小學生“熱”的前概念研究

陳莉 賀嬌娜 鄭敏

【摘要】“熱”是生活中常見的現(xiàn)象之一。小學生對于“熱”的前概念與科學概念之間在認識和理解上存在的差異，對小學科學“熱”的教學具有極為重要的意義。本文以《小學科學課程標準》中的分解概念為依據(jù)，設計了關于“熱”概念的二段式調查問卷。通過對湖南省多所學校小學生的調查，分析得出了以下結論：大部分小學生對“溫度的改變會影響物體體積”以及“熱賬冷縮”等有比較科學的認識，而對于“熱”“熱量”“熱能”“熱量與質量的關系”和“熱傳遞的本質”等的認識與現(xiàn)代熱力學存在著差距。

【關鍵詞】熱;前概念;科學概念

1.研究背景

“熱”是人類生活中常見的物理現(xiàn)象。人自出生起就開始接觸“熱”這一概念。什么是“熱”？為什么我們感覺到“熱”？如何表達和領悟“熱”的含義？似乎是從孩提開始，人類就在交流中建立了對“熱”的認識。這種在生活中建立的“熱”的相關概念，即“熱”的前概念，它與現(xiàn)代科學的“熱”的概念一致嗎？如果一致，則小學科學課程中有關“熱”的學習就十分簡單了。如果不一致，則哪里不一致？這一問題的答案，對于全球的科學教學來說意義重大。

世界各國科學教育都十分注重“熱”的學習。美國《下一代科學標準》要求小學生掌握“能量可以通過聲音、光、熱和電流從一個地方傳遞到另一個地方”“無論加熱、冷卻或混合物質時發(fā)生何種變化，物質的總質量保持不變”“加熱或冷卻導致的變化有些是可逆的，有些則不是”等知識[1]。我國《小學科學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“《標準》”）中需要學習的“熱”的主要概念是：“熱可以改變物質的狀態(tài)，以不同方式傳遞，熱是人們常用的一種能量表現(xiàn)形式。并把這一主要概念分解成三個具體概念，即：（1）用溫度來表示物體冷熱的程度;攝氏度是溫度的一種計量單位。（2）加熱或冷卻時物體的體積會發(fā)生變化;加熱和冷卻也可以改變某些物質的狀態(tài)。（3）熱可以在物體內和物體間傳遞;通常熱從溫度高的物體傳向溫度低的物體[2]。

在日常生活中，“熱”有兩種含義：一是“熱能”（Thermalenergy），是指物體內部分子或原子的運動，也叫內能;二是“熱量”（heat），是指由于溫度差別而從高溫物體轉移到低溫物體的能量[1]。我國《標準》中的“熱可以改變物質的狀態(tài)，以不同方式傳遞”，美國《下一代科學標準》中的“無論加熱、冷卻或混合物質時發(fā)生何種變化，物質的總質量保持不變”“加熱或冷卻導致的變化有些是可逆的，有些則不是”等，這里的“熱”就是指“熱量”。熱量和功是系統(tǒng)狀態(tài)變化中伴隨發(fā)生的兩種不同的能量傳遞形式，是不同形式能量傳遞的量度，它們都與狀態(tài)變化的中間過程有關，因而不是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)'由此不難推導出我國課程標準中的分解概念“加熱或冷卻時物體的體積會發(fā)生變化;加熱和冷卻也可以改變某些物質的狀態(tài)”和“熱可以在物體內和物體間傳遞，通常熱從溫度高的物體傳向溫度低的物體”，這里的“熱”也是指“熱量”。我國“《標準》”中“熱”的主要概念的下半句“熱是人們常用的一種能量表現(xiàn)形式”、美國《下一代科學標準》的“能量可以通過聲、光、熱和電流從一個地方被傳遞到另一個地方”，這里的“熱”是指“熱能”。我國“《標準》”中的分解概念“用溫度來表示物體冷熱的程度”中的“熱”也是指物體的“熱能”。熱能（內能）是物體內部分子動能和分子勢能的總和，溫度是物體內部分子平均動能的標志。所以，“熱”是指物體內部分子熱運動的劇烈程度高，而“冷”是指物體內部分子熱運動的劇烈程度低。物體的分子勢能與物體的體積有關，加熱或冷卻會改變物體的分子勢能，所以“加熱或冷卻時物體的體積會發(fā)生變化，加熱和冷卻也可以改變某些物質的狀態(tài)”。

