基于学生“水的液气相变”前科学概念教学方法的运用

高潇怡 黄 真

(北京师范大学教育学部课程与教学研究院，北京 100875)

学生的前科学概念对于科学概念教学具有重要价值。所有学生进入课堂前，他们对这个世界是如何运转的已经有一整套自己的理解，这些理解跟他们之前接触过的知识和自身的经历相关。大量研究表明学生存在诸多与科学概念不完全一致的前概念，而这些前科学概念对正式的科学概念学习会产生一定的消极影响。因此，如果科学教学不能考虑儿童的前科学概念，那么科学概念转变就很难发生。以学生的前科学概念为基础的教学，对于促进学生实现概念理解、深化科学课堂教学效果具有重要意义。

一、学生前科学概念的内涵及其教学价值

学生并非空着脑袋进入教室，在进入教室之前他们已经形成了对世界的“直觉概念”[1]，而这些“直觉概念”往往与当前科学界对自然客体的解释不一致。学术界对于学习者个人已有的“直觉概念”有不同的术语界定，其中最常用的是迷思概念(也称错误概念)、异构概念和前科学概念。本文中所使用的“前科学概念”这一术语，其内涵是指儿童在接受正规教育前对科学现象和过程形成的不完整的想法和观点，这些想法和观点是其接受科学概念的基础。

“转换学生思维所需要的努力不亚于一场科学革命”[2]。按照皮亚杰的观点，学习者的前科学概念是个体对世界的意义建构，它是个体进行科学概念理解的基础。而已有研究表明，如果这种前科学概念是错误的，那么它就会干扰学习者对新知识的意义建构。教学中，如果教师不能检测并实现学生前科学概念的转变，这些概念就会长期存在并成为之后科学概念学习的障碍。正如奥苏贝尔所说：“假如让我把全部教育心理学仅仅归纳为一条原理的话，我将一言以蔽之：影响学习的唯一最重要的因素就是学生已经知道了什么，要探明这一点，并应据此进行教学”。因此，科学教育关注学生的前科学概念并在此基础上帮助学生实现前科学概念的转化具有尤其重要的价值。

二、关于“水的液气相变”的学生前科学概念的已有研究

关于水的蒸发、沸腾和冷凝乍看起来很简单，儿童从日常生活中会积累相关的概念，然而已有研究表明，学生学习这些概念之后并没有真正理解，而且该主题也是学生最容易产生前科学概念的主题之一。国际上对于该主题的研究已有40多年的历史，研究者采用访谈法、二阶式诊断法、课堂观察法、绘图法、传统纸笔测验法、概念卡通图法等方法探查儿童在该主题中存在的前科学概念。已有研究从学生的日常生活经验出发，创设具体生活实例，如衣服变干、水池水位下降、湿手印不见、冰玻璃杯外壁冒水珠、正在沸腾的水、冬天往玻璃窗户上哈气等，探究学生关于此概念的认知与理解。整合梳理学生的回答可以发现，儿童在该主题中普遍存在的前科学概念主要表现为：(1)关于“蒸发”的前科学概念：当白气看不见时，它就变成了空气；敞口容器中的水会被容器吸收，或者消失，或者变成空气，或者变干；只有水会蒸发；水只有在阳光/高温下才会蒸发。(2)有关“沸腾”的前科学概念：当水沸腾或者冒气泡时，气泡中是热空气、氧气、氢气或热量；水蒸气是热空气。(3)有关“冷凝”的前科学概念：只有水会冷凝；空气中没有水蒸气，冷凝是空气变成液体；容器外壁冷凝的水是从容器内壁渗透出来的。

儿童的前科学概念是否存在年龄差异？是否会因为儿童的生理成熟而发生变化？在巴(Bar)的研究中发现[3]：不同年龄段儿童对该主题存在不同的概念理解程度，对于蒸发和冷凝的理解与学生的守恒观和思维可逆性发展有关系。研究表明大部分5～7岁的儿童还没形成守恒观念，对于“水坑里消失的水去哪里”问题无法做出回答，只关注剩下的水，或者认为“被地面吸走了”，而问到“消失的水是否会回来”，几乎所有的学生认为“水不见了，就是消失了，不可能回来”。7～9岁儿童开始出现守恒观，对于同样的问题回答是“水池中的水转移到其他地方，比如渗透到地里或者其他固体”，但是他们很少能认识到“水蒸气进入空气”。所以研究者认为虽然学生已经认识到了水守恒，但是还没发展到“空气守恒”。而9～15岁的儿童大部分能正确解释“水变成水蒸气，并进入空气中”。而对于水是否会回来，有些学生已经能说出“水进入循环系统”，思维呈现抽象性和概括性。从思维的发展上看，儿童的认知逐渐从具体形式发展到抽象形式，主要表现为：第一阶段只认识水的液态形式，水渗透到地面仍然是液态；第二阶段水变成气体，或者小水滴蒸发到其他“容器”中；第三阶段水变成看不见的气体颗粒，并且不需要“容器”。

