《熱在水中的傳遞》“四步”教學策略幫助學生實現概念轉變

◇李 健（重慶：重慶高新區教育事務中心）

《熱在水中的傳遞》是五年級教科版科學教材“熱”單元中的一課，是學生在建立熱傳導概念后向建立熱對流概念轉變的學習。概念轉變學習觀（conceptual change learning）認為，學習就是學生原有概念的改變、發展和重建過程，就是學生的前科學概念向科學概念的轉化過程。本課教學以概念模型建構的教學環理論模型（如下圖）為指導，通過多次實踐反思，探索出促進學生熱傳遞相關科學概念轉變的實踐策略，優化了教學效果。

基于模型建構的教學環

一、找準認知起點，明確原有概念模型

概念轉變學習，就是將學生的前概念轉變為科學概念的過程。在這個轉變的過程中，學生已有的關于熱傳遞的認知是學習的基礎。雖然課標要求：“知道熱從溫度高的物體傳向溫度低的物體，從物體溫度高的部分傳向溫度低的部分。”包括熱在金屬與液體中的傳遞，但是熱傳導與熱對流是明顯不同的傳遞方式，學生之前獲得的關于熱在金屬中傳遞的認知，相對于熱在水中傳遞的認知來說，就是“樸素模型”中的“錯誤概念”，需要修正完善。教學通過回顧熱在金屬中的傳遞，幫助學生明確熱在金屬中“沿物體”傳遞的特征，明確自己當前關于熱傳遞的概念模型。同時，探究活動初始，通過引導學生推測加熱U型試管后兩邊溫度計的變化及理由，將當前概念模型遷移運用到實際場景中。課堂實錄如下：

學生4：我認為它們的溫度應該是相等的，因為一號溫度計雖然離得近一點，但是它們兩個的傳播路程應該是相同的，所以說傳播的時間是相同的，熱量應該也是相同的。

學生4：我認為熱會從這個位置，分別向兩邊進行傳遞。（學生上臺畫出自己的想法）

學生5：我覺得一號溫度計可能會更快地接收到火源帶來的熱量，二號溫度計會過一段時間后接收到。

學生5：到一號溫度計，如果從這里加熱的話，因為直線距離是最短的，到二號溫度計有一個彎，這樣過來需要多一點時間。（學生上臺畫出自己的想法）

學生6：我覺得二號可能要高一些，因為雖然說直線距離最短，但是加熱的這個點到二號直線距離比一號還要短一些，所以我覺得二號可能要高一點。（板書：2大于1）。

學生推測溫度變化結果不同，理由是：學生4目測是相同遠近；學生4認為，形狀導致一號溫度計近；學生6目測二號溫度計近。他們的猜測不同，意見分歧，但是這三位學生的猜測都是基于熱在金屬中傳遞的概念模型做出的類比遷移，認為熱會向兩邊傳遞到溫度計，只是在具體的情境中又有所不同。教學采用圖示方法，呈現學生對熱在水中傳遞的概念模型，找準學生熱傳遞的認知起點，為下一步引發學生的認知沖突鋪墊。

二、制造認知沖突，修正原有概念模型

奧蘇伯爾認為，有意義學習的心理機制是同化，而同化理論的核心是：學生能否習得新信息，主要取決于他們認知結構中已有的有關概念；有意義學習是通過新信息與學生認知結構中已有的有關概念的相互作用才得以發生的。本教學刻意設計為測試U型試管兩邊溫度計的變化這一具體任務，來制造學生的認知沖突，激發探究的動機。

當實測觀察到一號溫度計變化很快，二號溫度計幾乎不變時，學生產生了下列想法：

學生10：我們小組覺得，因為酒精燈是有一點垂直的，溫度是往上面直線傳播的，而有一個彎的地方可能過不去，所以就停留在這里。

學生11：我想補充一下。我們覺得，在拐彎的時候熱量漸漸消散，然后就消失了，所以二號溫度計沒有升溫。

學生12：我們組認為，火傳播是有一定范圍的，不是哪里都有熱，一號管是靠近范圍的，二號管可能是在熱的范圍以外，或者是周圍的熱比較少，所以說二號管會比一號管的溫度低很多。

從學生10～12的發言中我們可以看到，學生在為熱傳遞與自己猜測不一致尋找原因，甚至是辯解，但他們原有的概念模型出現了裂痕，開始動搖，認知沖突產生。通過對數據的分析與推理，學生發現，熱在水中的傳遞方式與熱在金屬中的傳遞方式可能是不同的，進而猜測新的可能，開始修正自己的概念模型。

三、類比分析，創建新的概念模型

正確概念的傳授并不能自動地校正學生原有的錯誤概念，在教學之后，學生往往仍然信奉原來的觀點，所以，必須尋找促進錯誤概念發生轉變的途徑。執教教師在聽懂學生想法并做出恰當的回應時并沒能處理及時，如，對學生10“彎的地方可能過不去，所以就停留在這里”、學生11“拐彎的時候熱量漸漸消散”及學生12“火傳播是有一定范圍的”等與原有經驗不一致的信息與想法，教師只是接納，并未采取追問等方法讓學生進一步解釋，做出對原有概念的調整、改造，給學生提供自主建構新概念模型的機會。盡管如此，教師還是借助熱在金屬中傳遞的特征來引導學生采用類比分析方法，修改并初步建立新的概念模型。