2.研究方法

然后根據(jù)具體概念設計問題和答案（見表1）

從前面的分析得出，科學課程需要小學階段了解“熱”的主要問題有：熱是什么;溫度與熱的關系;熱量的傳遞條件和方式;熱能的本質及其表現(xiàn)等。根據(jù)以上問題，考慮到小學生的審題能力和答題水平，我們制訂了“熱”的概念的調查問卷。

2.1問卷形式

問卷采用二段式測驗：第一部分以選擇題的形式呈現(xiàn)，由受試者選擇主要概念;第二部分以填空題的形式呈現(xiàn)由受試者填寫判斷的理由。這樣的出題形式不僅可以測出小學生對問題的主要概念的掌握倩況，同時可以看出其答案選擇背后的因素，看出小^學生概念的脈絡性[4]。

2.2問卷內容

問卷設計參考《標準》中的概念分層模式，以其中的科學概念為維度，通過進一步分解得出具體概念，

3.問卷調查及結果分析

3.1數(shù)據(jù)來源與樣本情況

本次研究采用抽樣調查，對湖南省長沙市和益陽市安化縣共5所學校的小學生進行了全員調查（見表2），共發(fā)出問卷673份，回收問卷673份，有效問卷為663份（其中10份問卷未完成作答，視為無效處理）?；厥章蕿?00%，有效率約為98.5%。

3.2問卷結果及分析

3.2.1對“溫度的變化是否改變物質的質量”的理解

對于題目“某常溫下為500克的鐵塊，如果把它加熱到70T再去稱的結果是（）”很多人會認為這是關于熱量交換的題目，但仔細分析可以發(fā)現(xiàn)，該題是在測驗“溫度是物體內部分子運動狀態(tài)的標志，與物體的質量無關”，具體地說，就是“溫度的變化不會改變物質的質量”（見表3）。

從表3可以看出，42.9%的小學生認為溫度的變化與質量無關，57.1%的小學生認為溫度變化與質量有關，其中21.7%的小學生認為溫度和質量正相關，35.4%的小學生認為溫度和質量負相關。在認為溫度的變化與質量無關的42.9%的小學生中，有36%的小學生明確地意識到“溫度與質量沒有關系”，有6.9%的小學生理解不清楚或者存在錯誤理解，如認為“在1000丈之內，或者是沒有熔化的情況下，鐵的質量就不會變化”。如果該題改成“常溫下為500克的鐵塊，如果把它加熱到熔化再去稱的結果是（）”那么這些小學生可能就會放棄C答案?？偠灾?，大部分小學生有“溫度、熱能與質量有關”的錯誤概念，同時，還會表現(xiàn)出“熱量是有質量的”的錯誤觀點。

3.2.2對“加熱或冷卻時物體的體積會發(fā)生變化”的理解

熱脹冷縮是指物體受熱時會膨脹，遇冷時會收縮的特性。由于物體內的粒子（原子）運動會隨溫度而改變，當溫度上升時，粒子的振動幅度加大，令物體膨脹;當溫度下降時，粒子的振動幅度便會減小，使物體收縮[5]。但并不是自然界中所有的物體都是如此，

如在0丈-4丈的溫度范圍內，水的體積隨溫度的升高而減小，表現(xiàn)為“冷脹熱縮”。對于小學生來說，“你聽說過熱脹冷縮嗎？”這一題目測驗的不是對“熱脹冷縮”的本質的理解，而是檢測小學生是否知道“加熱或冷卻時物體的體積會發(fā)生變化”這一事實，是否認為“熱脹冷縮”是全概率事件（見表4）。

從表4可以看出，66.6%的小學生知道有“熱脹冷縮”現(xiàn)象，而且有54.6%的小學生知道不是所有物體都會熱脹冷縮，如“冬天水管會被凍裂”“水在低溫下會冷脹熱縮”。完全不知道熱脹冷縮的小學生有33.4%?？傮w來看，大部分小學生知道“熱脹冷縮”這一現(xiàn)象，并且很多小學生還能根據(jù)日常生活經驗推導出這一結論。無論小學生是否知道“熱脹冷縮”，基本上不會在“加熱或冷卻時物體的體積會發(fā)生變化”這一問題上產生難以轉化的錯誤概念。

3.2.3對“加熱和冷卻可以改變某些物質的狀態(tài)”的理解

加熱和冷卻可以改變某些物質的狀態(tài)，反過來說，物質的狀態(tài)的改變必然伴隨著加熱或者冷卻的過程。“冬天很冷時會下雪，是下雪冷，還是化雪冷？”這一題目是考查小學生對“熱量”與“物質的狀態(tài)變化”之間關系的了解（見表5，資料來源[6]）。

