科学教学原则之关注学生的科学前概念

高潇怡　黄真

2017年教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准》中明确提出让科学课程发挥深化学生对科学概念的理解^[1]。可见，儿童科学概念的发展是科学素养发展的客观要求，也是科学教育的重要内容。然而，在实际科学教育中儿童的科学概念形成充满挑战。教师教了但学生没有学会的现象，在科学课堂上经常发生。毕竟，影响学习者学习的最重要因素就是学习者已经知道的（奥苏贝尔，1968）。当学生进入学校前他们已经形成了关于周围世界许多方面的“直觉概念”，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，比如学生普遍认为物体运动的方向与力所施加的方向一致;低年级小学生会认为地球是平的。学生这些直觉概念是他们对这个世界如何运转形成的自己的解释。这些直觉概念被称为科学前概念，它们虽然不一定正确，但是因为是基于学生自己的日常生活经验的，所以具有一定的合理性。

为什么要关注科学前概念

建構主义的学习观认为，学习不是简单机械地进行信息积累和概念叠加，而是学习者在自身已有认知结构基础上，主动选择或注意环境中的信息，并与之相互作用，最终引发认知结构重组的过程。学习者的学习与其丰富的经验世界有联系，学习者在接受正规的教育之前，对科学现象和科学过程早已形成一些自己的想法和观点。科学是一门建立在前期知识经验上的学科，学生所学到的概念将会成为后期概念学习的基础，小学阶段科学教育对学生科学知识体系的建立起基础性作用（France，1986）^[2]。但是如果在开始学习基础概念时学生的概念没有得到正确的引导，将严重影响学生后期概念的学习。如果科学教师和课程设计者知道学生关于科学概念中会存在的前概念，那么就会有助于产生高效的教学计划（O-saki，1990）^[3]。事实上，国际科学教育研究中已经将“关注学生科学前概念”作为科学课堂有效教学的重要原则之一（Donovan等，2011）^[4]。总之，关注学生的科学前概念对于提升科学教学与教育具有重要价值。

儿童的科学前概念有哪些来源

虽然学生的科学前概念是基于个人日常生活经验而产生，但其来源是多样的，归纳起来总共有7个来源。

·来源于感觉印象。学生的科学前概念根植于日常经验。学生在走进科学课堂之前，已经在日常生活中通过对各种自然现象的观察和体验，获得了丰富的关于科学方面的感性认识，积累了很多日常经验。比如在学校，教师告诉学生地球自转。学生要消除对他们来讲是有意义、基于他们自身观察的概念，且用一个直觉上无法接受的概念取代原有概念。

·来源于由语词带来的曲解或错误理解。概念是用一定的语词记载和标志的，借助词语可以对感性材料进行抽象与概括，揭露事物的本质属性和共同特征。但当同一个概念的日常概念与科学概念含义不同时，也导致学生产生一些科学前概念。比如，在夏天盛冰水的容器冒出的水珠，我们有时会说“出汗”。学生听到这种描述也许会把它与人出汗的现象进行联系，从而导致他们认为容器表面潮湿的水来源于容器里面的水而不是来自空气中的水蒸气。

·近似概念混淆，进行不当的类比。某些非常相似的概念，通常需要经过比较才能牢固掌握。概念原型是概念形成的重要途径之一，学习者往往会用类比的方式进行新概念的学习。例如，关于云的本质，有的学生会把云当作一种用来存放水的容器。

·教学阶段性的影响。由于学生接受性的限制，概念教学具有阶段性，即同一个概念要分成几个学龄段进行讲授，概念的内涵逐渐增加，外延不断变化。如中学物理描述物体运动的力、位移、速度等几个物理量，只要求掌握它们的标量，到大学时要用矢量描述，但是学生很容易用旧有的思想思考新的问题。

·教材或教师语言的误导。课本经常不经意间会成为学生前概念的来源。教材内容的顺序、概念关系的介绍、术语的选用、课本中的插图等都有可能引起学生的错误理解。课本中水循环的图表常常表明水在很大的水体（比如海洋）中蒸发。没有水从生物、水池、地面蒸发的箭头可能会让学生对蒸发出现的地方产生误解。教师在使用这些资源教学中不经意的语言和图表使用有可能也会导致学生产生科学前概念。

