基于学生前概念的小学科学实验设计优化研究

柯巧敏

摘要：在小学科学课堂中，我们时常发现教师设计的实验不能有效的同化学生的前概念。究其原因，是因为在设计实验前，教师没有考虑到学生获取的前概念有的零散片面、有的抽象易错、还有的学生已有知识基础不同。因此教师要根据学生获取的前概念是否完整、难易的程度;不同年级，不同班级的基础知识差异。采用设计体验活动、优化模拟实验、利用图形建模、改变实验设计难度等方式优化实验设计，达到探究目的。

关键词：前概念;认知变化;优化;实验设计

曾听过一位教师执教《空气的热胀冷缩》，当时这位教师在教学中先出示一个带盖的锥形瓶，然后在锥形瓶中放热水，瓶盖被顶开，引发学生思维，导入课题。然后教师就直接要求学生设计一个能证明空气热胀冷缩的实验方案。结果学生的设计五花八门，有的学生提出气球充满气，加热，气球会上升，降温，气球下降;有的说把气球放在热水中观察，再放在冷水中;有的说在有盖子的瓶中装上热水、冷水，看盖子会不会动。对于学生的设计，教师也没引导，直接出示一些材料，再让学生根据材料设计实验。结果效果并不尽人意，学生的设计依旧很粗糙，甚至偏离方向，与独立设计没有太大的区别。

仔细分析，发现产生这些问题的原因有：

（1）教师在设计实验时没有考虑学生的前概念。该班级的学生还没学过液体的热胀冷缩，对于空气的热胀冷缩更不知道。学生没有热胀冷缩的概念，也没有这方面实验设计的经验，无法借鉴，导致实验设计无效。

（2）空气的热胀冷缩比较抽象，学生对气体受热为什么会膨胀并不清楚。

（3）教师却对学生的能力预计不足。教师上课的班级科学基础并不好，因此教师让学生设计实验时应降低难度。

（4）教师没有对学生的设计进行引导。材料出示虽然降低了学生实验设计的难度，但却与前一个环节脱节，学生的认知与教师的设计完全无关。

以上种种问题的产生，主要是教师没有充分考虑学生的前概念。因此，基于学生前概念优化小学科学实验是非常有必要的。

1 基于零散片面的前概念，优化实验设计

1.1 以学生片面的知识为基点，设计体验活动

在科学教学中，我们有时会发现学生的前概念是片面且根深蒂固的，而这些前概念的获取往往来自生活中的某些体验。

如教学《杠杆的科学》，学生普遍都认为杠杆是省力，比如剪刀剪东西、撬棍撬东西都比较省力。而像筷子夹东西，虽然每天都在体验，但由于前概念的影响，学生都会下意识的认为也是省力的。那么要改变学生的前概念，我们如果直接采用杠杆进行实验，虽然也能发现杠杆费力和不省力也不费力的情况，但往往许多学生依旧不会解析为什么筷子要费力的。因此，在实验设计前我们可以再设计一个体验活动，比如用二种不同的火鉗，一种支点离阻力点近点，一种支点离阻力点远点。然后让学生体验用这两种火钳夹石头，学生通过体验会发现支点离阻力点近点，虽然用的力少了，但却不容易夹取东西，而支点离阻力点远点时虽然所用的力多点，但却很容易把石头夹起来。从而改变学生认为杠杆都是省力的初步影响。然后教师再设计杠杆实验，学生比较容易的发现杠杆是否省力是与三个点的位置有关;生活中有许多杠杆虽然是费力的，却可以让我们做事情比较方便，从而建立新的知识体系。

1.2 以学生零散的知识为基点，设计有层次的实验

学生前概念的获得往往来源于生活体验，因此这些知识的获得很多时候是零散的，不全面的。教师只有充分的了解学生的前概念，才能有计划、针对性设计实验，通过实验探究，将学生已有的知识整合、系统化。

教学《衣服能产生热量吗》一课，通过提问的形式调查发现：学生都知道多穿衣服会热，但是为什么会热却并不是很清楚。深入调查还会发现：有的学生认为衣服能生热;有的认为衣服不会生热;也有的认为衣服可以保温。那么如何将这些零散的前概念转化为完整的、系统的知识体系呢？教师的实验设计要根据学生已有的认知，顺势引导。比如衣服本身能否生热这个前概念，教师可以让学生直接测量衣服的温度，解决衣服本身是不会生热的问题。但衣服什么作用？有些学生已经意识到衣服可以保温，但怎样保温却不清楚。因此我们可以利用热水来模拟人体，先测量热水在自然状态下的温度变化。再测量用衣服包裹着的水温变化。在实验中学生通过比较三组数据，会比较直观的发现，衣服本身是不会生热的，它可以减缓温度下降的速度，起到保温的作用，而且衣服穿得越多保温效果越好。

