹隘的，形成的前概念往往忽略了事物之間的本質特征，而包括了一些非本質特征。如兒童根據自己有限的觀察能力，會形成地球是平面的觀點，會把能運動、能捕食作為動物的共同特征來區分動植物。因此，科學概念教學的關鍵是發展學生科學的抽象概括能力。

3．引導學生遷移運用

影響遷移的第一個因素是對已學內容的掌握程度，沒有達到一定水平的已有學習，遷移是不會發生的。其次，遷移受學習理解程度的影響，僅靠記憶和錯誤理解也不能發生遷移。再次，遷移需要元認知提供策略性的能力，指學習者預測他們在各種任務中表現的能力以及對目前的理解和掌握程度進行調控的能力。

概念學習的關鍵在于運用，即個體能夠運用自己的知識進行科學的推理。在教學過程中，教師通常從一定的情境中提出一些富有思考性的問題。如：雨水是怎樣形成的？通過思考這些問題，學生在深刻理解所學知識的同時，能夠產生學習科學、了解自然界的充實感和興奮感。因此，將遷移運用作為學生學習科學概念的基本環節，不僅注重學習的實質，而且提供機會讓學生自我檢測概念學習的質量，學會自我判斷是否理解、如何修正以完善所學的概念，從而發揮學生元認知的自我調控能力以促進學生概念學習能力的提高。

三、科學概念教學的基本策略

1．充分了解學生的前概念

在教學中調查學生的前科學概念是非常關鍵的，能夠使我們了解學生的“先入之見”。由于前概念具有隱蔽性，就需要教師采用各種方法來發現學生的前概念，一般可以通過提問、訪談、問卷調查、制作概念圖等方式進行。比較理想的方法，是教師把前概念的暴露方法精心設計進教學過程，使教學過程更完整，使前概念暴露得更徹底。

如教師在上《植物的莖》一課時，先請學生觀察幾株植物，看了植物的莖的外部結構以及植物的莖承受果實彎曲的現象，然后請學生思考，畫出他們設想中的植物的莖的內部結構。發現學生對于植物的莖的想法各異，有些學生認為植物的莖就是一根空管子，因為它要輸送水分；有些學生則認為植物的莖是實心的，因為它要幫助支持果實；還有學生認為植物的莖內部是稀稀拉拉的。根據學生暴露出的錯誤前概念設定教學目標，教學目標的設定就是幫助學生改變錯誤前概念建立新的科學概念。有效的科學概念教學是以學生的前概念為基礎和生長點的。

2．選擇有效的科學探究路徑

科學探究的路徑通常包括科學觀察、科學實驗和科學閱讀等。科學觀察是通過人的感覺器官或借助儀器，有目的、有計劃地對自然發生的現象或變化進行考察、記錄和分析，對觀察對象所包含的豐富信息進行發現、準確觀測并進行客觀記錄的綜合活動。它作為一種基本認識活動，貫穿于整個科學研究過程中。《科學（3-6年級）課程標準》指出“沒有觀察，就沒有‘研究，更沒有‘認識”。學生在學習活動中，通過觀察養成科學的思維方法和實事求是的科學態度，獲得證據建構科學概念，因此，科學觀察是科學探究的基礎。

當人們不滿足在自然條件下去觀察對象，要求對被研究對象進行積極的干預時，這就導致科學實驗的產生。科學實驗中多種儀器的使用，使獲得的感性材料更豐富、更精確，且能排除次要因素的干擾，更快揭示出研究對象的本質。因此科學實驗越來越廣泛地被應用。就小學科學課程而言，指導學生通過開展對照實驗、模擬實驗等科學實驗活動，是科學學習的重點。

很多科學知識和前人經驗，因為課堂的條件、環境限制，并不可能完全靠科學觀察和科學實驗獲得。在科學學習過程中，引導學生有針對性地開展科學閱讀，有助于學生拓寬視野。目前，學生甚至成人的閱讀現狀令人擔憂，科學閱讀更是“雪上加霜”。科學閱讀對豐富學生的閱讀面，完善學生的閱讀結構，提升學生的科學素養，有著不可替代的重要意義，因為科學閱讀有助于學生科學本質觀的形成和發展，有助于學生科學概念的形成和理解。