研究者发现学生的前科学概念具有顽固性、稳定性、隐蔽性和反复性等特点[4]，由此有学者认为传统的教学方法很难探查和引出学生的前科学概念，当然也就更谈不上概念的转变[5]。

三、基于学生“水的液气相变”前科学概念的教学方法探析

上文分析了相关研究中对学生“水的液气相变”的前科学概念的研究，那么教学中如何运用这些研究结果实现概念转变教学呢？基于已有研究结果，我们重点介绍三种有助于探查、引出并转变学生前科学概念的教学方法，即概念卡通图法、P-E-O教学法和概念图法。以下将结合“水的液气相变”的相关案例，具体说明如何利用这些方法在课堂上探查学生的前科学概念，引发学生认知冲突，进而促进其前科学概念的转变。

1.概念卡通图法

概念卡通图的创建者是英国曼切斯特大学的基欧(Keogh)和纳依拉(Naylor)教授，他们认为概念卡通图可以直观地呈现学习者(包括儿童和成人)对日常生活现象的想法和观点。在概念卡通图中往往会有3～4个卡通人物对同一个熟悉的日常情景进行讨论，不同卡通人物的观点以卡通气泡框的方式呈现，具体表述的观点是基于儿童对该问题存在的前科学概念。概念卡通图直观、简约、趣味和生活化的特点往往很吸引学生的注意力，激发学生进行讨论和探究的兴趣。概念卡通图的另一个优点在于使用概念卡通图学习者对科学观点的表达会更加自信，因为 “即便他们说错了，他们也可以把‘回答错误’的责任推给卡通图中的人物”[6]。

在“水的液气相变”中，教师可以针对学生容易产生前科学概念的现象进行概念卡通图设计。以沸腾中出现的白气是什么为例，对于沸腾时冒出来的白气，学生容易出现的前科学概念有：白气是热空气；白气变成看不见的空气；白气是非常非常小的小水滴；只有沸腾的水才会出现白气(如图1) 。

教师可以将这些前科学概念提前放入卡通人物气泡框中，上课开始时给学生呈现该图，简短说明图片内容让每个学生都明白该活动内容。接着，小组讨论他们支持哪个卡通人物的观点，并写出理由或依据。该环节将有助于引出学生的前科学概念，学生对某个卡通人物观点的支持就反映出他们自己的认识。当让学生解释支持的理由时，一方面教师可以由此进一步了解的学生想法，以此作为促进学生概念转变的依据；另一方面通过学生间不同理由的陈述、交流和沟通，有助于引发不同学生对原有想法和观点的反思。

图1 “白气是什么”概念卡通图

该概念正确的理解是“白气是非常非常小的小水滴”。如果学生认为白气是热空气，可以引导学生回顾空气的性质；如果学生认为白气变成看不见的空气，那么可以进一步询问学生或进行实验演示，如果把一个盖子放在白气上方，过一会儿会发生什么；如果学生认为只有沸腾的水会出现白气，可以引导学生思考与白气相似的云和雾是什么以及云和雾是怎么形成的。

概念卡通图法比较适用于小组讨论和全班集体性讨论，在讨论过程中教师要及时引导，让学生在陈述理由时尽量联系个人已有经验和知识。概念卡通图不仅可以在课开始时使用，也可以贯穿在整堂课中，当学生提出个人观点后可引导学生对其观点设计实验，验证假设。概念卡通图的另一种用法是探测儿童前科学概念，卡通人物的气泡框可以留白，让学生针对现象进行解释，学生的解释就能充分暴露出他们存在的前科学概念，教师可以将此作为有效的教学资源。

2.P-E-O法

预测—解释—观察(Predict—Explain—Observe，简称P-E-O)是基于概念转变理论和建构主义理论而提出的一种教学方法，包括3 个环节：预测(Predict)、解释(Explain)、观察(Observe)[7]。

