地理前概念的內涵、特征、成因與轉變策略
——以“熱力環流”為例

胡 煬,林建平,鄧愛珍,李 龍,李 曈

(1.贛南師范大學地理與環境工程學院,江西贛州,341000;2.江西應用技術職業學院,江西贛州,341000)

在地理學習中,學生習慣用已有的知識經驗去看待問題、思考問題,這些知識經驗來自日常生活中學生對一些地理現象的觀察和體驗,以及之前學習過的知識。由于知識經驗有限、考慮問題也不夠全面,學生對一些地理現象或地理概念的認識大多是含糊的、不全面的、非本質甚至是錯誤的,學生自己卻認為是“正確”“合理”的,并且用這種思維方式去學習地理知識,這就形成了學生頭腦中的地理前概念。教師在教學過程中往往容易忽視學生已有的知識經驗,沒有重視已有的知識經驗對學生認知過程的阻礙,因此導致在教學中很多知識點即使講過很多遍也會有學生不能掌握,同類型的題目做過很多遍也還是會錯。正確的地理前概念可以更好地啟發引導學生理解地理概念和地理現象,而錯誤的地理前概念則會阻礙學生對地理知識的理解與掌握,步入問題思考誤區,學習中容易反復出錯,降低了學習效果。因此,如何消除學生錯誤的地理前概念,將其轉變為地理科學概念是廣大學者和地理教師急需思考與解決的問題。

一、地理前概念的內涵

對于前概念,眾多學者有不同的定義,維果茨基將前概念定義為“日常概念”,是指學生在以往日常生活實踐和辨別學習得來的直觀體驗和感性認識。[1]曾珍認為前概念是“前科學概念”的簡稱, 指學習者在接受正規的科學教育之前, 對從周圍獲得的各種經驗進行加工從而形成的概念,是基于感知的認識和理解。[2]也有學者認為前概念是“錯誤概念”,是對事物含糊的、不完善的或者是錯誤的理解[3],這顯然是不正確的,錯誤概念與科學概念相悖,而前概念包括片面錯誤的認知以及不全面的科學概念知識。參考國內外學者對前概念的不同界定,本文對地理前概念作出如下定義:地理前概念是指學生在進行地理概念科學學習之前,在日常生活經驗中所形成的對地理現象、地理事物的認知和看法,是個人知識經驗積累而形成的地理概念。

地理前概念是學生在地理情境中主觀構建的產物,對地理學習產生的影響既有積極的也有消極的。因此在地理前概念教學中,要幫助學生用含糊、不完善的地理前概念知識來認知同化新知識,在新信息和原有的知識經驗之間建立適當的聯系,促進新知識的學習;幫助學生在片面錯誤的地理前概念知識與科學知識之間產生認知沖突,順應新知識的接納,構建科學概念,形成完整合理的知識體系。這一過程如圖1所示。

圖1 地理前概念教學流程圖

二、地理前概念的成因

建構主義強調,學習者并不是空著腦袋進入學習情境的。在進行地理學習之前,學生已經形成了對地理事物有關的知識經驗,對地理現象有自己的看法。經過廣大學者的研究發現,學生的地理前概念主要受日常生活經驗、望文生義、不當類比、學科滲透、思維定式和舊有概念的局限等因素的影響。

(一)日常生活經驗

地理是一門處理和人類生活相關問題的學科,關注人口、資源、環境和區域發展等基本問題,與學生日常生活聯系緊密。學生在日常生活中形成的知識經驗往往是感性的認知,帶有強烈的感情色彩,比較片面、淺顯,易產生錯誤的地理前概念。例如,溝渠是凹陷的,容易錯誤認為海溝成因是板塊張裂作用;陰雨天更加濕冷,晚上氣溫比晴天低等。

(二)望文生義

當接觸到一個新的地理概念時,學生往往會根據地理概念的字面意思進行理解,從而對其存在認知上的偏差,形成前概念。例如,學生認為降水就只是降雨;北京時間是北京的地方時;冰雹發生在冬半年;逆城市化是和城市化相反的過程。

(三)不當類比

類比是推理的一種重要方式,是人們認識新事物或作出新發現的重要思維形式。[4]不當的類比會造成學生對地理概念的曲解。例如,實驗中經常將電燈充當太陽作為光源,學生會曲解太陽、太陽光的概念;通過“春小麥春季播種”類比出“冬小麥冬季播種”的錯誤前概念。

(四)學科滲透

地理是一門綜合性和開放性很強的學科,具有自然科學和社會科學性質,內容與其他學科相互交叉、相互滲透。同一知識,不同學科對其定義不同,學生易使用其他學科的知識對地理概念進行理解,造成知識混淆,形成地理前概念。例如,學生在物理學習中認識到“開放環境下物體的溫度與氣壓成反比”,形成“同一垂直面上高空的氣壓值高于地面”地理前概念;歷史知識中,管仲將社會上形形色色的群體劃分為四大階層,按“士農工商”排序,學生容易認為封建社會初期第二產業比重大于第三產業。

