小学生在科学学习中前概念的研究

 
       小学生在学习科学概念之前，他们对这些概念大都有了一定的认识和了解，这种已有的认识和了解即为科学学习中的前概念。前概念在学生的科学学习中扮演着非常重要的角色。新概念的形成建立在它的前概念基础之上。当科学概念和前概念比较一致时，学生就容易理解；反之，他们就会觉得很难。所以在实际的科学教学中，如果教师能够把握住学生的前概念，就会使得教学有的放矢，就能更好地提高教学效果。因此，研究和调查学生的科学前概念是一项非常有意义的工作。目前国外对于学生的前概念研究已有一定的历史和经验，已取得了丰富的成果；而现在我国的一些科学教育工作者也越来越多地开始关注学生的前概念研究。下面是本人及国内外一些专家和教师对于小学生科学前概念一些研究结果。希望这些研究能给教师的教学以及教材的编写带来一定的启示和思考。
一　小学生的科学前概念
调查以下这些科学前概念的方法主要有访谈法和提问法，另外在访谈中有的还用到了绘图和实验操作等手段。研究的对象主要是8－12岁的小学生。
1．对地球的认识
访谈的对象是8－11岁的小学生,他们对于地球的形状和引力问题的认识,大致可以归为以下五种。
（1）我们生活的地球是平的，不是像球体一样圆的。
当访谈者问这些学生地球是什么形状的时候,他们几乎都说地球是球形的,而当访谈者进一步让学生对地球的形状进行解释时,却发现他们并没有真正理解这一事实，在他们思维的深处还是认为地球是平的。以下学生绘制的关于地球形状的解释图正说明了这一点。
 
图片 (a)是一位8岁小学生画的。她认为地球是圆的，就像地面上的路一样弯曲。
图片(b)是一位8岁小学生的解释画。他认为地球是圆，就山顶的形状一样。
图片(c)也是一位8岁小学生的解释画。他认为存在两个地球，一个地球在天上（图上的小圆代表的是天上的地球），它是圆球形的。另一个是我们脚踩的地球，它是扁平的。
图片(d)是一位11岁学生的解释图。他认为地球是圆形的，但是地面是平的，地面的周围是海洋。他还画了一个哥伦布环球航行的路线图。
图片(e)是一位10小学生的解释图。他也认为地球是圆形的，但是地面是平的，地面的周围是海洋。还认为只有通过宇宙飞船才能发现地球是圆的。
（2）地球是圆的，但它上部是空气，下部是地面和水；
在8－11岁的学生中很多人持有这种观点。他们认为地球是球形的，但是它是由两个半球合成的球体。上半个球体充满了空气，下半球体是地面和水。当访谈者让学生进一步解释地球上的日出日落的时候，他们绘出了图(b)，他们认为太阳围绕着地球东升西落，周而复始。
（3）地球是球形的，但是他们不明白地球引力的方向。
对于那些知道地球是一个实体的球的学生，访谈者让他们画出装有水的瓶子放在地球的不同位置会出现的情况。右图是学生绘制的图。图上有两个瓶子其中一个塞有盖子，另一个是敞口的。放在地球上方的瓶子里的水位于底部，而放在地球下方的瓶子的里水会往下流，敞口的瓶子里的水将全部溢出。有相当多学生持有这种观点。这说明有些学生对于地心引力还不了解，还没有真正理解地球是球体的实质。
如果再让学生画在地球上朝同一个开口、不同方向的隧道扔物体的情况，学生会绘制出下图中的错误图。当访谈者问学生的原由时，他们的回答是图(a)中K路线朝下一些，所以物体会落入到K隧道中。
而图(b)的隧道N更竖直一些，所以物体会朝着N路线落下。
（4）地球是球型的，知道地球引力指向球心，但是不明白地球引力的作用情况。
对于那些已经知道地球引力指向的学生，访谈者让他们解释物体穿越地心隧道的情形。以上学生所画的解释图都认为物体能够穿过隧道。这说明了学生不明白地球引力的作用情况。
（5）这种观点与科学的观点一致。
只有极少数的学生画出了以上正确的解释图，但是其中的绝大部分只是一种巧合。所以从总体上看小学生还无法解释有关地球引力的作用效果。
2力与运动
对于力与运动，8－11岁的学生普遍存在以下五种观点：
（1）力与活着的物体的有关，只有具有生命的物体才有力；
（2）物体运动的时候一定有力的作用；
（3）物体运动得速度越快，它所受到的力也就越大；
（4）如果物体不运动了，它就不受力了；
（5）假如一个物体在运动着，那么作用在它上面力的方向与物体的运动方向一致。
