科学前概念的多维度调查与对策分析——以“水珠从哪里来”一课为例

陈丹纯

(深圳市福田区实验教育集团梅园小学 广东 深圳 518049)

1 研究方法

如图1所示，编制3段式问卷，第一段通过选择题调查学生是否见过这个情景，第二段通过开放式问题了解学生对“水珠从哪里来”的初始想法，以图文形式表达出来，将思维过程可视化，容易发现学生的问题所在[1].第三段写出具体理由，更进一步了解学生的想法.

图1 “水珠从哪里来”三段式调查问卷

调查内容包含3个情景[2].

情景一：装冰的杯子外壁出现水珠；

情景二：寒冷冬天，室内玻璃窗户上出现水珠；

情景三：从冰箱拿出的水果，过一会表面上出现水珠.

通过调查，我们总共收集有效问卷224份，并把学生的科学前概念分为4个维度进行统计[3]，详见表1.

表1 “水珠从哪里来”统计结果(表中数据为百分比%)

正确前概念：学生头脑中已经存在的具有一定合理性的知识和经验，比如，学生知道水珠是从空气里来的，在冷热碰撞后形成的.

迷失前概念：学生对问题的认识是模糊不清、含混的，比如学生只提到冷热，没能说出水珠由来，混淆水珠和水蒸气.

错误前概念：学生头脑中存在的不科学的知识和经验，比如学生认为水珠是冰融化后的水或冰蒸发出的水蒸气.

空无前概念：学生出现认知上的空洞，想到无关事物或完全没有想法.

2 结果分析

这3个情景中，绝大多数学生见过情景一，他们在前面的学习中刚做过水结冰、冰融化的实验.有26.3%的学生没见过“室内玻璃窗户上的水珠”，比例最大，说明他们在日常生活中较少留意观察.我们利用SPSS软件对调查数据做皮尔逊相关性分析，结果显示情景一与情景三在 0.01 水平上显著相关，如表2所示.

表2 相关性分析结果 (表中数据为百分比%)

学生是否见过科学情景(简称熟悉度)与正确前概念、迷失前概念、错误前概念及空无前概念之间均无显著相关性，各情景中学生的迷失前概念与错误前概念在0.05水平上显著相关，如表3所示.这表明学生对情景一与情景三的认知具有共通性，学生是否见过科学情景与学生的前概念情况并无关联，迷失概念与错误概念之间存在一定的关联.

表3 相关性分析结果(表中数据为百分比%)

2.1 正确前概念

学生的观点有助于科学概念的建构，但几乎没有学生能准确说出“凝结”一词，他们采用的词汇是“变成”“形成”“产生”“化成”“凝固”等.看来，学生的生活用语中没有 “凝结”一词.综合对比这3个情景，情景二虽然是最多的学生没见过，但正确前概念的比例反而是三者之中最高的，约占22.9%.他们能与生活中“起雾”的现象做类比.原因在于这个情景涉及的因素单一，没有“冰”这一明显因素的干扰，学生才会往其他方面思考，由此想到周围空气.调查显示，只有个别学生能提及空气中的水蒸气，他们多是通过询问家长或网络搜索得知.难道学生原有的知识经验中没有“水蒸气”这个概念？为此，我们利用图2的问卷进一步调查学生对“水到哪里去了”这一问题的科学前概念.

图2 “水到哪里去了”三段式调查问卷

表4 “水到哪里去了”统计结果 (表中数据为百分比%)

2.2 迷失前概念

每个情景中，都有近20%的学生提及“冷热结合”.因为学生在生活中有许多类似的经验，比如，冬天呵气、热水冷却、打开冰箱等都会伴随水珠的形成.有些学生给出的理由是冰吸热会融化、水吸热会蒸发.这个想法与水蒸气遇冷凝结成水珠的物理过程是背道而驰的，阻碍着学生新概念的形成.有个别学生还提到“热胀冷缩”，这个观点很有意思，学生朴素的思维背后蕴含着深刻的物理原理：水受热，分子热运动加快、分子间距离增大，“膨胀”成水蒸气；水蒸气遇冷，分子热运动减慢、分子间距离减小，“收缩”成水珠.

