初一新生昼夜现象的前概念表现及其心智模型

张鹏韬，王 民，哈 斯

一、问题的提出

虽然我国正式的地理课程在初中才开设，但新入学的初一学生并不是“两手空空”地走进地理课堂。他们在小学阶段的学习和日常生活中，已经初步建构了关于地球科学的若干概念。然而，这些概念知识里包含了大量的与业已确立的科学知识不一致的信念，它们被称为前概念（preconception）、“错误概念”（misconception，我国台湾学者将其音译为“迷思概念”）、“相异概念”（alternative conception）、“幼稚信念”（naìve belief）等。［1］本文采用“前概念”这个名称，缘于其发生在正式教学之前，并可以通过教学进行改正。［2］［3］心智模型（mental model）在前概念的形成与转变过程中发挥重要作用，它被定义为可以表现具体的情境或推理的视觉—空间图像的内部概念系统。［4］心智模型源自并受制于个体内隐的概念结构，影响个人对现象的感知和对表征的理解。［5］从建构主义的角度看，概念的理解就是通过心智模型的构建而将新信息整合到现有知识结构中。［6］促进前概念向科学概念的发展和转化，建构高效的心智模型，被认为是教育的挑战之一。［4］可以说，研究前概念是进行有效地理教学的基础，因此有研究者提出了“为概念转变而教”的教学原则。［7］

在我国各版本初中地理教材中，初一新生最先接触的多是关于地球科学的知识，例如地球的运动、昼夜现象与四季交替等概念。但由于前概念的存在，影响了他们对这些地球科学知识的正确理解，导致教师讲课难、学生入门难的现象出现。［8］本文的目的在于以昼夜现象为例，探究初一新生在该主题下常见的前概念，为地理教学提供参考。

二、当前研究进展

对昼夜现象的相关前概念研究是科学教育领域中的一个重要主题，如地球形状、昼夜更替、昼夜产生的原因等，各种研究长盛不衰。美国学者詹克与佩拉（Janke&Pella）在1972年曾按照学界认可度梳理了52条地球科学概念，其中昼夜现象（Day and Night）概念被表述为：地球上的昼夜现象来自地球在太阳系中的位置以及地球绕地轴的自转。［9］罗林斯等（Rollins,et al.,1983）将这个定义简化成：地球绕着地轴自转，产生了白昼和黑夜。后者在研究中，将昼夜现象和另外四个概念（季节、环境、地球演化、太阳能）以选择题的形式测查美国得克萨斯州高中生的概念理解水平，发现他们对昼夜现象的理解在5个概念中处于较好水平。［10］希腊学者弗斯尼亚多（Vosniadou）对昼夜更替的原因进行了持续地研究。在他与布鲁尔（Vosniadou&Brewer）1992年对地球形状的研究中，发现学生对地球形状的误解已经影响到他们正确理解昼夜更替的原因［5］，并随后在1994年对此作了专门的研究，提出了儿童关于昼夜更替原因的8个心智模型。［11］2017年，弗斯尼亚多与另一位合作者（Vosniadou&Skopeliti,2017）又以科学文本为变量，对学生这一前概念产生的原因进行了探讨。［12］对昼夜现象的错误理解在职前教师群体中同样存在，他们可能会表现出对其成因的错误建模或语义解释。［13］

这些研究与本文所关注的昼夜现象概念有所区别。它们主要关注的是学生对昼夜现象更替原因的理解，均从地球运动的角度分析学生关于地球、太阳和月球的相对位置与变化的心智模型，而忽视了对昼夜现象本身的表现进行调查与分析，未能涉及晨昏线、昼夜半球等概念。二者的区别是：昼夜更替由地球自转引起，其相关概念是地球的运动；而昼夜现象则是由于地球是个不透明的球体导致，其相关概念是地球的形状。昼夜现象应当是昼夜更替的下位概念，但已有研究罕有涉及。根据教学经验，我们认为：不应将学生对昼夜现象的理解视作理所当然。本概念可以表述为：地球是个不发光、不透明的球体，太阳只能照射到其中一个半球，因此在同一时刻的不同地区产生了昼夜的差别。

三、研究方法

（一）数据收集

本研究基于一项对北京市某区新入学初一学生的科学能力测试，实际完成测试的共有5 133名学生（12-13岁），分别来自该区36所中学。他们此时刚刚结束小学阶段的学习，在进入中学两周后填写了这份试卷。本研究涉及其中地球科学试题的两个问题，分别是一道选择题和一道画图题。

