促进“概念转变”的科学教学策略综述

金利进

“概念转变”这一术语表明这样一个事实：通常学生的前概念和生活中关于科学现象的认识，与即将学到的科学概念和原理是有很大差别的。科学学习是学生关于自然现象的原有概念的发展或转变的过程，而不是新信息的点滴累积过程。因此在科学教学中，概念转变是主要的教学任务。如何促进概念转变?首先，教师需要营造一个能够支持概念转变的学习环境，例如为学生提供一个能够互相讨论的机会。其次，教师要选择教学策略。促进概念转变的教学策略分为两大类：第一类是建立在认知冲突和解决冲突基础上的教学策略；第二类以学习者原有的观念为基础，利用比喻和类比的方法将其扩展到新的领域。这两类策略在促进学习者的概念转变过程中所强调的侧重点不同：强调认知冲突及其解决冲突的策略可以看做来自皮亚杰的观点，认为学习的核心是学习者积极参与对知识的重组；以学生的认知结构为基础进行扩展的教学策略，重点不在于学习者的主动调适，而是侧重于教师的适当干预，为新的思维方式提供“支架”。

一、以认知冲突和解决冲突为基础的教学策略

许多促进概念转变的教学是建立在认知冲突基础上的。教学的过程包括创设一定的情境，使学生对一些现象所持的观念明朗化，然后直接对其进行挑战，从而引起认知冲突。解决冲突的尝试为随后的学习提供了前提。

(一)由矛盾事件引发冲突的教学策略

由矛盾事件引发冲突的教学策略是一种以皮亚杰的顺应理论为基础的教学策略。这种策略包括四个主要因素：(1)通过学生对矛盾事件的反应来揭示学生的前概念。(2)使学生明确意识到他们自己和别的学生的想法。(3)通过让学生尝试解释一个矛盾事件，引起概念冲突。(4)鼓励和引导认知的调整，建立与科学概念相一致的新的概念模型。

我们可以根据这一教学策略来设计“温度”的教学。首先让学生做一个实验：倒三杯温度不同的水，一杯热水，一杯温水，一杯冷水，两只手一只放在热水中，一只放在冷水中，然后把两只手同时放入温水中，结果两只手冷热的感觉是不同的。同一杯温水两只手冷热的感觉不同，这与温度高的物体人感觉热是矛盾的。此时可以引导学生讨论，并让学生解释这一问题。经过教师的启发与引导，学生应该能认识到：冷水的温度比温水的温度低，因此冷水中的手放到温水中感觉是热的；热水的温度比温水的温度高，因此热水中的手放到温水中感觉是冷的。进而可以引导学生理解“温度表示的是物体的冷热程度，但人对物体冷热的感觉不一定是准确的，准确的测量可用温度计”。这样，教学激发认知的挑战和学习的动机是很成功的。

(二)引起不同认知间冲突的教学策略

通过引起不同认知间冲突进行的教学活动，可分为两种：一种是对同一科学事实的两种不同的认知结构之间的冲突；另一种是学生对某一科学现象的认知结构和真实的科学现象之间的矛盾。

科斯格儒等人根据对同一科学事实的两种不同的认知结构之间的冲突，于1985年提出了一种教学法，要求学生明确地解决不同观点之间的差异(如学生之间的、教师的、科学书籍上的观点)。科斯格儒和奥斯本提出了“产生式学习的教学策略”，它由四个阶段组成；(1)预备阶段：教师需要理解科学家的观点、学生的观点和自己的观点。(2)集中阶段：给学生创造机会探索与概念有关的情境，最好是真实的日常生活情境，鼓励学生阐明自己的观点。(3)挑战阶段：学习者相互之间对现有的观点进行争论、辩护或质疑。必要时，教师可介绍科学的观点。(4)应用阶段：给学生提供各种情境来应用新观点。这种教学模式强调科学观点只有通过实验、演示或类比的方法，使学生认为它是明智的和合理的，才能被积极地接受。

根据这一教学策略可以这样设计“物体浮沉的条件”的教学：首先测量木块的勤为5N、体积为1000cm³，铁块的重力为0.8N、体积为10cm³。设问：把木块与铁块浸没在水中，放手后，木块与铁块的浮沉将怎样?让学生先进行讨论并进行交流。在讨论过程中，学生会有各种不同的看法。接着教师可以进行实验，实验结果：铁块下沉，木块上浮。这个实验结果与“重的物体下沉”是矛盾的，此时教师可引导学生思考物体浮沉的原因，进而得出“物体的浮沉与物体受到的重力、浮力有关”。然后再引导学生根据阿基米德定律计算木块与铁块浸没在水中的所受的浮力大小，并与木块和铁块受到的重力进行比较，得到物体的浮沉条件。在教学过程中，教师要通过学生不同观点之间的矛盾冲突，激励学生增强自主学习的动机，提高课堂讨论的质量，这对于促进概念的转变非常重要。