情景二中，有22.5%的学生联想到空气中的水分或水蒸气，从学生的画图和描述来看，他们大都出现了概念混淆，要么认为水珠直接来源于空气中的水，要么把水蒸气当作水珠，认为自然界中的水可以变成水蒸气附着在窗户上.

2.3 错误前概念

情景一与情景三中，接近一半的学生存在错误前概念，远高出情景二.他们认为水珠是冰蒸发出来的水汽，或是冰受热融化后形成的水.再者，学生口中的“水汽”指的还是水珠，比如，有的学生这样描述：“冰蒸发后出现的水雾(水珠)”，还有的把画出的“小水珠”标注为“水汽(水蒸气)”“液化后的小水珠”.可见，导致学生在分析问题时，倾向于选择直观明了的现象进行解释，甚至会努力寻找各种看得见的联系，来建立自圆其说的解释体系，如“冰”“雪”“雨”“水汽”等.情景二中，虽然冬天室内玻璃与冰无直接联系，但仍有16.1%的学生认为水珠是雪融化而来的.不管是哪个情景，很少有学生能想到空气中看不见的“水蒸气”，也正因为水蒸气看不见，他们才很难意识到水蒸气变成水珠的“液化”过程.

2.4 空无前概念

情景三中，出现空无前概念的学生占18.7%的比例，约为情景一和二的2倍.原因可能是21%的学生没有见过这个现象，且没有相似的生活经历.实际教学中，很多学生即使能够解释“装冰的杯子外壁上出现水珠”的原因，依然无法正确解释“从冰箱拿出的东西外壁出现水珠”的原因.这说明“凝结”这一科学概念抽象难懂，即使是相似的情景，学生也难以进行迁移应用.

3 教学对策

3.1 注意科学词汇的正确理解 转变迷失概念

调查显示，受生活俗语的影响，很多学生错误地将“小水珠”当作“水蒸气”，比如将冰块附近出现的“白汽”叫做“水蒸气”，认为“云”是水蒸气的一种形式.这是造成学生迷失前概念和错误前概念的主要原因之一.因此，如果没有先更新学生关于水蒸气的知识结构，在执教“水珠从哪里来”时就会遇到诸多困难.而原有教材中，“水和水蒸气”一课却编排在“水珠从哪里来”之后，显然是不合理的.在教学中，我们需要先转化学生的迷失概念，把通俗用语水汽(水蒸气)转化为严谨的科学词汇“水蒸气”，即肉眼看不见的水的气态形式，书写时应注意“气”字不带三点水.带三点水的“白汽”或“水汽”一般指的是肉眼看得见的小水珠，是水的液态形式.教师也可以借助韦恩图让学生比较 “小水珠”与“水蒸气”的相同点与不同点，促进学生对科学概念的正确理解.与水的三态变化有关的科学词汇繁难易混，包括蒸发、沸腾、凝固、凝结、融化等，我们可结合文字释义帮助学生规范使用科学词汇.

3.2 反证法挑战错误前概念 逆向思维法建构新概念

针对学生的错误前概念，可以通过反证法引发学生的认知冲突，否定学生的原有观点.情景一中，挑战前概念“冰蒸发后形成的水汽”，可以先让学生摸一摸杯壁内侧有无水珠，由此提出问题：为什么水珠不在内侧而是在外侧呢？接着进行验证性实验，把杯子加上密封盖，过一会儿看外壁是否产生水珠；挑战前概念“冰融化后的水渗出”，可以在冰块中滴入红墨水，过一会儿看外壁的水珠是否呈现红色. 情景二中，可以把玻璃片放入冰箱冷藏，实验前从冰箱拿出，让学生用纸巾擦干后观察现象；同理，情景三也可以采用类似的方法.接下来就是建构“凝结”概念了，由于学生对水受热蒸发的现象较为熟悉，因此,我们可以采用逆向思维法，通过解释热水上方出现白汽的原因，认识水的形态可以相互转换，化“阻碍”为“疏通”，让学生充分理解凝结的过程.

3.3 解释生活中小水珠的来源 深化科学概念

在教学中提供足够的信息来丰富学生的科学概念，使学生能够解释大自然和生活中各种小水珠的由来，做到触类旁通、迁移应用，促使学生单一孤立的科学概念变得更为体系化，而不仅是解释书本上的问题“杯子外壁的水珠从哪里来”.