新課程下初中科學(xué)對前概念教學(xué)序列的研究和運(yùn)用

■浙江省杭州市蕭山區(qū)高橋初級中學(xué) 朱莉萍

在生活經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)經(jīng)歷中學(xué)生形成了許多前概念。所謂前概念是學(xué)生由于在生活中對各種現(xiàn)象反復(fù)觀察和體驗(yàn)在心中自發(fā)形成的，在學(xué)習(xí)科學(xué)概念之前已存在的概念。由于前概念源于經(jīng)驗(yàn)和道聽途說，它往往缺失科學(xué)性，甚至可能與對事物進(jìn)行理解科學(xué)概念相矛盾。如：學(xué)生認(rèn)為重的物體比輕的物體下落更快；重的物體下沉，輕的物體上浮等等。根據(jù)前概念的形成特點(diǎn)，其在頭腦中通常很頑固，所以常規(guī)教學(xué)序列（展示情景——情景分析——理論引導(dǎo)——知識構(gòu)建）往往很難改變。如何使學(xué)生的前概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念呢?皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論的圖式(schema)，就是指個(gè)體對世界的知覺、理解和思考的方式，影響圖式的形成和發(fā)展是同化、順應(yīng)和平衡三個(gè)過程。本文探討觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建教學(xué)序列在概念教學(xué)中的應(yīng)用，旨在通過這種教學(xué)方法同化、順應(yīng)和平衡步驟有效地實(shí)施科學(xué)概念教學(xué)。同化是指個(gè)體將外來的各種元素納入原有的圖式中，使原有的認(rèn)知圖式變得豐富，并更加牢固；順應(yīng)是指個(gè)體由于產(chǎn)生認(rèn)知沖突，然后對原有圖式進(jìn)行修改或重建以貼合外部的元素特征；平衡是指個(gè)體通過同化或順應(yīng)由一個(gè)低級的平衡狀態(tài)上升到另一個(gè)較高的平衡狀態(tài)。

通過長期的研究發(fā)現(xiàn)認(rèn)知發(fā)展一般如此：當(dāng)有外在概念作用于個(gè)體時(shí)，個(gè)體會努力使用原有的認(rèn)知基礎(chǔ)（即前概念）去同化它，如果同化成功，則馬上進(jìn)入一個(gè)新的平衡，個(gè)體認(rèn)知水平和科學(xué)理解分析力上升。但如果原有的認(rèn)知基礎(chǔ)（即前概念）無法同化這些新的概念，個(gè)體認(rèn)知將立即產(chǎn)生不平衡感，從而選擇切斷新概念信息來源或者被迫做出修改或重建認(rèn)知圖式，而后者就是順應(yīng)新的信息源的行為，如果采用后者最終將會再次達(dá)到較高的平衡態(tài)。在采用觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建序列時(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)或情境中的結(jié)果與其解釋、實(shí)際觀察的現(xiàn)象不一致時(shí)，學(xué)生就無法使用原有的認(rèn)知體系去解釋結(jié)果，于是原有的認(rèn)知平衡被破壞。學(xué)生從內(nèi)部發(fā)出要消除不協(xié)調(diào)或不平衡愿望，教師抓住契機(jī)從思維困頓處著手，有效進(jìn)行概念教學(xué)和提供科學(xué)素材，學(xué)生將在沖突和不平衡中重新構(gòu)建他們的認(rèn)知從而順應(yīng)觀察結(jié)果，有效促成其對科學(xué)概念的接受、理解甚至是應(yīng)用的目標(biāo)達(dá)成。

一、新教學(xué)序列在概念教學(xué)的實(shí)施過程和細(xì)節(jié)

第一步：預(yù)測。本教學(xué)序列實(shí)驗(yàn)或情境設(shè)置中要聯(lián)系學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)或知識，從而了解學(xué)生的認(rèn)知狀況，在回顧和討論中可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生前概念認(rèn)知的問題所在，能讓學(xué)生個(gè)體之間的認(rèn)知沖突從而展開討論。強(qiáng)調(diào)此環(huán)節(jié)教師要求學(xué)生寫下會發(fā)生的現(xiàn)象和原理預(yù)測，這樣將留下前概念思維痕跡，更有利于科學(xué)概念順應(yīng)或沖突的發(fā)生。從教師角度，學(xué)生預(yù)測和記錄我們比較準(zhǔn)確地了解學(xué)生前概念，學(xué)生認(rèn)知偏差，需要糾正位置，是否無誤等，為開展科學(xué)概念教學(xué)提供最有利學(xué)情支持。

