基于概念轉變理論的教學設計

陳月 賀小光 陳紅君

摘? 要：概念轉變是對學生前概念進行改造，重構科學概念的過程。采用概念轉變的教學不僅可以改變學生錯誤的前概念，同時也可以極大地提升教學質量。文章以教育教學實踐為基礎，從理論出發(fā)，提出基于概念轉變理論的教學模式，并以“物體的浮沉條件及應用”為例，闡述了實際教學中的具體實施過程。

關鍵詞：概念轉變;浮力;前概念

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）10-0027-3

1? ? 引? 言

學生在進行物理學習之前，在頭腦中就已經具備相關知識及思維方式，即前概念。學生腦海中的這些前概念有些是與科學概念基本一致的，有些則是與科學概念完全相反的錯誤概念[1]。錯誤前概念會對學生今后的學習起到反作用，如學生習慣根據物體的質量、體積來判斷物體的浮沉，總認為重且大的物體會下沉，輕且小的物體會上浮。如何引導學生將這些錯誤前概念轉變?yōu)榭茖W概念，是教學研究需要重點解決的問題?！拔矬w的浮沉條件及應用”在教材中占有重要地位，是阿基米德原理的延伸。因此，本文以“物體的浮沉條件及應用”為例，基于概念轉變理論及模型，構建學生物理科學概念的有效方法，并闡述具體教學實踐過程。

2? ? 概念轉變理論

2.1? ? 概念轉變的基本條件

在應試教育模式中，學校為提高學生的升學率和教學效率，教師填鴨式的教學方式代替了讓學生主動獲取知識的過程，特別是概念課教學中，缺少對概念進行理解、探索和接受的過程，而直接變成對概念的熟悉、背誦和應用的機械流程。

在真正的概念教學中，學生如何轉變他們的已有概念呢？Posner等人給出了四個關于概念轉變的基本條件：（1）不滿意現(xiàn)有概念;（2）新概念是通俗易懂的;（3）新概念是合理的;（4）新概念是有效的[2]。其中，對現(xiàn)有概念的不滿是概念轉變的前提，只有當一個概念不起作用或無法解決現(xiàn)有問題時，學生才會產生改變前概念的強烈動機，或通過呈現(xiàn)矛盾情境，有效地引起學生對之前概念的不滿意。對于學生來說，新概念的易懂性、合理性、有效度越高，則概念轉變越容易發(fā)生。

2.2? ? 概念轉變的已有教學模式

Posner等人提出概念轉變模型后，一些學者先后提出了多種教學模式，并且進行了大量的實驗探討與實踐論證。結果表明，這些教學模式都能在一定程度上對學生的學習起到促進作用，如“DO五步教學模式”“NN三步教學模式”“OF四階段教學模式”“5E教學模式”等概念轉變模式[3]。

以上的幾種教學模式，雖然教學呈現(xiàn)形式不同，但其實質相似：首先要激發(fā)學生的動機，揭示學生的前概念;其次，呈現(xiàn)矛盾情境，引發(fā)認知沖突;最后，引進科學的概念，解決認知沖突，進而實現(xiàn)概念的轉變。其中，教師角色起到重要作用，教師不僅要找出學生的前概念，制造認知沖突，呈現(xiàn)新知，更要注重掌握方法，解析學生頭腦中迷思概念的成因，以便從根本上消除學生迷思概念對其認知活動的影響與干擾。

2.3? ? 基于概念轉變理論的教學環(huán)節(jié)

