基于學生前概念的小學科學實驗設(shè)計優(yōu)化研究

柯巧敏

摘要：在小學科學課堂中，我們時常發(fā)現(xiàn)教師設(shè)計的實驗不能有效的同化學生的前概念。究其原因，是因為在設(shè)計實驗前，教師沒有考慮到學生獲取的前概念有的零散片面、有的抽象易錯、還有的學生已有知識基礎(chǔ)不同。因此教師要根據(jù)學生獲取的前概念是否完整、難易的程度;不同年級，不同班級的基礎(chǔ)知識差異。采用設(shè)計體驗活動、優(yōu)化模擬實驗、利用圖形建模、改變實驗設(shè)計難度等方式優(yōu)化實驗設(shè)計，達到探究目的。

關(guān)鍵詞：前概念;認知變化;優(yōu)化;實驗設(shè)計

曾聽過一位教師執(zhí)教《空氣的熱脹冷縮》，當時這位教師在教學中先出示一個帶蓋的錐形瓶，然后在錐形瓶中放熱水，瓶蓋被頂開，引發(fā)學生思維，導入課題。然后教師就直接要求學生設(shè)計一個能證明空氣熱脹冷縮的實驗方案。結(jié)果學生的設(shè)計五花八門，有的學生提出氣球充滿氣，加熱，氣球會上升，降溫，氣球下降;有的說把氣球放在熱水中觀察，再放在冷水中;有的說在有蓋子的瓶中裝上熱水、冷水，看蓋子會不會動。對于學生的設(shè)計，教師也沒引導，直接出示一些材料，再讓學生根據(jù)材料設(shè)計實驗。結(jié)果效果并不盡人意，學生的設(shè)計依舊很粗糙，甚至偏離方向，與獨立設(shè)計沒有太大的區(qū)別。

仔細分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這些問題的原因有：

（1）教師在設(shè)計實驗時沒有考慮學生的前概念。該班級的學生還沒學過液體的熱脹冷縮，對于空氣的熱脹冷縮更不知道。學生沒有熱脹冷縮的概念，也沒有這方面實驗設(shè)計的經(jīng)驗，無法借鑒，導致實驗設(shè)計無效。

（2）空氣的熱脹冷縮比較抽象，學生對氣體受熱為什么會膨脹并不清楚。

（3）教師卻對學生的能力預計不足。教師上課的班級科學基礎(chǔ)并不好，因此教師讓學生設(shè)計實驗時應降低難度。

（4）教師沒有對學生的設(shè)計進行引導。材料出示雖然降低了學生實驗設(shè)計的難度，但卻與前一個環(huán)節(jié)脫節(jié)，學生的認知與教師的設(shè)計完全無關(guān)。

以上種種問題的產(chǎn)生，主要是教師沒有充分考慮學生的前概念。因此，基于學生前概念優(yōu)化小學科學實驗是非常有必要的。

1 基于零散片面的前概念，優(yōu)化實驗設(shè)計

1.1 以學生片面的知識為基點，設(shè)計體驗活動

在科學教學中，我們有時會發(fā)現(xiàn)學生的前概念是片面且根深蒂固的，而這些前概念的獲取往往來自生活中的某些體驗。

如教學《杠桿的科學》，學生普遍都認為杠桿是省力，比如剪刀剪東西、撬棍撬東西都比較省力。而像筷子夾東西，雖然每天都在體驗，但由于前概念的影響，學生都會下意識的認為也是省力的。那么要改變學生的前概念，我們?nèi)绻苯硬捎酶軛U進行實驗，雖然也能發(fā)現(xiàn)杠桿費力和不省力也不費力的情況，但往往許多學生依舊不會解析為什么筷子要費力的。因此，在實驗設(shè)計前我們可以再設(shè)計一個體驗活動，比如用二種不同的火鉗，一種支點離阻力點近點，一種支點離阻力點遠點。然后讓學生體驗用這兩種火鉗夾石頭，學生通過體驗會發(fā)現(xiàn)支點離阻力點近點，雖然用的力少了，但卻不容易夾取東西，而支點離阻力點遠點時雖然所用的力多點，但卻很容易把石頭夾起來。從而改變學生認為杠桿都是省力的初步影響。然后教師再設(shè)計杠桿實驗，學生比較容易的發(fā)現(xiàn)杠桿是否省力是與三個點的位置有關(guān);生活中有許多杠桿雖然是費力的，卻可以讓我們做事情比較方便，從而建立新的知識體系。