第二步：討論預(yù)測。小組學(xué)習(xí)中，學(xué)生必須大膽地交流觀點(diǎn)，并使其對產(chǎn)生沖突的觀點(diǎn)進(jìn)行辯論。生生互動中，一些學(xué)生在同伴的互助中已打破不平衡從而形成新的概念認(rèn)知。然后，我們采用組際交流形式，讓每組派代表在全班分享小組的觀察和預(yù)測，可利用黑板或者其他輔助工具。必須強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生在民主和寬松的課堂氛圍中安全的心理狀態(tài)下進(jìn)行自己的預(yù)測，同時(shí)教師要鼓勵(lì)學(xué)生表達(dá)自己的觀點(diǎn)，避免學(xué)生因擔(dān)心自己觀點(diǎn)錯(cuò)誤而關(guān)閉交流。在觀點(diǎn)討論和闡述之后，教師可以要求全班學(xué)生一起討論那些比較接近科學(xué)解釋的觀點(diǎn)，一些學(xué)生回顧自己的預(yù)測痕跡可能就會產(chǎn)生沖突，這樣就是改變原有的認(rèn)知并且重新構(gòu)建概念的開端。

第三步：觀察實(shí)驗(yàn)。概念教學(xué)離不開實(shí)驗(yàn)。科學(xué)概念需要實(shí)驗(yàn)來支撐。實(shí)驗(yàn)過程中，我們?nèi)绾巫屢恍╇y以改變的迷思概念被改變，完成科學(xué)概念的教學(xué)呢？實(shí)驗(yàn)分成演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)兩類。其效果上演示實(shí)驗(yàn)可由教師把控，出現(xiàn)科學(xué)結(jié)論的幾率較高。而學(xué)生實(shí)驗(yàn)中學(xué)生親自動手實(shí)驗(yàn)，然而由于操作的規(guī)范性或者實(shí)驗(yàn)用具本身的差別性，可能導(dǎo)致結(jié)論不夠科學(xué)。所以建議在認(rèn)知沖突且實(shí)驗(yàn)難度較大時(shí)盡量采用演示實(shí)驗(yàn)，教師可以請學(xué)生幫忙以增加實(shí)驗(yàn)的可靠性。另外，可實(shí)物投影輔助方式，如困難也可以播放貼合實(shí)際的影像資料，幫助學(xué)生擴(kuò)充基礎(chǔ)認(rèn)知。特別要提到的是在此步驟中教師必須讓學(xué)生有效觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

第四步：討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。前期小組討論中，有些個(gè)人的概念其實(shí)是科學(xué)的，但沒有在組內(nèi)占主導(dǎo)，而其他組員的前概念——迷思概念占主導(dǎo)。在這個(gè)環(huán)節(jié)將扭轉(zhuǎn)乾坤，讓學(xué)生在小組內(nèi)充分討論，用觀察到的現(xiàn)象去順應(yīng)或者與其前概念產(chǎn)生沖突，使其在認(rèn)知沖突中失去平衡或者少數(shù)同學(xué)因?yàn)楸滑F(xiàn)象結(jié)果支持自己的認(rèn)知概念而開始科學(xué)闡述。經(jīng)過討論，學(xué)生修改和完善自己原有的預(yù)測，接納新的科學(xué)概念認(rèn)知，試著對現(xiàn)象做出科學(xué)的解釋，最終完成知識構(gòu)建。

第五步：提供科學(xué)的解釋。此環(huán)節(jié)，學(xué)生已基本接受科學(xué)概念，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對大量的事實(shí)、史實(shí)進(jìn)行合理科學(xué)分析解釋，教師應(yīng)注意使用“科學(xué)家們的解釋”代替“正確的解釋”。同時(shí)，教師要保護(hù)孩子們安全感，而應(yīng)用科學(xué)史讓孩子認(rèn)識到科學(xué)發(fā)展本就是從不完美到可能完美的過程，不能一味強(qiáng)調(diào)他們自身前概念問題。當(dāng)然在這個(gè)環(huán)節(jié)中，為了進(jìn)一步鞏固科學(xué)概念，教師可以讓學(xué)生在他們的書本或活動記錄表記下再次劃線或者文字、圖標(biāo)等形式記錄科學(xué)的解釋。然后再讓他們把原有的預(yù)測痕跡與科學(xué)的解釋比較比較，找出其中的異同之處，進(jìn)一步促成讓他們重建認(rèn)知圖式的愿望和行動。