地球形状被认为是理解昼夜现象等多个概念的基础［6］，因此本研究设置了一道关于地球形状的选择题，让学生在四个选项中选出正确的关于地球形状的描述。这些选项源自学生的不同概念模型，根据其基于科学事实的多少而分为四个等级：（a）平面地球；（b）圆环地球；（c）正球体地球；（d）椭球体地球（Sharp,1999）。［6］同时，我们设置了画图题，这是测查学生心智模型的有效方法，在研究中得到了广泛运用（如Vosniadou&Brewer,1992;Vosniadou&Brewer,1994;Shepardson,et al.,2011;Reinfried&Tempelmann,2014;Vosniadou&Skopeliti,2017）。［5］［11］［12］［14］［15］本研究要求学生画出被太阳照射的地球，并用阴影表示出不能被照亮的部分，即夜半球。此题目的在于探究学生对地球形状及昼夜现象的概念认知。画图题中给出了部分背景（平行照射的太阳光线），以规范学生的作答，避免在非本文关心的问题上出现冗余信息，便于对学生作答情况进行分析建模［3］，同时也降低了学生的作答难度，便于进行大样本分析。

（二）试卷批阅与评分层级的确定

试卷批阅由全区46名初一科学课程教师共同完成，他们多由物理教师兼任，不太熟悉地球科学知识和判卷方法，因此进行了阅卷培训。在正式批阅前先由研究者进行了预阅，确定学生在画图题上的评分层级，然后对所有阅卷教师进行培训，并在所有试卷批阅的全程跟随指导，以保证评分标准的统一。

确定评分层级时，我们借鉴了贝尼克等人（Béneker,et al.,2015）的内容分析编码方法。［16］每一题的预阅都进行了60份以上，在其中不断修改我们的评分标准，直到所有阅卷者得出结论：新的层级分类已经涵盖了所有学生的能力水平，加入再多的试卷也不会再有新的评分层级出现了。下文中出现的评分层级由此确定而来。

（三）数据分析

对数据的统计分析由SPSS 23.0完成。对学生前概念的个案分析使用了随机抽样的方式。学生的作答结果以36个学校为单位分别存放，各学校按照校名的字母顺序排列。我们等距抽取了其中的6所学校进行预研究，在发现一些前概念之后，我们在其他学校中也进行了遍历，以获得更多的同类案例，每类案例至少找出6-7个，以保证前概念的代表性。被遍历的学校有23所，共3 862名学生，占总样本人数的75.24%。在每个前概念模型的分析中，我们采用多个研究者进行的三角测量法［17］，并附加了多个学生作答原图，便于归纳共同点，以提高研究的内部效度。

四、结果

表1显示了选择题四个选项所对应的人数分布与百分比，后两列是各组在画图题上的得分状况。按照概念表述科学性的由低到高，四个选项的选择人数不断增多。绝大多数学生（4 387人）选择了“椭球体地球”选项，达到了科学层级四，占有效记录的85.62%；认可“平面地球”（层级一）和“圆环地球”（层级二）的学生分别为129和161人，仅占总人数的2.52%和3.14%；认可“正球体地球”（层级三）的人数也非常少，仅有447人，占比8.72%。LSD事后检验结果显示，层级四的学生与其他3个层级的学生在画图题得分均值上存在显著差异（p＜0.05），而其他三组内部差异并不显著。因此可以认为，学生经过小学阶段的科学教育，已经知道了地球的椭球体形状，这有助于他们科学地理解昼夜现象的概念。

表1 . 学生选择题人数分布及其作图题得分统计

然而，在对各选项学生的画图分析中发现，学生选择的地球形状与他们所画的并不一致。例如，选择“平面地球”的129名学生中，除了少数未作答的学生（n=8，占选择此项的人数比为6.20%）之外，在画地球的时候也将地球轮廓全部画成了圆形（n=121，占比93.80%），而并非他们在前面选择题中所选的“地球是个平面”。因此，虽然这组学生选择的文字选项科学层级最低，但他们在画图题上的得分却不是最低的。这进一步佐证了初一新生基本已经消除了对地球形状的错误理解，普遍接受了地球的“球体”概念。

基于学生对地球形状的这种理解水平，似乎他们已经可以顺利理解昼夜现象这个概念了，但实际情况远非如此。表2显示，虽然绝大多数学生能用圆形表示地球的侧视形状（层级2-4），但能正确画出太阳光照射下的圆形地球昼夜现象侧视图的却不到总人数的一半（47.17%）。这表明，除了地球形状之外，还存在其他因素干扰着学生对昼夜现象的理解，使学生产生了若干前概念。

表2 . 学生对昼夜现象不同理解水平的分布情况

通过对学生错误作答的分层抽样查阅，我们发现，初一新生至少存在以下三种关于昼夜现象的典型前概念。按照它们基于科学事实的由少到多，排列如下。

前概念1：双地球模型。地球像一个放在面前的球形障碍物，挡住了太阳光，生活在影子中的人就进入了黑夜。

前概念2：浮球模型。地球像个漂浮在水中的球，露出水面的一半是白天，底下一半是黑夜。

反观《红楼梦》大观园里那一群“小善微才”的“异样女子”们，她们的关系甚至可以用“亲密无间”来形容了。从本质上分析，大观园里的女人们没有根本的利益关系方面的冲突，最尖锐的矛盾是妻妾之间的争风吃醋，这也没有发展到你死我活的斗争程度，最多算是一种争强好胜掐尖要强。例如王夫人和赵姨娘的矛盾，王熙凤和尤二姐的矛盾，夏金桂和香莲的矛盾，等等。