3．注重培養兒童的實證意識

要回答一個科學問題，必須通過科學探究活動，以獲得有效的事實性的證據。因此，教師首先應該要讓學生學會觀察、實驗的方法，以獲得有效事實支撐自己的觀點。例如，在《觀察一棵大樹》這一課中，在學生觀察大樹之前，先讓學生明確用什么觀察方法來比較，當學生通過討論，知道可以用眼睛看、鼻子聞、手摸、尺子量、還可以借助放大鏡觀察等方法后，再讓學生去觀察一個大樹，就不會出現在記錄表里抄別人答案的現象。在此基礎上，教師要指導學生準確記錄每一個信息和數據；教育學生不隨意丟失資料，建立“每一個描述都很重要”的認識；培養學生重視使用工具的正確性和實驗的準確性，以確保描述來源的可靠性；引導學生明確采用多種方式，多人或多次重復實驗，以尋求盡可能多的證據，就越令人信服的道理。

其次，引導學生關注、重視每一個數據。科學探究活動中通過觀察、實驗等活動所得到的相關數據，是證據的重要組成部分，是得出科學概念的重要依據。教師要引導學生關注、重視每一個數據，從而不斷得到可靠的證明自己觀點的證據，來解釋相關的問題或現象。

聽過一位潘老師執教《豌豆莢里的豌豆》，課堂中一個小意外給人留下了深刻的印象。

潘老師讓孩子們剝開自己手中的豌豆莢，數數有幾粒豌豆，再以舉手的方式進行統計。

潘老師手指表格中的“0粒”，沒有小手舉起；

“1粒”，沒有小手舉起；

“2粒”，一只小手舉起，潘老師在2粒對應的表格中寫上“1”；

……

“還有同學沒舉過手嗎？”累加了統計的人數后，潘老師說：“我們班有46個同學，可是只有45個數據。作研究，每一個同學的數據都很重要，一個都不能少。我們需要仔細地重新統計一次。”

于是，不只是重新統計的這次，而是直至下課的每一次，始終都有46位同學在參與。正是對每一個數據的高度關注，折射出潘老師“面向全體學生”的教學理念。以這樣的形式為每一個孩子提供公平的學習科學的機會。因此，教學中我們應該重視每一個數據，關注這個細節可能帶給孩子心靈上的震動，以培養學生實事求是的意識。

小學生在探究活動過程中，有時候由于各種原因，實驗數據和結果不能得出想要的正確的科學概念。筆者聽《我們的小纜車》一課6次，5節課中學生都出現了“錯誤”數據。面對意外，我們就不能馬上下定義說：拉動小車的墊圈數量多，小車的運動速度快；拉動小車的墊圈數量少，小車的運動速度慢。必須尊重事實，避免在證據不充分的情況下作出判斷，避免以偏概全下概念。比如可以引導學生這樣表述：“這節課研究的共識是：7個小組的實驗數據認為拉動小車的墊圈數量多，小車的運動速度快；拉動小車的墊圈數量少，小車的運動速度慢。1個小組的實驗數據不支持這個說法。到底是不是這樣，還需要繼續實驗研究。”讓學生課外研究結束再把結論重新拿回班上公布分析，達成新的共識。

面對意外，教師要引導學生仔細地梳理一下自己探究的全過程：實驗的設計有沒有問題，實驗過程是否嚴格按照設計進行，實驗的材料有沒有異樣，實驗過程中變量的控制是否到位？如果找到問題的結癥所在，就應該調整失誤之處，再進行重復實驗，看看實驗的結果有否變化。最后根據全班各組的研究結果，形成研究共識，建立科學概念。

總之，科學的學習過程是基于學生原有的知識經驗與外界環境進行交互作用，以主動建構新知識的過程。科學教師應充分重視學生的前概念，利用科學學習的認知過程，有效促進學生科學前概念的轉變，引導學生積極主動地架構新知識，真正理解科學概念的內涵。

參考文獻

1.袁維新．科學概念的建構性教學模式與策略探析[J]．教育科學，2007，（1）．

2.林靜．CAT：基于學習科學的科學概念學習環[J]．全球教育展望，2009，（10）．

3.邵鋒星．淺議科學探究活動中的意外數據[J]．上海教育科研，2010，（2）．