小學科學概念教學案例研究

李琴+周朝勇+唐小為

摘 要：幫助學生建構科學概念是小學科學課程教學的重要目標，國內目前對特定概念的學習過程和具體概念教學實施效果少有關注。以“簡單電路”教學為例通過前后測、訪談和教學過程分析對比兩個平行班的概念教學效果，尋找差異的課堂成因，并藉此反思我國小學科學概念教學的一些共性問題，提出了從學生前概念內在邏輯出發構建問題情境、重視學習共同體的長期培養以及概念教學須深入自然現象機制等改進策略。

關鍵詞：小學科學 概念教學 前概念 簡單電路

一、國外關于學生簡單電路概念的研究

國外研究者利用筆試、開放式問題訪談和學生活動觀察，調查到以下四種有關簡單電路機制的思維模型。單極模型（電源消費模型）：電路只需連接電池一極就可工作，連接另一極是多余、沒用的或提供額外保障的。撞擊電流模型：電流從電池兩極相向而流，在燈泡處碰撞，燈泡就亮了。電流消耗模型：電流從電池一極流出，經過燈泡時被消耗，剩余部分再經過另一極流回電池。在這種模式下，電流會逐漸被燈泡耗盡。電流守恒模型：電流從電池一極流出，經燈泡由另一極流回電池，電池兩極的電流是相等的。

從思維模型的構成來看，學生對簡單電路的理解并非僅源于他們對直觀電路特征的觀察與歸納，更融入了他們在此基礎上對非直觀電流特征的諸多合理想象。如果電路概念教學不能觸動這些合理想象并建構相應的挑戰，就難以從根本上轉變概念。我國小學階段關于簡單電路的主要教學思路，是讓學生嘗試點亮小燈泡后，總結能使其發亮的連接方式，希望通過“找規律”建構基本的閉合電路概念。因電流的深層機制牽涉到原子結構和電子傳遞等超出小學生水平的知識元素，教師通常會避開這一話題。這往往會使得“找規律”與對現象機制的探究脫節，導致概念理解表面化。

二、小學生簡單電路前概念與概念教學效果分析

為檢驗前述概念思維模型是否適用于描述我國小學生對簡單電路的理解，本研究以同一教師所教兩個四年級平行班的88名學生為樣本，通過前后測調查了其前概念和概念學習效果。測試關注了學生對簡單電路連接方式和電流方向的理解。前后測題目基本一致，僅根據教學內容調整了最后一個選項。測試題如下圖1和圖2所示：

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研究者還在每班抽取能代表不同水平的5名學生進行一對一訪談：“你為什么要選這個答案？”“你為什么覺得電是這么流的？”通過提問題，探測學生選擇背后的深層邏輯。整理分析筆試及訪談數據，得到以下關于學生前概念類型和概念教學效果的結論：

（一）我國小學生的簡單電路前概念包含國外研究者總結的多類思維模型

前測結果表明，我國小學生的簡單電路前概念包含除電流守恒模型外的各類思維模型。如選擇A、C、AC或電流方向標志為只從一根導線指向燈泡的學生認為“燈泡本身沒有電，電從電池一邊流向燈泡，燈泡就會亮”，屬于“單極模型”。選擇B、D、E及其組合，且電流方向標志為兩導線中電流相向而行的學生認為“電池的兩邊都要產生電，兩邊的電流到燈泡，讓燈泡發亮”，屬于“碰撞模型”。選擇B、D、E及其組合，且電流方向標志為兩導線中同向的學生展示出兩種可能的概念模型：一種是“電從電池一邊開始，經過導線傳到燈泡，然后循環到電池另一邊”，但未明確電是否被消耗，可稱為“循環模型”；另一種是“電從電池一邊流向燈泡，使燈泡發亮，然后剩下的再流回電池”，屬“電流消耗模型”。此外，也有個別學生選擇ABCE，認為“電從燈泡下的小黑點進入燈泡”是保證電路正常工作的重點，還有學生在循環模型的基礎上進一步限定電流方向，如認為“電從正極發出，流回負極”。測試和訪談中均未就電池兩側電流大小提問，因此不能判斷是否有學生前概念完全符合電流守恒模型，持循環模型觀點的學生，其概念理解可能最接近電流守恒型。

數據分析顯示，持“單極模型”前概念的學生占4.60%，持“碰撞模型”前概念的學生占22.99%，持“電流消耗模型”或“循環模型”前概念的學生占20.69%。此外前測中有近半數的學生在對電流方向表述含糊或未作答，其前概念難以明確歸類。在另一項關于“小學科學三大能力”的調研中，本測試的后測題被用于調查10個城鄉學校共200名五年級學生的電路電流概念，也得出相類似的結論：持“單極模型”觀點的學生占16.00%，“碰撞模型”占50.50%，“循環模型”占33.50%。可見在經歷過簡單電路學習后，前概念依然普遍存在。

（二）前后測對比顯示B班的概念教學效果優于A班

A、B兩個平行班在學習能力和學業成績上一向無顯著區別。評分員按答案的合理與完整程度劃分受試水平并賦分。前后測第一題評1～6分，第二題為1～5分，具體如表1所示：

表1 前后測答案水平劃分與分值

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統計得出兩個班在前后測平均分如表2：

表2 兩個班前后測各題平均分

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*題目調整后后測難度提高，因此直接比較前后測分數無實際意義。

對比兩班前后測數據可知：

1.前測中兩班對電路特征的理解無明顯差異，而在后測中B班理解顯著優于A班（p<0.05）。如圖3所示，后測中A班63.16%的學生都處于水平四，即知道要連接電池正負極，但并未把握電路“要形成一個圈”或“要連通”等本質特征。而B班有66.67%的學生理解了閉合回路的本質特征，達到了水平五。