前概念3：手电筒模型。太阳像一把手电筒照向地球，被光线照得到的光圈中为白天，其余部分为黑夜。

（一）前概念1：双地球模型

该前概念的名称源于弗斯尼亚多与布鲁尔（Vosniadou&Brewer,1992）对学生关于地球的心智模型的命名。他们发现学生为了理解“地球是圆的”这个概念，而将日常生活经验与其整合，建构出“两个地球”（Dual Earth）的前概念：天上有个圆的地球，人们住在平面地球上［5］，或者另有一些人也能住在圆的地球上。［6］我们发现，这种前概念也影响了学生对昼夜现象的认知。学生将地球画作一个平面上的球（无论他们有没有画出这个平面），太阳光直射过来，在平面上留下了一个圆形的阴影，生活在平面上阴影中的人们就进入了黑夜（见表3）。

表3 . 学生关于昼夜现象的双地球模型

持这个前概念的学生意识到了地球作为不透明球体的存在，画出了阴影，但这个阴影却是投影到一个假想的平面中去的，而且常常忽略地球本身背阳面的阴影，也忽略了所给阳光射入的角度，典型作答如表3中的样例。该样例中的假想投影面是紧挨着地球的，地球表现得像是在某个平面上摆放的静物，这反映出了学生头脑中存在着一个平面的“地球”，而画出的圆则是机械地接受“球体地球”这个表述的产物。该模型中的平面也有可能与地球不相连，如表3中的变式，受到图中左侧太阳光照射的地球在右侧的一个未知平面上投下了圆形阴影。

（二）前概念2：浮球模型

浮球模型在学生的作答中，表现为只有一个地球出现，没有其他变式，所有样例都是将阴影部分涂在了下半圆上（有的并未占到一半），上半圆留白，表示白天（见表4）。这种前概念内在的心智模型是将地球作为一个漂浮物，重力向下而非向内，上面的一半出露在太阳光下，下面的一半处于黑暗之中。图中右侧已经给出的太阳光线方向完全被忽略了。

表4 . 学生关于地球形状与昼夜现象的浮球模型

与双地球模型相比，浮球模型在外形上摆脱了对平面地球概念的依赖，但却将地球分为上下两部分，机械地理解了白天和黑夜的划分。其白天与黑夜的交界线类似地平线，这样该模型还可以将地球的自转导致日出日落这个概念纳入其中，反而形成更为牢固的错误理解。

（三）前概念3：手电筒模型

在手电筒模型中，学生认为太阳光线像一把手电筒扫射到地球上，从而产生了昼夜现象，其典型特点是认为太阳照到的白昼面积不足一个半球。在画图题中表现出来的样例是有两个平行的晨昏线，地球中间部分被右侧太阳光线照射到成为白天，而没有被画出光线的球体两端则成为黑夜（见表5）。其变式主要有两类：一是地球两端的晨昏线从平行改为收敛，离光线越远，光明面积越小，如表5中的变式；二是白昼部分从条带状变形为光圈，这个光圈仍然小于一个半球，因此侧视图的晨昏线画成了曲线而非直线，如表6中的三种变式，分别从正面、斜侧和侧面三个视角展现了这种认知模型。

表5 . 学生关于地球形状与昼夜现象的手电筒模型

表6 . 三种方位视角下的手电筒模型变式

尽管该模型看起来与科学概念差别很大，比如晨昏线出现了两条，但却是这三个前概念中基于科学事实最多的。它避免了双地球模型的错误，也比浮球模型更灵活地考虑到了太阳光线的入射角度，还避免了二者所犯的对地球重力的错误理解。表6中三个变式的错误画法更多地需要侧视图画法上的指导，并让学生知道图中右侧所给的太阳光线只是一个示意，而不代表全部的光线。

五、结论与讨论

（一）昼夜现象前概念的成因

基于前文结果，我们发现学生关于昼夜现象的三个前概念是建立在一个或多个对基础概念的错误理解之上的：双地球模型和浮球模型可能源于学生对地球的形状、重力方向和太阳光线的错误理解，而手电筒模型则可能源于对太阳大小和光线的错误理解（图1）。

图1 昼夜现象三个前概念的成因概念图

对这些基础概念的误解通常是由于日常生活体验与科学概念的差异较大［1］［17］，使该年龄段的学生难以理解。加上所学知识有限，相关的前提知识准备不足［18］，因此形成了前概念，这是学习的一个必经阶段。［6］它们常常会导致学生构建出非科学的心智模型，并影响到未来学习中对新概念的建构。