1.2 以學生零散的知識為基點，設(shè)計有層次的實驗

學生前概念的獲得往往來源于生活體驗，因此這些知識的獲得很多時候是零散的，不全面的。教師只有充分的了解學生的前概念，才能有計劃、針對性設(shè)計實驗，通過實驗探究，將學生已有的知識整合、系統(tǒng)化。

教學《衣服能產(chǎn)生熱量嗎》一課，通過提問的形式調(diào)查發(fā)現(xiàn)：學生都知道多穿衣服會熱，但是為什么會熱卻并不是很清楚。深入調(diào)查還會發(fā)現(xiàn)：有的學生認為衣服能生熱;有的認為衣服不會生熱;也有的認為衣服可以保溫。那么如何將這些零散的前概念轉(zhuǎn)化為完整的、系統(tǒng)的知識體系呢？教師的實驗設(shè)計要根據(jù)學生已有的認知，順勢引導。比如衣服本身能否生熱這個前概念，教師可以讓學生直接測量衣服的溫度，解決衣服本身是不會生熱的問題。但衣服什么作用？有些學生已經(jīng)意識到衣服可以保溫，但怎樣保溫卻不清楚。因此我們可以利用熱水來模擬人體，先測量熱水在自然狀態(tài)下的溫度變化。再測量用衣服包裹著的水溫變化。在實驗中學生通過比較三組數(shù)據(jù)，會比較直觀的發(fā)現(xiàn)，衣服本身是不會生熱的，它可以減緩溫度下降的速度，起到保溫的作用，而且衣服穿得越多保溫效果越好。

教師在設(shè)計實驗時順應學生認知的變化，使學生更快的接受新知，潤雨無聲中構(gòu)建了系統(tǒng)的科學概念，達到探究的效果。

2 基于抽象易錯的前概念，優(yōu)化實驗設(shè)計

2.1 利用模擬實驗優(yōu)化

宇宙對于學生來說是神秘的、不可觸摸的，學生無法直觀的認識、體會，只能從生活中如電視、電腦、雜志中獲取一些片面的、零散的信息，因此為了讓學生親身體驗、直觀感受宇宙知識的奧秘，我們往往采用模擬實驗的方式進行，讓學生形象、直觀認識宇宙，了解相關(guān)知識。

教學《晝夜交替現(xiàn)象》一課時，通過讓學生畫圖的形式，我們就能了解學生對晝夜交替現(xiàn)象產(chǎn)生原因的前概念。我們會發(fā)現(xiàn)學生的想法很多，對于太陽、地球的運動方向卻是模糊的。這就需要模擬實驗，一般情況下教師都會利用小燈泡模擬太陽，乒乓球模擬地球。而在實驗前往往會針對學生可能存在的問題進行討論，比如“太陽不動，地球繞著太陽運動”的模擬實驗，討論地球是怎么繞？地球朝哪個方向運動？但實際上學生在活動中，依舊會出現(xiàn)一邊繞一邊自轉(zhuǎn)或有的順時針轉(zhuǎn)動、有的逆時針轉(zhuǎn)動。而產(chǎn)生這些問題的原因是因為學生沒有親身體驗。我們可以在實驗前再設(shè)計一個模擬活動，讓一位學生當太陽，一位當?shù)厍颍缓竽M地球分別按順時針方向和逆時針方向繞太陽運動，學生會發(fā)現(xiàn)當?shù)厍蚰鏁r針運動時會看到太陽的東升西落。地球繞太陽運動時，只有地球上的人始終朝一個方向才不會出現(xiàn)地球繞太陽公轉(zhuǎn)并自轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。通過親身模擬實驗，學生在利用器材進行模擬實驗時就不會出現(xiàn)這些問題，教師也不需要著重強調(diào)了，實驗的效果也會更好。