教师在设计实验时顺应学生认知的变化，使学生更快的接受新知，润雨无声中构建了系统的科学概念，达到探究的效果。

2 基于抽象易错的前概念，优化实验设计

2.1 利用模拟实验优化

宇宙对于学生来说是神秘的、不可触摸的，学生无法直观的认识、体会，只能从生活中如电视、电脑、杂志中获取一些片面的、零散的信息，因此为了让学生亲身体验、直观感受宇宙知识的奥秘，我们往往采用模拟实验的方式进行，让学生形象、直观认识宇宙，了解相关知识。

教学《昼夜交替现象》一课时，通过让学生画图的形式，我们就能了解学生对昼夜交替现象产生原因的前概念。我们会发现学生的想法很多，对于太阳、地球的运动方向却是模糊的。这就需要模拟实验，一般情况下教师都会利用小灯泡模拟太阳，乒乓球模拟地球。而在实验前往往会针对学生可能存在的问题进行讨论，比如“太阳不动，地球绕着太阳运动”的模拟实验，讨论地球是怎么绕？地球朝哪个方向运动？但实际上学生在活动中，依旧会出现一边绕一边自转或有的顺时针转动、有的逆时针转动。而产生这些问题的原因是因为学生没有亲身体验。我们可以在实验前再设计一个模拟活动，让一位学生当太阳，一位当地球，然后模拟地球分别按顺时针方向和逆时针方向绕太阳运动，学生会发现当地球逆时针运动时会看到太阳的东升西落。地球绕太阳运动时，只有地球上的人始终朝一个方向才不会出现地球绕太阳公转并自转的现象。通过亲身模拟实验，学生在利用器材进行模拟实验时就不会出现这些问题，教师也不需要着重强调了，实验的效果也会更好。

对于小学阶段的学生来说，抽象的、不可触摸的知识是难以理解的，而对于一些能够直接观察的实验现象，学生会更容易接受、理解。因此在教学中，教师要根据实际情况，采用各种模拟的方法，让学生亲自体验活动比说教更容易改变学生的前概念。

2.2 利用图形建模

在教学中，我们很容易被教材的内容迷惑，觉得教材的内容总是对的，但我们仔细留心就会发现教材中的一些实验设计并不是很科学，甚至会阻碍我们建立正确的知识体系。因此我们要根据实际情况，利用学生已知的知识结构，转变思路，设计针对性的实验，突破难关，这也是科学素养培养的一个必不可少的内容——实证意识。

比如《太阳系》一课，学生对于太阳系的认知都是来源于电视、电脑或资料，大都数学生知道金星、水星、木星、土星， 但地球是属于八大行星之一却并不清楚，还有学生对八大行星的认识是不全面的，也没有关于行星间的距离和大小的知识。在教学中，我们一般都会采用实物建模。先缩小大小，再缩小距离，然而距离与大小缩小的比例必然不会相同，不然我们无法在课堂内完成，而这样必然会给学生造成错误的印象：行星间的距离和大小相差不大，且太阳系看上去也不大，从而阻碍了学生对整个宇宙的认识。基于传统模式对学生认知的影响，一位郑姓老师没有采取传统的实物建模，而是进行画图建模，先让学生画出脑中的行星排列图，这个环节能比较清晰的了解学生对八大行星排列前概念。从而激发学生对八大行星正确排列循序的兴趣，在学生有强烈的求知欲中，教师出示科学学家们的发现，再让学生再次排列，这样的教学安排水到渠成。然而教学并没有到此结束，郑老师又提出：“你们认为这些模型科学了吗？接近真实的太阳系吗？”’学生想到行星间的距离和大小可能不同，从而引出第三次距离建模，学生在建模中认识到前面四颗行星距离太阳较近，而后面四颗离太阳很远等科学知识。大小建模中通过与距离的数据比较，学生发现按同样的比例缩小，行星小到连肉眼都看不出来，根本无法在纸上画出。从而学生意识到行星间的距离相距非常远，课本中的行星图片是有问题的。