（二）对地理教学的启示

1.识别前概念，科学确定教学难点

识别学生在地球科学中常见的前概念，能帮助教师确定和改正未来的学习障碍，有望显著改进教学。［2］通过对学生前概念的研究，可以更好地了解学生的已有经验和知识建构的特点，从而为教师确定教学难点提供依据。在此基础上，教师可以通过自下而上的教学方法来促进学生的学习，而不是机械地按照课程标准“自下而上”地进行教学。［18］根据研究经验，对前概念的识别可以通过提问或画图的方法。画图法能防止学生作答出现“学大人说话”的情况，便于展示他们对概念的真实认知。［14］“不愤不启，不悱不发”，启发式提问是帮助学生反思心智模型和转变前概念的有效方法。［2］［19］例如，要转变学生关于昼夜现象的三个前概念模型，就可以按照图1提问学生“地球的重力是向下还是向内部”，并在他们转变概念之前进行追问。

2.课堂上铺垫关于昼夜现象的背景知识

一些被成年人视作常识的背景知识，如地球的形状、重力方向、太阳与地球的相对大小、光的直线传播等，却是为初一新生所缺乏或者没有真正理解的。在单一情境中，他们也许能说出单个问题的答案，比如在选择题中能正确选择地球的形状，在直接提问中知道太阳比地球更大，但在更复杂或间接的昼夜现象情境中，却未能将这些知识与新情境整合。本文展示的学生关于昼夜现象的三个常见前概念，其形成均与他们对背景知识的错误建构有关。因此，在学习这部分内容时，适当铺垫相关背景知识，有助于学生将其整合到新概念的建构中去，实现有意义学习。

3.谨慎选择地理教学用图

在正式的地理教学环境中，教师所使用的图像和文本均有可能导致学生形成错误的概念理解。［12］［18］［20］特别是地理教科书中的图像，表征着重要的概念［21］，但同时这些图像也是学生前概念的主要来源之一。［1］［14］［17］以本文为例，表6中后两种变式所展示的学生画法，显然是受到了某些立体地球图片的影响，尤其是常见（甚至在教科书中出现）一些图片对太阳光采用的是以黄道面上某点为视角的标准侧视投影画法，但对地球和晨昏线却采用了以黄道面北侧上空某处为视角的立体画法。这种画法应该说是不够科学的，虽然在具有空间想象能力的成年人看来并无误解之虞，但对于初一新生（多为12岁）来说，他们正处于从形象思维向抽象逻辑思维过渡的阶段［22］（P218），还没有足够的理解能力来同化这种误差。［18］因此，这种画法容易给他们带来困扰，导致在不理解的情况下机械模仿，如过度弯曲晨昏线（表6的侧面视角变式），并将这种错误构建到个体的心智模型之中。

需要说明的是，此处所讨论的是教科书整体的问题，而非具体某一版本，正如本文描述的前概念反映的是样本整体而非具体某个学生一样。［14］此外，教师在媒体、互联网等资源中搜索教学图片时，也需要谨慎选择，避免在地理课堂上给学生带来不必要的困惑。

（三）进一步研究展望

前概念研究是国际科学教育研究领域的一个长期热点，探讨了大量的物理、化学和生物学科的概念主题。地理学科中的地球科学知识也是科学教育领域不可或缺的一部分，相关研究虽然所占比重较少，但有着悠久的研究历史，很多早期的概念转变主题都与地球科学有关，而且至今仍然非常活跃。因此，从上世纪70年代以来，也已积累了众多成果。这些研究涉及多个不同层级的地球科学概念，包括地球形状、地球圈层、昼夜更替、四季变化、风化与侵蚀、水循环（水文系统）、流域、河流、地下水、温室效应、全球变暖与气候变化、风、热带雨林、冰川、沙漠化等。然而，当前我国地理教育研究领域对该主题的探讨还非常有限，有不少概念尚未被涉及。鉴于前概念研究对有效教学的指导意义，在未来的工作中，应调查学生对更多不同层级概念的理解情况。同时，还可以运用访谈与画图结合、多项目同步信度等三角测量方法，对学生出错的原因做进一步的研究。同时，前概念通常被认为是杂糅的而不是单一的错误概念，是儿童接触科学信息时将其与初始的带有直觉与天真想象的信念联系起来的尝试。［12］因此，这种概念通常是暂时的和可塑的。基于这种理念，需要开展进一步的概念转变研究。

致谢

本文全体作者向参与本研究的所有答卷学生与阅卷教师致以真诚的谢意。本研究基于由北京师范大学与北京市房山区教育委员会合作开展的“大数据助力房山区教育质量改进”项目。