教師：假如我們把這一管水換成金屬，結果還是現在這樣嗎？

學生（集體回答）：不是。

教師：熱在水中的傳遞與熱在金屬中的傳遞一樣嗎？

學生（集體回答）：不一樣。

教師：我們現在可以得到一個非常重要的結論，即熱在水中傳遞與熱在金屬中的傳遞方式……

學生（集體回答）：不一樣。

教師（板書：不一樣）：那熱在水中是怎樣傳遞的呢？

從上述對話中我們可以看到，學生基于觀察及獲得的數據證據，類比分析了原有概念對于熱在水中傳遞的不適應，成功否定了原有概念模型。教師以“熱在水中是怎樣傳遞的呢？”推動學生進一步思考，嘗試建立新的概念模型。

學生13：可以得出一個結論，就是熱在水中傳遞，熱量會一直向水的表面發散，不會往其他地方擴散。

學生14：我覺得熱在水中的傳播路徑應該是直線。

學生14：是向上的直線。

學生13、14在教師引導的類比分析方法基礎上，初步創建了熱在水中向上傳遞的新概念模型。

四、實踐運用，檢測新的概念模型

科學概念不僅僅是為了理解經驗而形成的個體建構，而是從科學的社會團體中發展起來的一種“思維方式”。從這個意義上來說，它們需要通過科學文化來傳承，而不是從個體經驗中發現。因此，幫助學生建構科學概念，包含一個介紹科學文化的過程，教師在這個過程中起著重要作用。教材在學生“萌發”熱在水中向上傳遞的新概念模型時，提供了分組觀察加熱燒杯中加有茶屑的水這個實驗。教師刻意提示學生在實驗前后進行思考，為初步建立新概念模型提供獲取更充分證據及評價的機會。同時采取實驗后班級論證的方式，再次篩選和改進概念模型，試圖達成共識，整體創建新的概念模型。

在教學過程中，討論、考慮他人的觀點，將所研究的情境與其他的真實物理現象相聯系，對于促進概念的轉變非常重要。同時，必須激勵學生增強自主學習的動力。通過這種教學，課堂討論的質量有所提高。在學生描述加熱有茶屑的水的實驗現象后，教師引導學生歸納熱在水中的傳遞方式。

教師：那怎么來解釋這個現象呢？熱在水中到底是怎么傳遞的？

學生31：我認為就像那個火，就像我們之前看到的暖氣灶一樣，水就相當于冬天的空氣，然后大家都知道有一個地方熱，熱要往上升的，冷往下降。就是先通過熱量把茶葉推上去，但是上面的空氣又冷了，然后茶葉又會降下來。

教師：大家聽明白了嗎？覺得他的解釋怎么樣？

學生32：我想補充一下。我覺得除了中間會一直上升以外，旁邊一些熱量較低的地方，也會不斷上升，而它往下降的一部分原因是因為有不同的往上升的水的流動，所以說，它也有可能在水流動的擾動中往下降。

教師：大家聽明白了嗎？誰來給我們總結一下，熱在水中到底是怎么傳遞的？

學生33：熱量先從中間往上傳遞，兩邊的也要傳遞，但是要稍微慢一些，所以這個茶葉后來會往兩邊落，然后兩邊的溫度也上來了，茶葉往下落就越來越少。

教師：大家覺得他這個說法能不能把我們這個現象進行解釋？

學生：可以。

教師：熱是往上的，為什么也可以往下呢？

學生34：因為附近的溫度沒有中間接觸的那個點的溫度高。

從學生31～34的對話交流中可以看到，學生在獲得了新證據后，一方面檢測強化了U型試管實驗中建立的熱向上傳遞的共識，另一方面對茶屑在水中運動變化補充了熱在水中傳遞方式的新證據，讓熱對流成為學生都能理解接納的概念，從而實現查普尼等提出的：通過學生討論和交流觀點來實現對新概念模型評價的策略運用。在教學結束后，教師還將熱對流概念模型遷移運用到熱在空氣中傳遞的生活場景，鼓勵學生繼續檢測新的概念模型。

本課以概念建模的教學環理論模型為指導，強調利用學生“認知沖突”，重視課堂“對話交流”，助推學生建構科學概念模型的“四步”策略，滿足了波斯納等人提出的概念轉變學習的條件理論：（1）學習者對當前的概念產生不滿（dis‐satisfied）;（2）學習者必須盡可能地理解（un‐derstanding）科學概念；（3）學習者必須認為科學概念是合理的（p lausible）;（4）學習者必須認為科學概念是有效的（fruitfu l）。根據波斯納的觀點，如果滿足了上述概念轉變學習的四個條件，學生所持有的錯誤概念就會被科學概念所替代或改變。基于此，本課科學概念建模的“四步”策略為學生科學概念轉變提供了有效幫助，具有實踐意義。