(五)思維定式

思維定式是一種慣性思維,指人用某種固定的思維模式去分析問題和解決問題,由過去的感知影響當前感知的一種思維方式。學生面對新的地理概念仍用固有的認知去思考問題,形成錯誤的地理前概念。

(六)舊有概念的局限

地理概念并不是一成不變的,其定義隨著科學研究的深入、時代的發展而不斷更新,因此學生學習地理概念是一個漸進的過程,易受舊有的地理概念影響,阻礙地理新概念的接收。例如,20世紀80年代初,科學家發現南極上空臭氧含量大幅下降,出現臭氧空洞現象,學生腦海中有了臭氧空洞概念,經過全球合作限制氟氯碳化物的排放,南極上空臭氧空洞得到修復,但學生在思考全球性環境問題時仍存有臭氧空洞的概念。

三、地理前概念的特征

每個學生腦海里都若隱若現地存在著地理前概念,在地理學習中會受其影響。地理前概念具有頑固性、生成性、負遷移性、隱蔽性和普遍性與差異性。

(一)頑固性

地理前概念與學生日常生活現象聯系緊密,大多來源于學生的生活經歷,是對物質世界的直接體驗和主觀直覺而形成的,例如,在學習水循環知識時,學生認為從高山流下的水奔騰向大海流去,一去不復返,并不會回到高山,這正是受到“水往低處流”這一生活經驗的影響,在自然狀態下,學生在生活中看到的是高處的水流向低處,水在沒有受到動力的作用下不會流向高處。所以地理前概念在日常生活中不斷強化,學生對此深信不疑,具有頑固性。

(二)生成性

每個學生在進入地理課堂之前,腦海里已自發地生成了對地理現象的各種經驗性認識,并內化為學生的地理認知結構和思維方式。它是學生通過日常生活中地理現象的觀察和體驗而主動建構的,不是虛構的,真實影響學生對地理概念的理解。例如,很多同學會認為光年是一個時間單位,但其實它是一個距離單位。

(三)負遷移性

建構主義學習觀認為學習是由個體學習者基于自己的經驗背景建構知識的過程,學生是主動的信息構建者,因此學生在學習地理知識時,不可避免會根據自己的知識經驗建構地理概念,而地理前概念包括片面錯誤的地理認知,對后續的地理學習會產生消極影響,阻礙學生對科學地理知識的理解和掌握。例如,學生腦海里存在“距離熱源近,溫度高”地理前概念,延伸出“青藏高原海拔高,距離太陽更近,溫度也更高”“一月初,北半球溫度較低,為遠日點;七月初,北半球溫度較高,為近日點”等錯誤地理前概念。

(四)隱蔽性

地理前概念作用于師生的思維和行為,但不容易被師生自己察覺,具有隱蔽性。在教學過程中,當學生發現自己腦海里理解的概念與老師講解相異時,受其身心成熟程度的影響,學生害怕自己的想法不正確而不敢開口,會隱藏其地理前概念,從而影響學生科學概念的獲得。

(五)普遍性與差異性

面對某一個地理概念時,每個學生都會在腦海中對其進行自己的認知理解,構建起該地理概念的前概念,具有普遍性;每個學生都具有地理前概念,但其腦海中的前概念卻因人而異,學生身心發展的階段性、生活經驗、知識結構以及思維方式的不同都會導致學生對地理概念理解的不一致,不同的學生會看到地理事物的不同方面,因此地理前概念具有差異性。例如,很多學生想當然地認為南方的植被主要是常綠闊葉林,因此冬季南方的樹木不會落葉,而具有生活經驗的南方學生經歷過冬季樹木落葉的場景,更容易地理解常綠闊葉林也會落葉。不同學生對于寒潮、臺風、梅雨等前概念的定義也各有差異。

四、地理前概念轉變策略

地理前概念的頑固性、負遷移性會阻礙學生科學概念的學習,所以教師在教學中應該具體了解學生的腦海中的前概念知識,創設問題情境,使學生產生認知沖突,將錯誤的前概念轉變為科學概念,促進新知識的學習。本文以“大氣熱力環流”知識點教學為例,探析學生地理前概念轉變為科學概念的教學策略。

(一)了解學生地理前概念

大氣熱力環流知識點概念比較抽象,知識的內在邏輯性較強,熱力環流的形成過程不易被學生注意,因此教學案例需要是常見的自然現象,如通過海陸、山谷、城郊風向的日變化來反映大氣環流的日變化。在學生的學習過程中,易受到以下地理前概念影響導致認知錯誤:①開放環境下物體的溫度與氣壓成反比,所以同一垂直面上,高空氣溫低于地面,高空氣壓高于地面;②高空的大氣水平運動早于近地面的大氣水平運動;③接受熱量少的高空空氣堆積因重力因素下沉,并非冷卻收縮下沉;④地表受熱不均導致大氣的水平運動;⑤白天山頂溫度比山谷低。本節內容與物理學科知識相互聯系、滲透,在教學中應鋪設比熱容與溫度、熱脹冷縮、氣壓與海拔等相關物理概念,輔助學生理解大氣熱力環流的形成,提高學生的學習興趣。

