科学概念发展的基本环节及对教学的启示

【摘要】有效的科学概念学习必须经历认知冲突、抽象概括和迁移运用这三个基本环节。教师应该了解学生的前概念，依据科学学习的认知过程，引导学生实现从前概念向科学概念的转变。

【关键词】概念教学前概念概念转变

【中图分类号】G63 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）02-0098-02

学生在学习科学课程之前，通过日常生活的多种渠道和自身的实践，对客观世界中的事物已经初步具备了自己的观点，并因此形成了自己的思维方式。这种在接受正规的科学教育之前形成的概念一般称之为前概念。广泛存在的前概念具有隐蔽性、顽固性和不连贯性等特点。科学学习的重要任务是依据科学学习的认知过程，引导学生经历观察、实验等探究活动，获得充分的证据，实现从前概念向科学概念的转变。

一、儿童科学概念发展的基本环节

概念是思维最基本的形式，也是构成知识的最基本成分。许多研究者认为科学学习是科学概念的发展或转变，而不是一些孤立信息的增加。由此，研究者提出了诸多概念教学模型，其中最具影响的是波斯纳等人从认识论角度提出的概念转变模型，还有奥斯本等人基于认知心理学的视角提出的概念教学模型。这两个模型都吸收了皮亚杰基于儿童行为观察和言语访谈而提出的意义建构学习观，所以都较注重学生的已有知识和积极参与。

近二十年来，随着正电子发射断层扫描、脑磁图、功能性磁共振成像等多种无创伤脑研究技术的问世，使得人类对自己脑的高级功能有了实证性研究，研究揭示的大脑学习机制促使人类对学习是如何发生的追问从猜想走向科学。新的学习科学对认识如何学习的这一问题有了进一步认识，不仅更加强调学习者已有知识在学习中的重要性，而且指出“有用的知识”是围绕重要概念而联系和组织起来的，它支持理解和迁移，而不仅仅是记忆；“元认知”能促使学习者对学习进行自我调控，以达成学习的理解和迁移；学习不仅是基于个体已知的意义建构，也是个体与环境互动而建构意义的结果。

学生获得科学概念的过程是一个动态的发展过程，难以用某一模式去固定化。但是，根据现有学习科学的研究成果，可以发现概念学习必须经历认知冲突、抽象概括和迁移运用这三个基本环节，循序渐进地推进学生科学概念的发展（如图所示）。

二、儿童科学概念发展的学习机制

1．引发学生认知冲突

认知冲突是指学生的原有认知结构与所学新知识之间无法包容的矛盾。每个学生都不是空白着脑袋进入课堂的，即使婴儿也会把自己的观点带入学习情景之中，是积极的学习者。例如三年级的学生会认为“水蒸发以后就消失了”，五年级学生则认为“土壤是植物的食物”。研究表明，学习者已有的知识和观点影响着他们从自己经验出发而进行的观察，影响着他们如何选择、描绘和组织信息，甚至限制了他们在各种经历中的感受。

学生的前概念与科学概念之间或多或少有些差距，甚至是偏差，如果不能有效地激发学生认识到自己已有知识与新知识之间的距离和偏差，学生就会自发地以自己的已知去理解和建构新知识，其结果就会产生错误概念。所以，教学仅仅激活学生的原有知识是不够的，而是要让学生认识到已有知识与新知识之间的矛盾和冲突，即发生认知冲突，从而使学习者有意识地进行自我调控学习，避免前概念对学习的干扰。如让三年级的学生解释冰箱中拿出来的饮料瓶放置一会后外壁为什么会有小水珠；让五年级的学生参观并解释无土栽培植物的生长，则就会激发学生的认知冲突。

认知冲突之所以是学生概念学习的基本环节，不仅因为认知冲突能“唤醒”学生的前概念，而且也是因为认知冲突能激发学生自我调控学习的意识和能力，促使概念学习顺利进行。

2．促进学生抽象概括

抽象是指舍弃事物个别的、非本质的特征或联系，抽取共同的、本质的特征或联系的思维过程。概括是根据抽象出来的事物共同的、本质的特征或联系，而把同类事物连接联结起来的思维过程。抽象决定概念的内涵，是概括的基础，没有抽象就不可能概括。而概括决定概念的外延，概括有助于更科学的抽象。例如学生将水、牛奶、醋这几种液体分别装在插有细管的小瓶中，并反复浸入冷水和热水中，通过观察，抽取出液体所具有的热胀冷缩共同特征。再经历空气和金属热胀冷缩的实验，可以概括出一般物体都具有热胀冷缩的性质。