教师没有被传统的教学形式限制，而是利用画图的形式建模，学生通过获得的知识一次次的修改自己的模型，建立了正确的模型，这种具有梯度的实验设计方式顺应学生认知变化过程，容易被学生接受的才能达到意想不到的效果。

3 基于学生已有的知识基础，优化实验设计

3.1 根据不同年级，改变实验设计的难度

目前的小学科学的教学对象主要针对三-六年级学生，不同年级的学生的思维方式、认知水平、求知欲、接受能力等都存在差异。三年级学生以形象思维为主，有一定的抽象思维，爱表现，科学知识比较薄弱，处于刚起步阶段。四年级的学生实验设计有所涉及，抽象思维能力相对还较弱，五年级学生能进行自主学习，有一定的实验基础，能独立设计对比实验。六年级的学生抽象思维能力已经比较好了，在前面几年的科学学习中，已经能独立设计比较复杂、抽象实验。而我们的教师除了日常的常规教学以外，还经常参加各种教学比赛，比如优质课、教坛新秀、研修活动等等，很多时候，我们所选的课不一定会在相应的年段执教，因此同样的课在不同年级教学时，更要考虑学生已有的知识层面和年龄特点。

《光和影》是五年级第二单元的课，对于五年级学生来说，经过一段时间的对比实验的设计，对于如何设计对比实验有一定的基础，因此让他们直接进行实验设计的难度相对来说不是非常的大，学生基本上能很好的设计出，但对于四年级的学生来说，他们是第一次接触对比实验，要想学生通过一个、两个的实验设计就能掌握对比实验设计的要领可能还有点困难。通过调查发现四年级大多数学生对于什么条件保持不变、什么条件改变描述的比较模糊，甚至不知道怎么写，只有个别小组能够写出，大多学生只关注光源、遮挡物，而很少关注到三者之间的距离变化。四年级的学生无论是实验设计能力还是抽象思维能力相对较薄弱，基于学生已有的认知，教师在教学时可以先提供自制材料，变验证型实验为探究性实验，让学生先制造影子，发现影子特点再设计对比实验。学生对于具体的事物往往比较感兴趣，在探究中更容易发现问题，从而解决问题，并且记忆会更加深刻。比如，探究影子的长短、方向变化。在探究中，学生发现只有改变光源的照射角度，其它条件不变，才能制造出形状、大小一样、长短不同的影子。同时也会发现光源与遮挡物的距离是不能变化的，不然影子的大小也发生变化，自然而然的设计了实验，解决了这个实验设计的难点，学生对于对比实验会有一个更深刻的印象。在第一个活动的基础上，让学生先思考：如果让你制造2-3个形状相同，但大小不同的影子，那么在做这个实验是什么条件改变、什么条件不可以改变，再进行探究。

根据学生不同年级的学习特点和基础知识，利用具体可触碰的材料降低实验设计难度，才能使实验探究更加有效。

3.2 根据不同班级，有针对的设计实验

在同样一个年段的不同班级，我们也会发现有的班级教师开展实验探究、有的班级教师只是讲解一下实验方法，学生并没有进行探究活动;有的班级学生学习气氛较好，学生涉猎的课外知识也较多;有的班级基础知识扎实、有的班级进度较慢等，这些因素都会影响实验设计的有效性。

教学《电和磁》这节课时，发现六4班的学生磁铁的性质、作用等方面的知识比较扎实，因此从奥斯特实验现象发现什么？这个问题学生比较容易理解，而另一个班的学生却非常茫然。原来这班的学生根本没有学过磁铁的相关知识，所知道的知识也只是从生活中获取的。因此，我们可以让学生体验感受磁铁相互靠近时会有怎样的想象，再导入到奥斯特实验。

又如前面讲到的《空气的热胀冷缩》一课，教师要考虑到学生没有液体热胀冷缩的知识，在设计实验前，进行适当的引导，如：怎样收集空气？用什么模拟高温？用什么模拟低温？通过什么变化来判断空气发生热胀冷缩？通过这些问题的设计，层层推进，在学生头脑中逐步形成空气热胀冷缩实验的雏形。

教師在教学中，要随时根据学生的实际情况，相应的调整教学思路，增加或减少探究实验，以达到最佳的教学效果。

总之，教师要基于学生前概念，采用不同的方式优化探究实验，从而建立合理、有效的概念体系，实现知识的同化。

参考文献：

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（作者单位：浙江省宁波市奉化岳林中心小学）