罗尔等人对某一科学现象的认知结构和真实的科学现象之间的矛盾，提出了另一种策略：除了在教学开始时通过引起与学生的前概念的冲突以促进概念转变之外，还可以在介绍新概念以后，再解决学生的前概念和新概念之间的冲突。这种方法来自科学哲学、科学史和皮亚杰的平衡理论的观点。它建立在以下前提之上：(1)一个理论只能被另一个更好的理论所代替，而不是在遇到无法解释的证据时被抛弃。(2)建构一个更好的理论并不需要直接挑战个人自发产生的相关知识。(3)尽管认知的改变包含策略和元认知的知识，但不必将它们建构在一起。

这一教学方法包含六个步骤：(1)确定学生认为与问题情境相关的观点。(2)讨论并将内容记录下来，以备随后思考。(3)告诉学生将要教给他们的理论能够解决这些问题，而且要求他们参与知识的建构和随后的学习，与他们自己提出的观点进行对比。(4)在学生已有知识的基础上提出新的理论。(5)要求学生用新的理论解决问题，从而证明这个理论已经被个体建构。要求学生把这个过程记录下来，作为第二次笔记。(6)每个学生对步骤(2)和(5)的记录结果进行比较，检查这些观点的性质。起初的检测直接针对在测试中的刺激问题的记录，随后的检测尽可能地包含许多相关的情境，这样使学生参与获取元认知的知识过程。

根据这一教学方法可以设计“力不是维持物体运动的原因”的教学。让学生讨论力是否是维持物体运动的原因，然后做实验：让小车自斜面顶端从静止开始滑下，然后在粗糙程度不同的水平面上运动。实验结果：水平面越光滑，所受阻力越小，小车运动的距离越大。进一步推理得出：如果水平面绝对光滑，物体受到的阻力为零，速度不会减慢，将以恒定不变的速度永远运动下去，从而得到物体的运动不需要力来维持的结论。这与日常生活中“有力作用物体运动，停止力的作用物体就停止”的现象是矛盾的。教师可以让学生讨论：物体停止运动的原因是什么?引导学生得出：物体停止运动的原因是受到摩擦阻力，如果不受摩擦阻力，物体在水平面上不会停止。进而让学生真正理解力不是维持物体运动的原因。

二、以发展学生与科学观点相一致的认识为基础的教学策略

与引起冲突并要求学生解决冲突的教学策略不同，第二类教学策略是建立在学生现有观点基础之上的，随后的教学使学生的现有观点向科学认识发展和拓宽。

克莱门特根据以发展学生与科学观点相一致的认识为基础的教学策略提出了一套类比的教学方法，其目的是增加有益的直觉的应用范围，并减少有害的直觉的应用范围。这种策略假定“在学生掌握定量规律之前，给学生提供机会建立对现象的定性直觉的理解”，这样可以促进概念的转变。然后利用学生原有的直觉知识，在被学生误解的“靶例”和“锚例”之间形成类比关系，通过这种方式来发展学生的理解。研究表明，在发展这些关系的过程中，“架桥策略”是非常有用的。架桥策略包含四个步骤：(1)创设一个靶子问题，暴露学生的与讨论主题相关的错误概念。(2)教师举出一个符合学生直觉的类比例子，这个例子称为一个“锚例”，或简单说是一个“锚”(锚的直觉含义是初学者所持有的和科学理论基本相容的信念，这种信念可以是明确的，也可以是缄默的)。(3)教师要求学生在锚和目标事件之间作出明确的对比，并试图建立类比关系。(4)如果学生没有接受这种类比，教师再试图找到一种架桥类比(或者一系列架桥类比)，即在目标和锚之间插入的概念化的中介物。

根据这个教学策略可以设计“电流、电压”的教学。用导线将电池。小灯泡、开关连成电路，闭合开关，小灯泡亮了，这是因为电流流过了灯泡。这时可让学生讨论“流入灯泡的电流与流出灯泡的电流是否相等”(有的学生可能会混淆电流与能量，认为电用光了，因此流出灯泡的电流为零)。再用电流表测量电路各部分的电流，电流表被用来作为电流的指示器，从电流表的示数可以看出电路各部分的电流是相同的。这时，可以让学生通过讨论得出电路中的电流处处相同的认识，并进一步分析电流和能量的区别。如果学生认为电流表会像灯泡一样消耗能量，教师可以用水流作类比，抽水机、水渠和磨坊都为我们提供了一个封闭系统的可见模型：能量从抽水机传递出来，被磨坊消耗，水在这一过程中循环并且守恒。从这一点来说，电流的流动模型得到了进一步的发展。电流的单向性，在学生接受电流概念之后，可用“河流里的水只向一个方向流动”类比。此外，还可以用输出电压不同的电池做实验，对于相同的电路，电流由电压决定。然后用以上水流作类比，使学生进一步明确电流与电压的关系。