有研究显示，婴儿甚至在他们出生的一个月内就能形成概念。在短短的几年内，儿童会获得时间、空间、数字以及生物等的大量概念。但是，儿童这种自发的抽象概括往往是简单而狭隘的，形成的前概念往往忽略了事物之间的本质特征，而包括了一些非本质特征。如儿童根据自己有限的观察能力，会形成地球是平面的观点，会把能运动、能捕食作为动物的共同特征来区分动植物。因此，科学概念教学的关键是发展学生科学的抽象概括能力。

3．引导学生迁移运用

影响迁移的第一个因素是对已学内容的掌握程度，没有达到一定水平的已有学习，迁移是不会发生的。其次，迁移受学习理解程度的影响，仅靠记忆和错误理解也不能发生迁移。再次，迁移需要元认知提供策略性的能力，指学习者预测他们在各种任务中表现的能力以及对目前的理解和掌握程度进行调控的能力。

概念学习的关键在于运用，即个体能够运用自己的知识进行科学的推理。在教学过程中，教师通常从一定的情境中提出一些富有思考性的问题。如：雨水是怎样形成的？通过思考这些问题，学生在深刻理解所学知识的同时，能够产生学习科学、了解自然界的充实感和兴奋感。因此，将迁移运用作为学生学习科学概念的基本环节，不仅注重学习的实质，而且提供机会让学生自我检测概念学习的质量，学会自我判断是否理解、如何修正以完善所学的概念，从而发挥学生元认知的自我调控能力以促进学生概念学习能力的提高。

三、科学概念教学的基本策略

1．充分了解学生的前概念

在教学中调查学生的前科学概念是非常关键的，能够使我们了解学生的“先入之见”。由于前概念具有隐蔽性，就需要教师采用各种方法来发现学生的前概念，一般可以通过提问、访谈、问卷调查、制作概念图等方式进行。比较理想的方法，是教师把前概念的暴露方法精心设计进教学过程，使教学过程更完整，使前概念暴露得更彻底。

如教师在上《植物的茎》一课时，先请学生观察几株植物，看了植物的茎的外部结构以及植物的茎承受果实弯曲的现象，然后请学生思考，画出他们设想中的植物的茎的内部结构。发现学生对于植物的茎的想法各异，有些学生认为植物的茎就是一根空管子，因为它要输送水分；有些学生则认为植物的茎是实心的，因为它要帮助支持果实；还有学生认为植物的茎内部是稀稀拉拉的。根据学生暴露出的错误前概念设定教学目标，教学目标的设定就是帮助学生改变错误前概念建立新的科学概念。有效的科学概念教学是以学生的前概念为基础和生长点的。

2．选择有效的科学探究路径

科学探究的路径通常包括科学观察、科学实验和科学阅读等。科学观察是通过人的感觉器官或借助仪器，有目的、有计划地对自然发生的现象或变化进行考察、记录和分析，对观察对象所包含的丰富信息进行发现、准确观测并进行客观记录的综合活动。它作为一种基本认识活动，贯穿于整个科学研究过程中。《科学（3-6年级）课程标准》指出“没有观察，就没有‘研究，更没有‘认识”。学生在学习活动中，通过观察养成科学的思维方法和实事求是的科学态度，获得证据建构科学概念，因此，科学观察是科学探究的基础。

当人们不满足在自然条件下去观察对象，要求对被研究对象进行积极的干预时，这就导致科学实验的产生。科学实验中多种仪器的使用，使获得的感性材料更丰富、更精确，且能排除次要因素的干扰，更快揭示出研究对象的本质。因此科学实验越来越广泛地被应用。就小学科学课程而言，指导学生通过开展对照实验、模拟实验等科学实验活动，是科学学习的重点。