第六步：后續(xù)。學(xué)生的前概念存在于潛意識中認(rèn)知不易改變，所以不能保證觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建序列一定會獲得成功，但它會是一個(gè)寶貴起點(diǎn)。在觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建的教學(xué)序列，我們要有后續(xù)支撐的鞏固行動，如不同類別但原理接近的題目練習(xí)，讓學(xué)生在利用新認(rèn)知合理的解釋分析。引導(dǎo)學(xué)生在鞏固中不斷反思，最終學(xué)會應(yīng)用科學(xué)概念，甚至因?yàn)樾滤枷攵M(jìn)一步使其意識到科學(xué)概念所具有的功能，即對解釋自然現(xiàn)象所起的作用。觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建教學(xué)序列看似復(fù)雜，在實(shí)踐中并非如此。許多教師發(fā)現(xiàn)完成整個(gè)觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建教學(xué)序列步驟的時(shí)間有長有短。觀測—沖突或順應(yīng)—構(gòu)建的教學(xué)序列的主要優(yōu)勢在于能夠使教師持續(xù)洞察學(xué)生思維：步驟1～4探測學(xué)生的最初構(gòu)想；步驟5可以觀察學(xué)生努力重建他們的思維；步驟6 為教師提供學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度反饋。觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建的教學(xué)序列可提供學(xué)生“真實(shí)的反應(yīng)”，因此應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生分享想法并重視其反應(yīng)。這樣可讓教師調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和方法，促進(jìn)科學(xué)概念理解，所以該序列可有效提升教學(xué)效率。

二、新教學(xué)序列概念在教學(xué)的案例與分析的應(yīng)用實(shí)例

在中學(xué)科學(xué)教學(xué)中，根據(jù)《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》梳理出初中科學(xué)的重要概念，將初中科學(xué)概念按照學(xué)習(xí)屬性分為三類，即具體概念、抽象概念和定義概念。

（一）具體概念

這類概念能直觀顯示，學(xué)生容易直接感知，大多數(shù)與日常生活經(jīng)驗(yàn)向符合。如分子、重力、光的反射、折射等。

（二）抽象概念

這類概念以理性認(rèn)識為基礎(chǔ)，其抽象性、概念性和系統(tǒng)性較強(qiáng)，大多有嚴(yán)格而準(zhǔn)確的科學(xué)定義。如力臂、參照物、摩擦力、功、新陳代謝等。

（三）定義概念

這是一些沒有實(shí)體，為了解決某些具體問題或約定方法來表達(dá)某種事物而形成的概念。根據(jù)人類研究需要構(gòu)建某些具體概念和（或）抽象概念的關(guān)系。如密度、壓強(qiáng)、功率等。下面我利用《運(yùn)動中的力學(xué)》的教學(xué)實(shí)錄中的具體案例來具體闡明如何使用觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建的教學(xué)序列教學(xué)。

案例一《運(yùn)動中的力學(xué)》教學(xué)過程按照POE 序列概念教學(xué)六步驟完成。

1.在情境導(dǎo)入中預(yù)測是否存在的摩擦力和它的方向。如圖所示的人走路問題開始。

2.學(xué)生根據(jù)自身前概念討論和預(yù)測分析受力狀況，同時(shí)馬上進(jìn)行小組討論和分享。

運(yùn)動一：走路時(shí)的摩擦力

問題一：人在水平地面上走路時(shí)，前后腳在水平方向會受到哪些力的作用？有摩擦力嗎？是什么摩擦？方向如何？為什么？要求：在右圖上進(jìn)行水平方向的受力分析。

教師：“我們的主要問題是摩擦的有無和方向判斷有困難。同學(xué)們有能將摩擦力顯性化的方法嗎？”