持观点（1）的多是一些年龄相对较小的学生。其他四种观点在这些学生中间极其普遍。如上图所示，学生认为物体在下落的过程中会受到向下的力作用，物体下落得越快受到的力就越大；当物体往上运动时会受到向上的力的作用，当物体上升到最高点时它就不受力了。
3．有关人的消化道
当访谈者问：学生食物从口进入以后，它们在人体内所经过的路径如何？学生的回答大致归为下图中的三类：
一个入口，一个出口，如图(a)所示；
两个入口，一个出口，如图 (b)所示；
两个入口，没有出口，如图(c)所示。
4．有关简单电路
访谈者首先让8-11岁的学生用一节电池、两根导线来点亮一个小灯泡。当灯泡亮了以后，让他们解释电路的电流情况。学生一般有以下三种解释：第一种观点如图
(a)所示，学生认为电流从电池的正极出发到达灯泡，于是灯泡就亮了；第二种观点如图
(b)所示，学生认为电流从电池两端出发到达灯泡；第三种观点
如图(c)所示，电流从正极出发，然后经过小灯泡，最后流回负极。第三种观点是科学的。
访谈者给出正确解释后，让学生进一步用串联的方法点亮两个功率不同的小灯泡，然后再问他们在这个串联电路中的电流情况。结果有两种情况：第一种解释是，学生认为更亮的灯泡流过的电流更多，电流从正极出发的时候电流量较大，当它回到负极的时候电流就变少了；第二种解释是，流过两个灯泡的电流一样多，但是电流从正极出发的时候电流量较大，当它回到负极的时候电流就变小了。
 5．有关光的概念
访谈的对象：
10-11岁的学生；地点：在一间明亮的教室里。
问题（1）：光在哪里？
学生：光无处不在；
学生：光在天花板上的灯泡里；
学生：晴天的光更亮一些，主要与天气有关。
问题2：光和影子有什么关系？
学生：影子是一种黑色的光照射形成的；
学生：光照射到物体上，然后物体就会把影子映到墙上；
学生：光照到物体上，把它的前面照亮了，但是却不能穿过这个物体，因此它的后面是黑的阴影；
    学生：如果把一个板子放在灯光下，墙上就会出现影子，是因为灯光被板子挡住，就好像一堵墙，如果把板子拿走，影子就消失了。
问题（3）：光的传播需要时间吗？
学生：需要时间，假如太阳没有了光了，大概地球需要三四个月以后就黑暗了；
学生：灯开了，光就看见了，不过可能需要一点时间，因为电流到达灯泡需要一些时间，而光的传播本身不需要时间。
问题（3）：为什么在太阳光下放大镜能够把纸烧着？
学生：因为放大镜能够聚集光；
学生：通过放大镜以后光就更多了，所以就更热了；
学生：通过放大镜以后，光线没有变多，只是聚集在了一起；
（如果让学生画一张光线通过放大镜的光线图，学生绘出了下图：先是几条光线，经过放大镜以后就变成一条很粗的光线。）
6．有关浮力的概念
对于浮力学生存在以下这些观点：
（1）一块长木头竖着放人水中比横着放人水中时受到的浮力小，因为竖着放底面积小，而横着放底面积大，所以它的浮力就大；
（2）大小一样的实心铁块和空心铁球放在水中时所受到的浮力不同，空心铁球所受的浮力大，因为空心球里有空气；
（3）物体浸没得越深，它所受到的浮力就越大，因为往水中按物体时越深越费力；
（4）沉没于盛水容器底部的物体不受浮力，因为它漂浮不起来；
（5）同样大小的铁块和木块完全浸没于水中，木块所受的浮力大，因为一松手木块就能漂起来；
（6）不施加外力，铁块不能漂浮于任何液体上，因为铁太重要。
以上观点是通过让学生进行有关浮力的实验所发现的。学生的这些原有经验很多都是非科学的。所以他们很难理解阿基米德定律，也很难相信铁块会漂浮于水银面上。因为在他们日常生活中所观察到的浮力现象和形成的已有认识阻碍了他们的理解。
7．有关水的蒸发
研究的对象是60名小学二年级的学生（这些学生生活在农村，他们几乎没有接触过蒸发的知识。）
问题（1）：把装满水的玻璃杯放在窗户的阳台上，过几天后杯子里的水会发生什么变化？
学生：水不会发生变化（持这种观点的较多）；
学生：水可能会变少，如果要问他们水变少的原因时，可能是小动物或人把它喝了；
学生：水变少，因为水跑到空气里了（极少数学生这样认为）；
学生：水会变多（但是他们给不出理由）。
问题（2）：用湿粉板擦擦黑板，黑板上留下一道水痕，但不久以后水痕就消失了，那么这些水究竟都到那里去了？