從表5可以看出，選項與理由部分都答對的比例為21.7%?；谌粘Ｉ罱涷灒W生普遍認為下雪是因為天氣冷的原因，化雪是因為有太陽，有太陽就會熱，但不能理解是因為有熱量參與，雪才化為水。

3.2.4對“傳遞有多種形式”的理解

“真空中，能不能發(fā)生熱傳遞？（）”這一題目測驗的是熱傳遞需不需要介質。準確地說，熱傳遞有三種形式：有的傳遞形式需要介質，如熱傳導、熱對流;有的傳遞形式不需要介質，如熱輻射;真空中可以發(fā)生熱輻射（見表6）。

從表6可以看出，29.9%的小學生知道“真空中能發(fā)生熱傳遞”，但是只有2.4%的小學生能夠說出太陽的例子，27.5%的小學生在闡述理由時表現(xiàn)出對該問題的理解偏差很大。因為有的小學生不知道真空是什么，他們認為“真空里面有空氣，有物質'真空是一種“隔的東西”，所以他們認為它能夠傳播熱，這樣的理解和回答與選項B的理解實質上是一樣的。有的小學生選擇A，理由是他們認為真空本身就有“熱”，不管他們認為的“熱”是物體還是能量，總之，都偏離了對熱傳遞的本質的認識。36.6%的小學生認為真空中不能發(fā)生熱傳遞，理由幾乎都是“熱傳遞需要介質”。另外，33.5%的小學生填寫了“不知道”?？傮w來看，對于這一問題，大部分小學生都不能夠正確理解。

3.2.5對“熱傳遞的方向”的理解

熱傳遞具有方向，“對一塊鐵板的中心點位置進行加熱，熱傳遞的時候會是下列哪一種情況？（）”和“在一個空房間放一桶冰，過一段時間，房內的溫度下降了，是因為（）”兩個題目都是測驗“熱傳遞是熱量從高溫物體傳到低溫物體的，具有方向性”的（分別見表7、表8）。

從表7可以看出，5.0%的小學生認為熱會沿著一個方向直線傳遞，8.4%的小學生認為熱會向左、右兩個方向水平傳遞，86.6%的小學生認為熱會以圓心為起點向四周散開。在正確答案C中，有74.6%的小學生能夠準確描述這一現(xiàn)象，另有12.0%的小學生在回答時表達出一些錯誤概念，如“熱量”“冷量”和“熱是氣”等。

從表 8 可以看出，31.5 % 的小學生認為冰會將冷傳給房間，59.6 % 的小學生認為冰會將冷傳給房間的同時房間也會將熱傳給冰。只有8.9%的小學生認為是房間將熱傳給了冰，但在闡述理由時并沒有提到熱傳遞的方向，即熱傳遞的方向是從高溫物體傳向低溫物體，而不是相反，這說明小學生的選擇帶有一定的偶然性。

“ 溫室中有兩塊一樣的冰，如果把其中一塊用棉衣裹上，哪塊冰融得更快？（ ）”這一題目是考查小學生在理解熱傳遞方向的基礎上的升級理解。在進行熱交換的“ 冰 ”和“ 空氣 ”之間加入“ 棉衣 ”這一物質后，由于棉衣的阻隔，因此熱傳遞的速度減緩了（見表 9）。

從表 9 可以看出，67.2 % 的小學生在這一問題的理解上出現(xiàn)了與科學概念不符合的前概念，普遍認為“ 棉衣有熱量，而且熱量比較大 ”。25.8 % 的小學生認為沒有用棉衣裹住的冰塊融化得更快，其中部分小學生能夠準確描述棉衣對冰塊的作用，即“ 阻擋了熱空氣與冰的熱交換 ”;部分小學生的描述分不清“ 熱量 ”和“ 溫度 ”，如“ 因為被棉衣裹住的那塊被擋了一點溫度，而沒有用棉衣裹住的那塊沒有被擋一點溫度 ”。另有 6.9 % 的小學生的描述與題意無關。另外，還有小部分小學生認為棉衣沒有熱量，所以它對冰塊融化的速度沒有影響。