3.觀察實(shí)驗(yàn)并預(yù)測現(xiàn)象，展開小組討論形成較統(tǒng)一的觀點(diǎn)。使用PPT 配合事物展示實(shí)驗(yàn)探究的視頻所示，利用毛刷變形方向判斷摩擦力的方向。

實(shí)驗(yàn)探究：人在毛刷上行走。

4.觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和個(gè)人產(chǎn)生認(rèn)知沖突破壞的平衡，討論中建立新平衡。讓學(xué)生在小組內(nèi)討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過討論和書寫，教師要求學(xué)生修改和完善自己的預(yù)測，對觀察到的現(xiàn)象做出解釋，并形成書面性的報(bào)告。教師在教室循環(huán)巡視，挑出幾個(gè)典型的解釋，讓全班學(xué)生討論。

教師：“從實(shí)驗(yàn)中，我們可以看出是人前進(jìn)的是你能得出什么結(jié)論？”

得出結(jié)論：摩擦力也可以是前進(jìn)的動力。

教師：“讓我們想象一下，在用力蹬著自行車在水平路面上前行時(shí)，是不是也存在和行走時(shí)一樣的作為動力的摩擦呢？”展示學(xué)生作業(yè)圖片，請同學(xué)們辨一辨哪位同學(xué)的受力分析才是正確的。

5.教師提供各種事例和科學(xué)解釋，鞏固新的科學(xué)概念新平衡。教師可以提供該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)解釋，以及提供科學(xué)解釋要講述科學(xué)思想。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的科學(xué)解釋如下。

運(yùn)動二：自行車騎行時(shí)的摩擦力

教師：“讓我們來看一下同學(xué)們對自行車前行中的受力分析，大家認(rèn)為哪個(gè)才是對的，為什么？”展示學(xué)生作業(yè)圖片，請同學(xué)們辨一辨哪位同學(xué)的受力分析才是正確的。

問題二：用力蹬自行車，使其在水平地面上向前運(yùn)動。它的前后輪受到什么樣的摩擦力？請分析。類比歸納：1.自行車前輪類似于人行走時(shí)的前腳受到向后的摩擦力；2.自行車后輪類似于人行走時(shí)的后腳受到向前的靜摩擦力。

教師：“我們經(jīng)常會不蹬著自行車，其仍然在水平路面上行時(shí)，自行車受到的摩擦力又是怎樣的？”展示學(xué)生作業(yè)圖片，請同學(xué)們辨一辨那位同學(xué)的受力分析才是正確的。

學(xué)生辨析：“因?yàn)闆]有蹬踏的作用，所以在后輪上沒有向后相對運(yùn)動趨勢，而是和前輪一樣向向前滾動，所以兩個(gè)輪子上都受到了向后的摩擦力。”

得出結(jié)論：物體存在摩擦動力的條件是存在相反方向的運(yùn)動趨勢。

6.后續(xù)研究，利用大量的練習(xí)和解釋來應(yīng)用新概念。

運(yùn)動三：滑板運(yùn)動中摩擦力

視頻引入：滑板運(yùn)動視頻

情景1：人水平地面上一腳在滑板上，一腳蹬地，使滑板加速向前運(yùn)動。

情景2：站在滑板上，人隨著滑板一起向前運(yùn)動。

教師語言：“滑板運(yùn)動驚險(xiǎn)刺激，下面的兩個(gè)情景中有向前的摩擦動力嗎？為什么？請對分析兩個(gè)情景中的人在水平方向上受到的摩擦力。”尋找已經(jīng)完成畫圖的同學(xué)。請學(xué)生到講臺上投影講評。

應(yīng)用結(jié)論：分析在水平方向上人受到的摩擦力情況。

教師：“你還能用摩擦力作為動力的其他運(yùn)動項(xiàng)目嗎？大家可以討論。”請學(xué)生回答。

拓展分析：其他利用摩擦力作為動力的運(yùn)動項(xiàng)目有。

教師：“大家還能舉出豎直方向上利用摩擦力作為動力的運(yùn)動嗎？”請學(xué)生回答：“爬桿、攀巖等。”