筆者通過梳理概念轉變學習的基本條件以及教學模式的中心思想，并結合自己的實踐經驗，總結了基于概念轉變理論的教學環(huán)節(jié)（圖1）。

“了解學生的前概念”是概念轉變教學的前提，也是教師在備課階段不可或缺的環(huán)節(jié)。教師在設計課程前，需要憑借自身經驗、與學生溝通或查閱相關資料，了解學生對本節(jié)課內容的已有經驗以及存在的問題，并據此來設計相應的教學活動;“呈現(xiàn)問題情境”和“引發(fā)認知沖突”二者緊密相連，首先以生活中的現(xiàn)象作為切入點，喚醒學生的生活經驗，引出學生頭腦中的前概念，接著呈現(xiàn)矛盾情境，引發(fā)認知沖突，讓學生直面前概念與科學概念的矛盾，激發(fā)學生的求知欲;“任務驅動研究”與“建構新概念”環(huán)節(jié)通過師生和生生之間的合作探討以及觀點的碰撞，強化科學概念的形成?！靶赂拍畹膽门c遷移”通過應用新概念來解釋問題，一方面加強學生對新概念的理解，實現(xiàn)新概念的重構;另一方面，教師需要發(fā)展學生的科學思維，并糾正其形成前概念時所產生的思維誤區(qū)，進而起到加深與鞏固新概念的目的。

3? ? “物體的浮沉條件及應用”教學設計

3.1? ? 了解學生的前概念

研究發(fā)現(xiàn)學生對物體的浮沉條件會存在這樣的錯誤理解：浮于水面的物體受到浮力，沉在底部的物體不受浮力，所以沒有浮上來;單純從物體的質量判斷浮沉，質量大的物體會沉，質量小的物體會浮;從物體的體積大小、是否空心來判斷浮沉;認為物體密度的大小是產生物體浮沉的根本原因?？梢姡瑢W生在判斷物體浮沉時，是根據頭腦中已有的前概念和生活經驗，沒有結合阿基米德原理去分析浮力的大小以及產生原因，對影響物體浮沉條件的液體密度與物體密度混淆使用。

3.2? ? 呈現(xiàn)問題情境

教學流程：教師利用自制教具演示“章魚”的上浮和下沉（圖2），學生發(fā)現(xiàn)瓶內的“章魚”像是被施加了魔法，它的上浮和下沉完全被教師控制。讓學生描述觀察到的現(xiàn)象。

設計理念：教師演示一些奇妙、有趣的物理現(xiàn)象，能夠充分吸引學生的注意，激發(fā)他們學習物理的興趣。

3.3? ? 引發(fā)認知沖突

教學流程：教師演示實驗，讓學生觀察現(xiàn)象后獨立思考。

實驗1：將體積相同的一個小鐵球與一個小木球分別放入水中，讓學生認真觀察。學生觀察到小鐵球在下沉，小木球在上浮，最終小鐵球沉在水底，小木球浮在水面上。

學生們可能回答說木球比鐵球輕。

接著進行實驗2：將一枚大頭針與小木球分別放入水中，觀察現(xiàn)象。

學生觀察到大頭針下沉后，很明顯與自己剛才所提出的猜想相反。學生將繼續(xù)思考，又提出新的猜想，物體的浮沉條件是由物體的密度決定的，鐵的密度比木材的密度要大，因此無論是鐵塊還是大頭針，都會下沉到水底。此時，教師會繼續(xù)追問，如果將一塊鋼板放入水中，鋼板就會下沉，為什么用鋼板制成的船只能在水上自由航行呢？學生陷入思考之中。

設計理念：用演示實驗讓學生對生活中的物理現(xiàn)象進行直觀感受，引導學生運用已有知識來解決問題，施以矛盾情境后，學生無法用頭腦中的已有知識來解釋這種現(xiàn)象，認知沖突便產生了。

3.4? ? 任務驅動探究

教學流程：教師運用二力平衡知識引導學生對物體進行受力分析，引出學生猜想：物體的上浮或下沉是由物體所受合外力的大小決定的，也就是說由物體受到的重力與浮力共同作用的結果。根據此猜想組織學生分組討論、制訂計劃、進行實驗探究重力與浮力的大小關系對物體浮沉的影響。在實驗開始前，教師強調需要把不能直接測量的物理量“浮力”轉換為可測量的實驗變量——“液體的密度”。學生按照教師提供的實驗器材進行實驗。教師引導學生分析物體密度與液體密度的大小關系以及物體的受力情況，如表1所示。同時，讓學生觀察實驗現(xiàn)象并將表格補充完整，派一名代表進行匯報。