4.結論

前概念是指學習者在接受正式的科學教育之前，在現(xiàn)實生活中通過長期的經驗積累與辨別式學習而獲得的一些感性印象、積累的一些經驗 [7]，相異概念是學習者對一系列可理解的自然現(xiàn)象和物體建構了基經驗的解釋 [8]。學習者在解釋時是有理由的，有時候于也是合理的，因此并不是所有的前概念都是錯誤的 [9]?；诖?，對于某個小學生的回答，如果他回答“ 不知道 ”，則表示他對于所問的問題沒有經驗，當然也就不存在所謂的前概念;如果他先答對了事實，但在理由上回答“ 不知道 ”，則我們認為他可能不知道自己從什么途徑知道了這一事實，但是沒有做深層的思考，說明他頭腦里沒有太多的經驗，所以他具有前概念但是沒有錯誤認識。通過本次調查，對于小學生“ 熱 ”的前概念得出了以下結論。

4.1小學生對于“熱”的前概念和科學的“熱”概念之間的認識存在著巨大的差異

4.1.1對“熱”這一詞語的辨析不清楚

在中文的日常語言表達中，“ 熱 ”至少有三種含義：（1） 指“ 溫度高 ”;（2） 指物體的“ 熱能 ”;（3） 指“ 熱量 ”。對此，大部分小學生都不能夠清楚地區(qū)分。

4.1.2 對“熱能”和“熱量”兩個概念認識混淆

部分小學生會把“熱能”和“熱量”兩個概念看成是一個意思，部分小學生雖然覺得這兩個概念是兩 個詞，應當有所區(qū)別，但是在實際運用上又會將它們 混為一體。他們會說“棉衣有熱量”，也會說“火把熱量傳遞給了鐵”。

4.1.3 認為“熱量有質量”

他們認為“熱量有質量”，而不能理解“熱量是一種能量”“熱量不是物質”等概念。

4.1.4 對“熱傳遞的方向”的理解有偏差

大多數(shù)小學生知道“熱量會傳遞”，但是很多小學生認為不僅“熱量從高溫物體傳向低溫物體”，而 且“低溫物體可以把冷量傳給高溫物體”。所以很多小學生會說“用棉衣包住冰塊是阻止了冰塊把冷量傳出去”。

4.1.5 對“溫度”“熱能”和“質量”之間的關系不清楚

他們認為“溫度與質量有關”“物質熱了質量會 改變”等。除了對“熱”這一詞語的辨析不清楚之外，小學生也不能夠準確地解釋有關“熱”現(xiàn)象的諸多問題，這是小學生尚未接觸到分子運動理論的緣故[10]。

4.2小學生在關于“熱”的前概念中，有一些認識和理解與科學概念之間沒有沖突

這個主要表現(xiàn)在大部分小學生知道“溫度的改變”會影響“物體的體積及其存在狀態(tài)”，如他們會說“溫度升高，冰會融化成水;溫度再升高，水會變成水蒸氣”。很多小學生知道“熱脹冷縮”，能夠在理解“熱脹冷縮”時，把“溫度”和“體積”聯(lián)系起來;他們也知道不是所有的物體都能“熱脹冷縮”，同時能夠舉出水和冰體積變化的例子。

（本文作者陳莉、鄭敏系湖南第一師范學院副教授;本文作者賀嬌娜系湖南第一師范學院學生）

參考文獻：

[1]NGSSLeadStates.Nextgenerationsciencestandards：Forstates，bystates[S].Washington，DC：Achieve，Inc，2013.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2017.

[3]科普中國·科學百科.熱量[DB/OL]https：//baike.baidu.com/item/熱量/1137730？fr二aladdin.

[4]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.

[5]王靖凱.小學生“冷和熱”概念轉變的心理機制研究[D].山西師范大學，2014.

[6]陳亮.四年級學生“冷和熱”前概念的調查研究[D].南京師范大學，2015.

[7]李高峰.科學教育中的“前科學概念”[J].教育學術月刊，2010（9）.

[8] JH Wandersee， JJ Mintzes， JD Novak.Research on alternative conceptions in science[M].Handbook of Research on Science Teaching and Learning. Macmillan Publishing Company， 1994.177-210.

[9] John Clement， David E. Brown， Aletta Zietsman.Not all preconceptions are misconceptions： finding ‘anchoring conceptionsfor grounding instruction on studentsintuitions[J].International Journal of Science Education， 1989， （11）：554-565.

[10] The Ohio State University Common Misconceptions about Heat and Insulation[DB/OL]. http：// beyondpenguins.ehe.osu.edu/issue/keeping-warm/common-misconceptions-about-heat-and_insulation