運(yùn)動四：爬桿運(yùn)動之摩擦奧秘

教師：“爬桿很困難，當(dāng)桿很滑時(shí)，為了獲得足夠大的向上的摩擦力，我們一般要怎么做?”請學(xué)生回答。問題三：爬桿運(yùn)動對大多數(shù)人來說非常困難。下圖是武警在操場上做爬桿訓(xùn)練。為了能更快地爬上桿，他會怎么做？

教師：“你還能用摩擦力作為動力的其他運(yùn)動項(xiàng)目嗎？大家可以討論。”請學(xué)生當(dāng)場回答，引發(fā)認(rèn)知沖突。

習(xí)題訓(xùn)練：某人在操場上做爬桿運(yùn)動，如果他勻速向上爬行時(shí)受到的摩擦力為f1，勻速滑下時(shí)受到的摩擦力為f2，則下列說法正確的是（ ）。A.f1=f2，方向相同；B.f1=f2，方向相反；C.f1＞f2，方向相反；D.f1＜f2，方向相反。

教師：“我們除了通過摩擦力大小影響因素知道摩擦力的大小外，你還知道判定摩擦力的大小其他方法嗎？請說一說。”請學(xué)生回答：二力平衡法。

教師語言：請同學(xué)們利用今天獲得的方法分析下列爬桿時(shí)的摩擦力。

方法應(yīng)用：請根據(jù)情景分析并畫出他受到的摩擦力的種類、方向和大小。

歸納方法：運(yùn)動中分析摩擦力大小的方法——影響因素法和平衡法。

教師：“有人說拔河比賽其比的是拉力的大小，也有人說是比摩擦力的大小。你支持哪種說法？為什么？”

運(yùn)動五：揭開拔河比賽的成功秘訣

教師：“讓我們來一場趣味拔河比賽吧！請男生和女生根據(jù)你們的想法分別派一名同學(xué)來參加拔河比賽。”學(xué)生選好隊(duì)員。教師：“你為什么選他（她）？”學(xué)生回答：他（她）重，力氣大，鞋子摩擦力大。活動導(dǎo)入：請男生和女生根據(jù)你們的想法選派一名同學(xué)來參加拔河比賽。（一開始正常拔河，接著讓男生站到滑板上）教師：“準(zhǔn)備，開始！”學(xué)生：“男生贏。”教師：“等一下！”讓男生站在滑板上，結(jié)果可想而知。

問題四：拔河取勝的秘訣是什么？ 學(xué)生齊答：“摩擦力大小的比拼。”

教師：“拔河比賽分明在拉繩子，為什么卻是摩擦力大小的比拼？拔河比賽一般有兩個(gè)階段，相持階段和決勝階段。請看一段拔河比賽視頻，然后試著用今天的結(jié)論和方法對比賽兩個(gè)階段進(jìn)行受力分析！”賞視頻：專業(yè)拔河比賽的場景

思考分析：試著對比賽的兩個(gè)階段進(jìn)行受力分析。

習(xí)題訓(xùn)練：如圖所示，是甲、乙兩組拔河比賽的場景，不計(jì)繩重，下列說法錯(cuò)誤的是( )。

A.比賽時(shí)，選體重大的運(yùn)動員，能增大對地面的壓力；

B．比賽時(shí)，運(yùn)動員身體后傾、兩腿彎曲，可以降低重心；

C．比賽時(shí)，拉力較大的一組最終獲勝；

D．比賽時(shí)，受到地面摩擦力較大的一組最終獲勝。

三、總結(jié)分析觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建的教學(xué)序列策略的有效性

觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建的教學(xué)序列以科學(xué)認(rèn)識論、前概念、概念轉(zhuǎn)變的研究成果為基礎(chǔ)，把實(shí)驗(yàn)與學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展聯(lián)系起來，使學(xué)習(xí)成為既動手又動腦的過程。觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建的教學(xué)序列的實(shí)質(zhì)是通過預(yù)測暴露學(xué)生的前概念，通過使用演示使學(xué)生的認(rèn)知發(fā)生沖突，通過討論最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生的概念轉(zhuǎn)換。為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建的教學(xué)序列關(guān)鍵點(diǎn)是，設(shè)法使學(xué)生真實(shí)想法暴露出來并加以糾正。因此，使用 觀測——沖突或順應(yīng)——構(gòu)建的教學(xué)序列教學(xué)時(shí)，課堂需要巧妙地設(shè)計(jì)和民主的氛圍。