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圖3

從圖3中可以看出兩個班電路理解后測結果百分比對比。

2.從前后測對比來看，兩班對電流的理解均有顯著進步 （p=0.000），但前測中A班對電流特征的理解顯著優于B班，而后測中兩個班的平均分相同，即B班的概念理解進步幅度遠大于A班（p<0.05）。

不論是對電路還是對電流的理解，B班的進步幅度都顯著高于A班，也就是說，B班概念教學的效果更佳。

三、概念教學效果差異的課堂成因

對兩班教學過程的分析有助于理解其概念教學效果差異的成因。

1.機制性猜想發生時機。教師主導的討論vs.學生自創問題情境。第一課時：通過點亮小燈泡，歸納能使燈泡發亮的電路連接方式。兩班學生都給出了不同歸納，一種是列出所需材料（“有電池有電線”和“都是把燈泡放在一節電池上面的”）；第二種是強調各連接點的正確連接順序（“電池上有加號和減號，先用導線一頭接觸電池的減號，再把另一頭接到燈泡金屬圈，再把燈泡底部放在電池的加號上，就可以發亮了”）。B班學生還給出了第三種更貼近“回路”的歸納即要“連成一個圈”，“讓電有前進的路”。隨后的討論中，A班學生在教師引導下就“為什么這些連接方式能亮”展開了短暫的機制性討論，臨下課時先后提出了電流消耗模型（“電從正極出發，點亮燈泡后沒用完的回到負極”）和碰撞模型（“正極發正電，負極發負電，并在燈泡碰撞發亮”）兩種觀點。B班臨近下課時，學生甲給出了連接示意圖，并問“這樣連接可不可以亮？”全班因此分成兩派，認為“不能亮”的學生強調線路沒有“接通”，電“不能循環”；認為“可以亮”的學生強調電池正負極都連接了，“兩極都可以發電”。兩班學生提出的機制性猜想十分相似。不同的是，B班出現了學生甲創設的問題情境，學生們會很自然地想動手嘗試這一連接。

2.對機制猜想的處理。繼續嘗試與猜測vs.收集新證據解決爭議。在B班后繼課上，教師抓住生成的爭議點，讓全班檢驗學生甲提出的連接能否發亮，再嘗試用兩節電池點亮小燈泡，并根據能夠點亮的電路圖再次總結能使燈泡發亮的電路特征。這次收集到的新證據讓不少原本持“碰撞說”的學生改了主意，如學生甲就在實驗后得出“如果是兩節電池就需要重疊起來，合上才行”的結論。學生們注意到串聯兩節電池點亮燈泡時，電池必須是順序連接，且不管電池串聯或并聯，“形成一個圈”（電路閉合）都是點亮燈泡的必要條件，“循環說”由此贏得了廣泛贊同。而A班的后繼則是讓學生往電路里加入電池盒和燈座，繼續用一節電池點亮一個小燈泡，歸納有效連接的特征并作機制猜測。學生們的討論停留在分享不同想法的階段，沒能走向爭論的解決。

3.問題情境與機制猜想分離。教師想借助B班生成的問題情境來撬動A班的思考，并提問：“如果是相碰（發亮）的話，一邊連接了正極，一邊連接了負極，那么這樣連會不會亮？”學生有的說會，有的說不會。此時教師直接讓學生進入實驗環節。學生們按教師要求實驗并作出了判斷，之后教師再次總結和強調了閉合回路的基本特征。在整個實驗和討論過程中，學生的思考停留在“這樣連會不會亮”的層面上，并未將此與之前對電路工作機制所作猜想相關聯。

四、對小學科學概念教學的啟示

本研究中的案例折射出我國小學科學概念教學中的一些共性問題，立足課堂反思這些問題，生成如下改進策略：

1.從學生前概念的內在邏輯出發構建問題情境。學生前概念雖與常規理解不符，卻并非空穴來風。如只將其視為“錯誤概念”，便放過了引導概念發展轉化的最佳契機。學生甲創設的問題情境之所以能成為深入探究簡單電路概念的引路石，恰在于它無意間觸動了學生前概念的內在邏輯，為前概念的辨識和篩選提供了支持。

2.重視學習共同體的長期培養。學習共同體的培養是個長期過程，既受學生自身性格和班級特質的影響，也與任課教師的課堂常規建設關系密切。A、B兩班學生都能踴躍展示觀點和想法，但與A班相比，B班學生對待想法的態度更理性、更開放，生生間的互動連接也更緊密。因而他們不囿于教師提問，能在傾聽同伴觀點的基礎上生成己見，敢針鋒相對相互質疑；在對方證據充足時，又能修改或放棄先前的觀點。要使學生遵從科學理性集體建構概念，就先得建立這樣的學習共同體。

3.概念教學應盡可能深入探究自然現象內部機制。傳統觀念認為理論建構是高層次思維方式，需深厚的知識基礎，而小學生沒有探索機制和建構理論的能力。但不少教學實踐表明，只要課堂學習環境適宜、主題設置和引導得當，低齡學生完全可以開展理論性探究。正如研究簡單電路卻回避探究電流方式，小學科學課的探究通常只停留在總結表面規律、猜測檢驗影響因素的層面：得到斜面省力規律卻不關注其后的力學原理；理解溶解度卻不深究有限溶解的機制；尋找影響沉浮的因素卻對相對密度避而不談。遵循“歸納現象——得出結論”的思路進行的概念教學，很少留有空間讓學生思考現象背后的深層機制。這不僅限制了學生探究能力的發展，也從根本上限制了概念理解可能到達的深度。要提升概念教學效果，必須加強引導學生對現象背后機制的探索。