学生：水转进了黑板里，被黑板吸收了。
问题（3）：衣服晾在屋子里和晾在外面阳光下，哪个干得更快？
学生：在阳光下干得快些。
（几乎所有的学生都自己在阳光下干的快些。如果要他们进行解释，他们说因为外面热一些，很少有人说温度加快了水蒸发的速度。）
问题（4）：一滴水在电风扇下吹是不是干得更快些？
学生：在电风扇下水干得更快些。
几乎所有的学生都回答在电风扇下水干得更快些，但他们却说不出原因。）
问题（5）：把水倒在桌子上和放在细长的小杯子里，哪个里水干得更快？
学生：一样快；
学生：倒到桌子上水干得更快。（但是他们却说不出原因。）
8．关于溶解与结晶
研究对象是46名四年级的农村学生（他们没有学习过溶解的知识）。在访谈前准备了一小盆水、几袋食盐、锅和燃具，然后问学生以下问题。
问题（1）：这些水能溶解多少盐？
学生：能把全部的盐溶解。
（几乎所有的学生都说能把所有的盐都能溶解掉。于是访谈者让学生把盐溶解到水中，结果发现水只能溶解掉一定的盐。看到这个现象，学生感到很惊讶，他们使劲地搅拌和捣碎食盐，认为通过这种方法能把更多的盐溶解掉。可结果盐还是不溶解。于是访谈者再问他们第二个问题。）
问题（2）：你知道盐是如何溶解于水的吗？请猜想一下！
学生：盐溶于水就像冰雪的融化一样，融化成水后就溶解了。
问题（3）：把盐水蒸干后，盐会不会析出来？
学生：盐不会析出。
（几乎所有的学生都说盐不会析出来。他们认为盐会随着水的蒸发而消失到空气当中。于是访谈者把盐水倒入锅里加热，直到把所有的水都蒸发完，结果析出了食盐的晶体。对此学生感到很惊讶，认为不可思议。）
8．生命体死亡后会怎样？
这是美国教育心理学家古德先生在上世纪80年代所做的一项调查，他想了解学生对生命现象的解释情况。学生的回答有：　　
KEITH（8岁）：有一些会被埋掉，或是被白蚁吃掉。
PAT（8岁）：到地底下去了，会分解。
CECI（6岁）：一个东西死了以后，它就再也不会回来了。
KENNTH（6岁）：不知道。上天堂……但不是所有的东西都这样。人会上天堂，但有些人不上……有些下地狱了。我想应该有一个昆虫的天堂。
SANDY（8岁）：死了的东西会发臭，所以你得把它埋了，然后它就会变成灰尘。
DARRELL（8岁）：死了的东西会枯萎或被蜘蛛吃掉。
KIM（8岁）：可能会被吃掉，也可能被埋掉。有时动物死后会进一个专门的山洞。我看过一部电影上说所有的大象死后会去一个专门的地方。
CYNTHIA（8岁）：有时就躺在地上，有时被埋在地底下。
ALEX（9岁）：会慢慢分解，然后被蚂蚁和别的动物吃掉。
二　小学生科学前概念的特点
以上列出了小学生的一些科学前概念，虽然研究的对象有和所用的方法不同，但是从中我们不难看出小学生前概念的一些特点。
1．小学生的前概念中感性的成分很多
学生的前概念往往来自于自己的生活经验，只是凭借感官对现象进行一些直观的解释，这些解释往往停留在感性认识的水平上，缺乏严格的推理和实验验证，有时他们借用表面类似的现象对事物进行解释。例如学生对地球形状的认识、力与运动的认识、对溶解现象的解释等中都体现出了这一特点。
2．小学生的前概念中的一些解释缺乏守恒性
由于小学生的认知水平大都还处于“前运算”的阶段上，他们对于一些现象的认识缺乏守恒性，造成了一些错误认识。比如在光线通过放大镜的解释中，他们有人认为通过放大镜以前的光线比通过以后的光线多，也有人认为光通过放大镜后变多了；再如在闭合的简单电路中，他们会认为串联电路各处的电流大小不同。
3．小学生的前概念中有的存在“泛灵论”的成分
“泛灵论”是指把本来没有生命的物体赋以意识或借用神一类的虚无事物来对自然现象进行解释。在年龄越小的学生的解释中“泛灵论”成分往往也越多。比如，对于力的存在，年龄小的学生往往认为有生命的物体才有力量。再如，对于“生命死亡以后会怎样”的解释中，有的小学生会想到“天堂”或“上帝”这类虚无的事物。
4．小学生的前概念具有一定的稳定性
对于学生感性认识比较丰富的那些前概念，它们在学生的大脑中已经形成了一种固定的模式，而且这种模式不是孤立存在的，往往存在于一定的认知框架或体系中，因而具有一定的稳定性。比如我们会发现学生对于“浮力”及“力是维持运动原因”的前概念就非常稳定，教师很难通过一两个实验来改变学生的错误认识。