很多科学知识和前人经验，因为课堂的条件、环境限制，并不可能完全靠科学观察和科学实验获得。在科学学习过程中，引导学生有针对性地开展科学阅读，有助于学生拓宽视野。目前，学生甚至成人的阅读现状令人担忧，科学阅读更是“雪上加霜”。科学阅读对丰富学生的阅读面，完善学生的阅读结构，提升学生的科学素养，有着不可替代的重要意义，因为科学阅读有助于学生科学本质观的形成和发展，有助于学生科学概念的形成和理解。

3．注重培养儿童的实证意识

要回答一个科学问题，必须通过科学探究活动，以获得有效的事实性的证据。因此，教师首先应该要让学生学会观察、实验的方法，以获得有效事实支撑自己的观点。例如，在《观察一棵大树》这一课中，在学生观察大树之前，先让学生明确用什么观察方法来比较，当学生通过讨论，知道可以用眼睛看、鼻子闻、手摸、尺子量、还可以借助放大镜观察等方法后，再让学生去观察一个大树，就不会出现在记录表里抄别人答案的现象。在此基础上，教师要指导学生准确记录每一个信息和数据；教育学生不随意丢失资料，建立“每一个描述都很重要”的认识；培养学生重视使用工具的正确性和实验的准确性，以确保描述来源的可靠性；引导学生明确采用多种方式，多人或多次重复实验，以寻求尽可能多的证据，就越令人信服的道理。

其次，引导学生关注、重视每一个数据。科学探究活动中通过观察、实验等活动所得到的相关数据，是证据的重要组成部分，是得出科学概念的重要依据。教师要引导学生关注、重视每一个数据，从而不断得到可靠的证明自己观点的证据，来解释相关的问题或现象。

听过一位潘老师执教《豌豆荚里的豌豆》，课堂中一个小意外给人留下了深刻的印象。

潘老师让孩子们剥开自己手中的豌豆荚，数数有几粒豌豆，再以举手的方式进行统计。

潘老师手指表格中的“0粒”，没有小手举起；

“1粒”，没有小手举起；

“2粒”，一只小手举起，潘老师在2粒对应的表格中写上“1”；

……

“还有同学没举过手吗？”累加了统计的人数后，潘老师说：“我们班有46个同学，可是只有45个数据。作研究，每一个同学的数据都很重要，一个都不能少。我们需要仔细地重新统计一次。”

于是，不只是重新统计的这次，而是直至下课的每一次，始终都有46位同学在参与。正是对每一个数据的高度关注，折射出潘老师“面向全体学生”的教学理念。以这样的形式为每一个孩子提供公平的学习科学的机会。因此，教学中我们应该重视每一个数据，关注这个细节可能带给孩子心灵上的震动，以培养学生实事求是的意识。

小学生在探究活动过程中，有时候由于各种原因，实验数据和结果不能得出想要的正确的科学概念。笔者听《我们的小缆车》一课6次，5节课中学生都出现了“错误”数据。面对意外，我们就不能马上下定义说：拉动小车的垫圈数量多，小车的运动速度快；拉动小车的垫圈数量少，小车的运动速度慢。必须尊重事实，避免在证据不充分的情况下作出判断，避免以偏概全下概念。比如可以引导学生这样表述：“这节课研究的共识是：7个小组的实验数据认为拉动小车的垫圈数量多，小车的运动速度快；拉动小车的垫圈数量少，小车的运动速度慢。1个小组的实验数据不支持这个说法。到底是不是这样，还需要继续实验研究。”让学生课外研究结束再把结论重新拿回班上公布分析，达成新的共识。

面对意外，教师要引导学生仔细地梳理一下自己探究的全过程：实验的设计有没有问题，实验过程是否严格按照设计进行，实验的材料有没有异样，实验过程中变量的控制是否到位？如果找到问题的结症所在，就应该调整失误之处，再进行重复实验，看看实验的结果有否变化。最后根据全班各组的研究结果，形成研究共识，建立科学概念。

总之，科学的学习过程是基于学生原有的知识经验与外界环境进行交互作用，以主动建构新知识的过程。科学教师应充分重视学生的前概念，利用科学学习的认知过程，有效促进学生科学前概念的转变，引导学生积极主动地架构新知识，真正理解科学概念的内涵。

参考文献

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2.林静．CAT：基于学习科学的科学概念学习环[J]．全球教育展望，2009，（10）．

3.邵锋星．浅议科学探究活动中的意外数据[J]．上海教育科研，2010，（2）．