(二)創設問題情境,引發認知沖突

學生總是對腦海中已有的概念深信不疑,要將其轉化為科學概念,就要創設與學生前概念產生沖突的問題情境,讓學生充分暴露錯誤概念,反思自身概念與科學概念之間的差異,由被動接受式學習轉向主動探究,激發探求新知的熱情。

筆者通過創設氣壓大小與溫度、高度關系的問題情境,讓學生猜想高空與近地面的氣壓高低之分,發現學生容易認為溫度與氣壓成反比,同一垂直面上高空氣溫低于近地面,則高空氣壓高于近地面。因此筆者抓住這一契機引導學生觀察某地近地面與高空的氣溫、氣壓數據圖,學生通過觀察發現:該地氣溫與氣壓都隨著高度增加而減少,高空氣壓低于近地面,并非高于近地面。這一結論與學生的前概念相沖突,暴露了學生的錯誤概念,順應后續知識的學習。

筆者通過補充氣壓知識得出“同一地點,海拔越高,氣壓越小”的結論,接下來,筆者引導學生閱讀“大氣熱力環流”形成示意圖,借助示意圖推導熱力環流的形成過程:A地近地面空氣受熱膨脹上升,空氣密度減小形成低壓區,高空空氣密度增大形成高壓區;B、C兩地高空空氣受冷收縮下沉,空氣密度減小形成低壓區,近地面空氣密度增大形成高壓區;在同一水平面上,大氣由高壓區流向低壓區,形成熱力環流。通過推導,學生基本掌握“熱力環流”的核心知識——形成過程。這時筆者提出問題:A地高空為高壓區,近地面為低壓區,為何A地高空氣壓值低于近地面?學生又陷入認知沖突,難道剛才得出的結論存在錯誤?前概念再次受到沖擊。因此筆者進行概念澄清:氣壓的高低是相對于同一水平高度而言的,高壓的數值并不一定大于低壓的數值。通過創設問題情境,引發認知沖突,學生的前概念已經得到重建,建構了“垂直方向上,溫度與氣壓成正比;水平方向上,近地面溫度與氣壓成反比,高空溫度與氣壓成正比”的科學概念。

學生反思自身概念變化過程,通過不斷與前概念制造認知沖突,師生不斷揭示與解決沖突情境,澄清概念,錯誤的前概念被摒棄,轉變為科學概念。學生親身體驗獲得的科學概念更加深刻。

(三)借助地理實驗,消除錯誤前概念

借助熱力環流液體實驗演示, 學生可以直觀了解熱力環流的形成過程,并根據獲得的感性認識消除錯誤的前概念,建構科學概念。

實驗準備:環流探測裝置、兩個燒杯分別裝熱水和冷水、溫水一盆、紅藍色素各一瓶、測溫計。

實驗步驟:第一步,在環流探測裝置里分別加入紅藍色素各五滴;第二步,在環流探測裝置里分別加入等量溫水,沒過最低水位線;第三步,將環流探測裝置紅色試管放在熱水燒杯里,藍色試管放在冷水燒杯里;第四步,等待幾分鐘后,用溫度計分別探測兩燒杯水溫;第五步,打開水閥后靜置觀察。

師:我們用液體流動來模擬熱力環流空氣的運動,請同學們猜測打開水閥后紅藍水會怎樣運動呢?

學生甲:垂直方向紅水上升,藍水下沉,水平方向上方的紅水流向藍水早于下方的藍水流向紅水。因為像煙囪排放煙霧的擴散過程一樣,高空的大氣水平運動早于近地面的大氣水平運動。

學生乙:紅水上升,流向藍水,藍水再下沉,流向紅水。因為接受熱量少的高空空氣堆積因重力因素下沉的。

學生丙:首先垂直方向紅水上升,藍水下沉,然后水平方向上方的紅水流向藍水,下方的藍水流向紅水,形成環流。

課堂上同學們觀點各異,引出學生的前概念,再一次產生認知沖突。接下來展示實驗結果,根據實驗結果概括熱力環流形成原理:地面冷熱不均導致空氣的垂直運動(上升或下沉);同一水平面存在氣壓差異,導致空氣的水平運動,最終形成熱力環流。借助地理實驗的結果,學生消除錯誤的前概念,深刻認識熱力環流原理,最終形成新的知識體系。

地理前概念是地理教學的重要組成部分,也是高中地理教學的一個難點,利用學生存在的前概念進行教學是地理教育學與教育心理學相結合的一種有效嘗試。教學中巧妙利用前概念能使新舊知識過渡自然,符合學生的認知規律,能產生很好的教學效果。