5．小学生的前概念具有一定的情境性
对于学生感性认识不太充分的前概念，它们在学生的头脑中往往不太稳定。在访谈中我们发现，对于这类概念在不同的情境下同一个学生会出现不同的理解。因为这类前概念在学生的头脑中不太稳定，容易受到情境因素的干扰，因此这类前概念是比较容易改变的。
6．前概念是个人的，不同文化背景和生活经验下的小学生前概念可能不同
对于同一现象，不同的学生会出现一些不同的解释。这些不同主要缘自于他们的生活经验和文化背景的差异。通过以上访谈的实例可以看出，不同国家的小学生，由于他们在文化和生活经验上的差异，对很多事物的认识上也有着一定不同。比如在对“生命死亡后会怎样”，美国的小学生的解释中就渗透有浓厚的宗教意识。
三　小学生的前概念对教学和教材编写的启示
通过以上研究，我们可以发现小学生对一些事物解释常常会与我们成人的差别很大，有些观点甚至让我们成人感到不可理解。这些也给我们的科学教学和教材的编写带来一些启示和思考。
1．教师的教学和教材的编写要从学生的前概念出发
前概念是学生学习新概念的基础，也是教学和教材的编写的内容始发点。在科学教学中存在“此岸”与“彼岸”一说。“此岸”即是学生已有的观念，“彼岸”是我们教学目标。要达到“彼岸”，必须要从“此岸”出发。所以教师在教学一定要从学生的前概念出发，在教学要从学生的身边的、感兴趣的和存疑的问题入手，遵循从具体到抽象、从简单到复杂、循序渐进、由易到难的教学规律。同理，教材的编写者也应如此，在教材的内容开始部分，一定联系学生的实际，要从学生身边的、感兴趣的问题引入，在课文的一开始就能紧紧地吸引住学生的注意，要让课文具有一定的趣味性和可读性。如果教学和教材的编写忽视了学生的前概念，就找不到教学的始发点。人们常说“良好的开始是成功的一半”，如果没有良好的开端教学就谈不上成功。
2．教学或教材编写中要提供合理方法把学生的前概念充分地暴露出来
把学生前概念暴露出来的主要方法是：创设一个宽松的学习环境，设置一定的教学情境引出问题，教师鼓励并激发学生对新问题进行猜想和解释，在必要的时候鼓励学生之间进行质疑和辩论。另外，教师也可以在课堂或课下专门地设计一些问题让学生去回答，以此获得学生的前概念。把学生的前概念暴露出来后，教师还要对它们进行一些分析、梳理和归类，然后设计有针对性的教学活动。在教材中的体现是，在课文的开始，可以围绕着新的教学内容设置一定的问题情境，作为前测把学生的前概念暴露出来。
3．在教学中要充分地尊重学生前概念
对于学生的前概念教师要予以充分地尊重，要把它们作为一种尝试性的解释加以处理，不能在武断地否定掉一些“不科学”的前概念。教师要提供尽量多的机会，让学生亲自发现自己前概念中的错误之处。所以在这种情况下，教学情境所引出的问题就不能太分散，否则学生无法对自己的已有认识进行验证和澄清。
4．教师要采取一定的教学策略来改变学生的错误前概念
改变学生的错误前概念是一件非常难的事。有的前概念非常顽固，需要经过较长的时间才能得到转变。改变学生错误前概念一定要讲究策略。美国学者纳斯伯姆和诺威克曾提出了“矛盾事件”的方法，具体做法的：首先通过一定的方法暴露学生的前概念；然后使学生明确意识到他们和别的学生想法不同；接着让学生尝试解释一个矛盾事件，引起概念冲突；最后鼓励和引导进行认知调整，建立与科学概念相一致的新的概念模型。另外，斯太威和伯克威茨还提出“认知冲突”的策略，具体做法是：首先让学生发现自己对某一物理现象的认知结构和真实的物理现象之间的矛盾；接着再让他们意识到对同一物理事实的两种不同的认知结构之间的冲突；最后逐渐调整认知结构使其与真实物理现象之间达到一致。此外，还有其他一些做法，但是这些犯法的核心是要建立认知冲突，有效的认知冲突能更有效地实现概念的转变。　
5．为新概念的最终形成提供巩固和系统化的机会
在转变错误的前概念建立新概念以后，还要提供对新概念进行巩固和系统化的机会。因为孤立的概念很不稳定，很容易受其他因素的影响，也难迁移到其他的情境中。使概念系统化的方法是建立概念图把新旧知识联系起来，还可以通过一些综合活动把知识相互联系起来加以运用。巩固新概念的方法有在不同的情境下运用新概念，通过各种练习进行强化。