對于小學階段的學生來說，抽象的、不可觸摸的知識是難以理解的，而對于一些能夠直接觀察的實驗現(xiàn)象，學生會更容易接受、理解。因此在教學中，教師要根據(jù)實際情況，采用各種模擬的方法，讓學生親自體驗活動比說教更容易改變學生的前概念。

2.2 利用圖形建模

在教學中，我們很容易被教材的內(nèi)容迷惑，覺得教材的內(nèi)容總是對的，但我們仔細留心就會發(fā)現(xiàn)教材中的一些實驗設(shè)計并不是很科學，甚至會阻礙我們建立正確的知識體系。因此我們要根據(jù)實際情況，利用學生已知的知識結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變思路，設(shè)計針對性的實驗，突破難關(guān)，這也是科學素養(yǎng)培養(yǎng)的一個必不可少的內(nèi)容——實證意識。

比如《太陽系》一課，學生對于太陽系的認知都是來源于電視、電腦或資料，大都數(shù)學生知道金星、水星、木星、土星， 但地球是屬于八大行星之一卻并不清楚，還有學生對八大行星的認識是不全面的，也沒有關(guān)于行星間的距離和大小的知識。在教學中，我們一般都會采用實物建模。先縮小大小，再縮小距離，然而距離與大小縮小的比例必然不會相同，不然我們無法在課堂內(nèi)完成，而這樣必然會給學生造成錯誤的印象：行星間的距離和大小相差不大，且太陽系看上去也不大，從而阻礙了學生對整個宇宙的認識?；趥鹘y(tǒng)模式對學生認知的影響，一位鄭姓老師沒有采取傳統(tǒng)的實物建模，而是進行畫圖建模，先讓學生畫出腦中的行星排列圖，這個環(huán)節(jié)能比較清晰的了解學生對八大行星排列前概念。從而激發(fā)學生對八大行星正確排列循序的興趣，在學生有強烈的求知欲中，教師出示科學學家們的發(fā)現(xiàn)，再讓學生再次排列，這樣的教學安排水到渠成。然而教學并沒有到此結(jié)束，鄭老師又提出：“你們認為這些模型科學了嗎？接近真實的太陽系嗎？”’學生想到行星間的距離和大小可能不同，從而引出第三次距離建模，學生在建模中認識到前面四顆行星距離太陽較近，而后面四顆離太陽很遠等科學知識。大小建模中通過與距離的數(shù)據(jù)比較，學生發(fā)現(xiàn)按同樣的比例縮小，行星小到連肉眼都看不出來，根本無法在紙上畫出。從而學生意識到行星間的距離相距非常遠，課本中的行星圖片是有問題的。

教師沒有被傳統(tǒng)的教學形式限制，而是利用畫圖的形式建模，學生通過獲得的知識一次次的修改自己的模型，建立了正確的模型，這種具有梯度的實驗設(shè)計方式順應學生認知變化過程，容易被學生接受的才能達到意想不到的效果。

3 基于學生已有的知識基礎(chǔ)，優(yōu)化實驗設(shè)計

3.1 根據(jù)不同年級，改變實驗設(shè)計的難度

目前的小學科學的教學對象主要針對三-六年級學生，不同年級的學生的思維方式、認知水平、求知欲、接受能力等都存在差異。三年級學生以形象思維為主，有一定的抽象思維，愛表現(xiàn)，科學知識比較薄弱，處于剛起步階段。四年級的學生實驗設(shè)計有所涉及，抽象思維能力相對還較弱，五年級學生能進行自主學習，有一定的實驗基礎(chǔ)，能獨立設(shè)計對比實驗。六年級的學生抽象思維能力已經(jīng)比較好了，在前面幾年的科學學習中，已經(jīng)能獨立設(shè)計比較復雜、抽象實驗。而我們的教師除了日常的常規(guī)教學以外，還經(jīng)常參加各種教學比賽，比如優(yōu)質(zhì)課、教壇新秀、研修活動等等，很多時候，我們所選的課不一定會在相應的年段執(zhí)教，因此同樣的課在不同年級教學時，更要考慮學生已有的知識層面和年齡特點。