設計理念：通過團隊合作，加強學生之間的合作意識與交流能力，不同觀點的碰撞更容易引發(fā)和解決認知沖突，強化科學概念的形成過程。

3.5? ? 建構新概念

教學流程：教師在學生實驗結果的基礎上，系統(tǒng)地闡述物體浮沉的根本原因、浮力的定義以及壓力差的概念等，讓學生理解物體的浮沉不能只看某一方面，要綜合考量，并引導學生運用阿基米德原理來解釋影響物體浮沉的條件。同時，教師給學生展示潛水艇的工作原理，讓學生動手完成“讓橡皮泥漂在水面上”的實驗，使學生頭腦中產生改變物體浮沉方法的新概念。

設計理念：研究表明，學生的概念往往是碎片化的或強烈依賴于問題情境[4]，因此，科學概念的建構需要教師引導學生一步步實現(xiàn)，以達到以核心概念為中心的概念結構網絡，將已有概念與新概念建立聯(lián)系。

3.6? ? 新概念的應用與遷移

教學流程：讓學生用所學的概念解答“浮沉章魚”中所蘊含的原理，讓學生用概念圖、思維導圖等方法建立新概念與已有概念之間的聯(lián)系。并且布置課外任務，讓學生查閱潛水艇的相關資料，結合本節(jié)課知識，設計一款“潛水艇模擬器”來實現(xiàn)其在水中的上浮和下沉。最后，教師分析學生最初頭腦中根據物體的外觀形狀來判斷物體浮沉的錯誤點或許在于僅憑借直觀感受，沒有真正理解上浮和下沉的緣由。

設計理念：通過學習，學生對新概念已經了解，是否真正掌握可以通過實踐來檢驗。而且前概念具有反復長期性，教師若想讓學生從根本上掌握新概念，還需對學生錯誤前概念的產生原因進行分析，避免之后的學習中出現(xiàn)類似的錯誤。

4? ? 結束語

在傳統(tǒng)的課堂上，教師常常忽略了學生之前的概念，導致錯誤前概念和科學概念同時出現(xiàn)，造成學生認知結構混亂，不利于學生接受知識和發(fā)展思維。概念轉變教學是在了解學生前概念的基礎上，通過呈現(xiàn)問題情境，引發(fā)認知沖突，進而建構新概念等一系列教學過程來解構學生的迷思概念，建構科學概念，并且進行應用，完善自己的認知結構，發(fā)展概念思維。這也符合物理學科核心素養(yǎng)的要求，即培養(yǎng)學生的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任。

本文采用概念轉變教學理論，以“物體的浮沉條件及應用”為例，詳細描述了此教學理論在實際教學中的具體應用過程，體現(xiàn)了概念轉變教學理論對于物理教學的重要性。概念轉變教學能夠使學生深入理解物理概念，促進學生元概念意識的發(fā)展，學生通過體會概念的發(fā)展過程，建構新認知結構，進一步提升了其物理核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]蔡鐵權，姜旭英，胡玫.概念轉變的科學教學[M].北京：教育科學出版社，2009.

[2]Posner G J，Strike K A，Hewson P W，etal.Accommodation of a scientific conception： Toward a theory of conceptual change[J].Science Education，1982，66（02）：211-227.

[3]李愈婧.學習科學視域下概念轉變的教學應用研究[J].山西師范大學學報（自然科學版），2015，29（S1）：124-126.

[4]Andrea A， diSessa. Toward an Epistemology of Physics[J].Cognition and Instruction， 1993，10（2-3）：105-225.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）