·错误推理。有时学生看到同一个现象，但是仍然会因为缺乏批判性观察和后续讨论而得出不同的结论。研究中发现有些学生没有批判性地解释实验数据而出现相互矛盾的结论。而且，学生有可能错用他们所拥有的正确信息。

·媒体宣传或其他非科学渠道。现代社会随处可见的网络、报纸、杂志、电视等给学生带来了数量巨大的信息，这些信息在帮助学生拓展视野、增大知识面的同时也成了学生前概念的来源之一。例如，某媒体曾报道“一种名为分析纯的化学试剂”，文中把表示物质纯度的等级术语“分析纯”看作是一种化学物质，并介绍说“分析纯是一种易燃易爆的化学物质”

科学前概念探测的方法有哪些

由于科学前概念具有隐蔽性、顽固性和反复性的特点，往往通过简单的事实性知识测验或单一的方法无法真实且全面检测到学生内隐的科学前概念。国际上探测学生科学前概念比较常用的方法有：二段式诊断法、概念卡通图法、出声思考法、实物操作法、概念图法和访谈法等（ Gurel等，2015）^[5]。其中概念卡通图法在我国的研究和实际教学中应用较少。概念卡通图（如图1）因其直观、简约、趣味和升华的特点往往很容易吸引学生的注意力，激发学生讨论和探究的兴趣。概念卡通图出现之后，英国于1992年启动了“科学教育中的概念卡通” （Concept Cartoons In Science Education）研究计划，对如何将概念卡通运用到科学教学中进行了一系列研究，并将研究成果转化为相关书籍、软件、网站，由此为实际科学课堂概念教学提供支持。

概念的理解有3个层次，分别是符号或文本理解、现象感知、本质认识（石翡，丁邦平，2014）^[6]。学生能够用术语或专业词汇作答，以及对事实性知识的识记，并不代表学生真正理解了该概念，研究方法需要对现象背后的认识进行深层挖掘。探测题目的内容和呈现形式选择会影响到科学前概念的具体内容及探测的程度。因此科学前概念探测的内容应该选择学生熟悉且跟他们相关的刺激材料，提高情境的真实性和相关性，以便让学生愿意投入任务。另一方面，不同的探测方法各有优缺点，比如二段式诊断法诊断效果较准确，但是编制难度较大，且对低年级学生难度较大;出声思考法和访谈法能深入了解学生的理解程度，但是耗时长且数据较难处理;概念图法能展示学习者结构化的知识，但低年级学生使用起来较困难;概念卡通图有助于揭示学习者对现象的深层理解，但对生活化的主题需要一定的专业积累。因此，在选取科学前概念探测方法时，应综合考虑方法本身的特点、探测对象年龄特点、探测内容、探测可操作性等因素。

尽管教师有时认为自己已经尽心尽力在教学生，但是如果教师没有考虑学生的科学前概念并为概念转变而教，那么教师在科学概念教学上只会徒劳无获。因此，科学概念教学必须以儿童已有概念为起点，从而进展到更为科学的概念。概括说来，针对学生科学前概念转变，教师首先要承认学生拥有科学前概念这一事实的合理性。其次，如果没有充分考虑学生具体拥有的科学前概念并为之设计教学的话，那么学生就很难真正掌握新的概念和信息。再者，要为学生敢于暴露其科学前概念提供心理安全环境。最后，需为科学前概念转变提供时间，科学前概念具有顽固性、稳定性和长期性，其转变是一项长期工程。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准，北京师范大学出版社，2017

[2] France Lawrenz. Misconception of physical science concepts among elementarY school teachers. School Science and Mathematics， 1986

[3]O-saki K.M.， W.D.Samiroden. Students Conceptions of Living and Dead. Biology Education， 1990 （24）

[4]多诺万，布兰思福特.学生是如何学习的，课堂中的科学.广西师范大学出版社.2011

[5]Derya Kaltakci Gurel， Ali Eryilmaz， McDermott， Lillian Christie.A Review and Comparison of Diagnostic Instruments to Identify Studentsl Misconceptions in Science. Eurasia Journal of Mathematics Science& Technology Education， 2015 （11）

[6]石翡，丁邦平，科学前概念中西方研究进展追踪——文献计量学视角揭示的中西方差异.比较教育研究，2014（6）