《光和影》是五年級第二單元的課，對于五年級學生來說，經(jīng)過一段時間的對比實驗的設(shè)計，對于如何設(shè)計對比實驗有一定的基礎(chǔ)，因此讓他們直接進行實驗設(shè)計的難度相對來說不是非常的大，學生基本上能很好的設(shè)計出，但對于四年級的學生來說，他們是第一次接觸對比實驗，要想學生通過一個、兩個的實驗設(shè)計就能掌握對比實驗設(shè)計的要領(lǐng)可能還有點困難。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)四年級大多數(shù)學生對于什么條件保持不變、什么條件改變描述的比較模糊，甚至不知道怎么寫，只有個別小組能夠?qū)懗?，大多學生只關(guān)注光源、遮擋物，而很少關(guān)注到三者之間的距離變化。四年級的學生無論是實驗設(shè)計能力還是抽象思維能力相對較薄弱，基于學生已有的認知，教師在教學時可以先提供自制材料，變驗證型實驗為探究性實驗，讓學生先制造影子，發(fā)現(xiàn)影子特點再設(shè)計對比實驗。學生對于具體的事物往往比較感興趣，在探究中更容易發(fā)現(xiàn)問題，從而解決問題，并且記憶會更加深刻。比如，探究影子的長短、方向變化。在探究中，學生發(fā)現(xiàn)只有改變光源的照射角度，其它條件不變，才能制造出形狀、大小一樣、長短不同的影子。同時也會發(fā)現(xiàn)光源與遮擋物的距離是不能變化的，不然影子的大小也發(fā)生變化，自然而然的設(shè)計了實驗，解決了這個實驗設(shè)計的難點，學生對于對比實驗會有一個更深刻的印象。在第一個活動的基礎(chǔ)上，讓學生先思考：如果讓你制造2-3個形狀相同，但大小不同的影子，那么在做這個實驗是什么條件改變、什么條件不可以改變，再進行探究。

根據(jù)學生不同年級的學習特點和基礎(chǔ)知識，利用具體可觸碰的材料降低實驗設(shè)計難度，才能使實驗探究更加有效。

3.2 根據(jù)不同班級，有針對的設(shè)計實驗

在同樣一個年段的不同班級，我們也會發(fā)現(xiàn)有的班級教師開展實驗探究、有的班級教師只是講解一下實驗方法，學生并沒有進行探究活動;有的班級學生學習氣氛較好，學生涉獵的課外知識也較多;有的班級基礎(chǔ)知識扎實、有的班級進度較慢等，這些因素都會影響實驗設(shè)計的有效性。

教學《電和磁》這節(jié)課時，發(fā)現(xiàn)六4班的學生磁鐵的性質(zhì)、作用等方面的知識比較扎實，因此從奧斯特實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)什么？這個問題學生比較容易理解，而另一個班的學生卻非常茫然。原來這班的學生根本沒有學過磁鐵的相關(guān)知識，所知道的知識也只是從生活中獲取的。因此，我們可以讓學生體驗感受磁鐵相互靠近時會有怎樣的想象，再導入到奧斯特實驗。

又如前面講到的《空氣的熱脹冷縮》一課，教師要考慮到學生沒有液體熱脹冷縮的知識，在設(shè)計實驗前，進行適當?shù)囊龑?，如：怎樣收集空氣？用什么模擬高溫？用什么模擬低溫？通過什么變化來判斷空氣發(fā)生熱脹冷縮？通過這些問題的設(shè)計，層層推進，在學生頭腦中逐步形成空氣熱脹冷縮實驗的雛形。

教師在教學中，要隨時根據(jù)學生的實際情況，相應的調(diào)整教學思路，增加或減少探究實驗，以達到最佳的教學效果。

總之，教師要基于學生前概念，采用不同的方式優(yōu)化探究實驗，從而建立合理、有效的概念體系，實現(xiàn)知識的同化。

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（作者單位：浙江省寧波市奉化岳林中心小學）