在P-E-O教学法中，教师引导学生对现象进行预测，根据已有知识经验进行解释，最后实验观察验证或者推翻已有解释，构建新知。P-E-O教学法整个过程能够潜移默化培养学生的科学思维。我们以冷凝中最容易出现的一个前科学概念“容器外壁冷凝的水是从容器内壁渗透出来的”为例分析P-E-O教学法的使用。因为学生很容易认为冰杯子外壁冒出的水珠是杯子里的水，教师前期根据学生的前科学概念进行情境的设计和加工很重要。首先，要使用一个看得见的容器，如玻璃杯或玻璃盒，使学生能清晰观察发生的过程。其次，准备密封的玻璃杯和天平，当学生认为水珠是杯子里面的水时，教师可以用守恒观启发学生“杯子里面的水被密封了，没有变少”或者用天平称一下观察杯子的重量是否有变化。再者，针对低年级的学生，教师可以提前将学生可能出现的前科学概念列出来，让学生进行判断和选择。具体如下题：哪里来的水？

教师从冰箱里拿出一个装有冰块且密封的玻璃盒，把玻璃盒放在桌上，没有打开盖子。拿出来时玻璃盒的内壁和外壁都是干燥的。过一会儿，老师发现，玻璃盒里的冰块全都融化了，里面都是水。而玻璃盒外面也有一摊水，就可以提问：“请问这些水是从哪来的？”

A.水是玻璃盒热了出的汗

B.来自空气中的水

C.来自玻璃盒中融化的冰

D.来自玻璃盒里面的水冷凝

E.从玻璃盒内部蒸发出去的水

F.其他，____________________

引入该现象后，全班或者小组通过讨论进行预测和解释，然后教师通过演示实验让学生比照自己的原有观点与观察到的事实之间的差异。如果学生认为“水是玻璃盒热了出的汗”，可以让学生摸摸玻璃盒，感受玻璃盒的温度；如果学生认为“水是玻璃盒中融化的冰或里面的水冷凝或是从玻璃盒内部蒸发出去的水”，教师可以通过称重量让学生理解里面的水没有跑到任何地方。通过实验观察，让学生对已有观点产生不满，而实验和讨论中反映的新概念可以被理解或接受，从而促进学生的前科学概念转变。

3.概念图法

概念图是美国康奈尔大学诺瓦克(Novak)教授创造的一种组织和表征知识结构的工具。它能展示学习者结构化的知识，通过清晰地解释概念间的逻辑关系，可借以深入了解学生对概念间的关系和内涵的理解[8]。概念是由节点和连接线组成的图示，其中节点处是概念，连接线表示概念之间的关系，每个概念之间的关系通过连接线和连接词表示，每个连接都代表着一个命题。小学儿童对概念图的使用存在挑战。教师可以简化该方法，将原来需要学生自己写的节点概念和连接词提前写在卡片上。学生需要做的就是选择概念卡片，用连线连接不同的概念，并解释这些连线的意义。

在“水的液气相变”中，以水的蒸发为例。教师在课上分发给学生写好的概念卡片和部分空白卡片。卡片上的概念来源于学生可能出现的前科学概念，比如：水、水蒸气、蒸发、冷凝、小水珠、高温、低温、太阳、空气、加速、减慢、衣服变干、水池水位下降、黑板上的水印不见了等。在上课开始时，让学生小组根据提供的概念卡片，拼出概念图。然后让学生解释小组的概念图中每个联结的意义，学生的每一次解释都能反映他们对该概念的认知程度，教师也可从其中挖掘学生的前科学概念。之后通过全班的分享和讨论，引导学生调整概念图，在调整过程中学生帮助学生前科学概念的转变。(图2给出了水的“蒸发”的一种概念图)除了在课开始时使用概念图，教师也可以在课结束前使用概念图，从而帮助学生梳理和巩固新学的科学概念。

图2 水的蒸发概念图

概括说来，在基于学生“水的液气相变”的前科学概念展开教学时需要教师注意把握如下几方面原则：

第一，明确学生的前科学概念是科学教育有效教学的前提。教师要以学生的已有想法作为教学起点，在教学方法使用中考虑学生的前科学概念。

第二，教学应从学生已知的或熟悉的例子开始。前科学概念来源之一是学生的日常生活经验，因此教学要从学生熟悉的生活实例引入，同时引导学生从不同实例情境中归纳出其中的概念。

第三，为学生小组或全班深入地讨论创设机会。由于前科学概念具有顽固性、稳定性和隐蔽性，教师在教学中要提供充分的时间和营造氛围让学生真实地交流与讨论，只有学生敢于表达自己的想法和观点，教师才能知晓学生的前科学概念，从而为促进学生的概念转变而调整教学。