科學(xué)前概念的多維度調(diào)查與對策分析
——以“水珠從哪里來”一課為例

陳丹純

(深圳市福田區(qū)實(shí)驗(yàn)教育集團(tuán)梅園小學(xué) 廣東 深圳 518049)

1 研究方法

如圖1所示，編制3段式問卷，第一段通過選擇題調(diào)查學(xué)生是否見過這個情景，第二段通過開放式問題了解學(xué)生對“水珠從哪里來”的初始想法，以圖文形式表達(dá)出來，將思維過程可視化，容易發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題所在[1].第三段寫出具體理由，更進(jìn)一步了解學(xué)生的想法.

圖1 “水珠從哪里來”三段式調(diào)查問卷

調(diào)查內(nèi)容包含3個情景[2].

情景一：裝冰的杯子外壁出現(xiàn)水珠；

情景二：寒冷冬天，室內(nèi)玻璃窗戶上出現(xiàn)水珠；

情景三：從冰箱拿出的水果，過一會表面上出現(xiàn)水珠.

通過調(diào)查，我們總共收集有效問卷224份，并把學(xué)生的科學(xué)前概念分為4個維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[3]，詳見表1.

表1 “水珠從哪里來”統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表中數(shù)據(jù)為百分比%)

正確前概念：學(xué)生頭腦中已經(jīng)存在的具有一定合理性的知識和經(jīng)驗(yàn)，比如，學(xué)生知道水珠是從空氣里來的，在冷熱碰撞后形成的.

迷失前概念：學(xué)生對問題的認(rèn)識是模糊不清、含混的，比如學(xué)生只提到冷熱，沒能說出水珠由來，混淆水珠和水蒸氣.

錯誤前概念：學(xué)生頭腦中存在的不科學(xué)的知識和經(jīng)驗(yàn)，比如學(xué)生認(rèn)為水珠是冰融化后的水或冰蒸發(fā)出的水蒸氣.

空無前概念：學(xué)生出現(xiàn)認(rèn)知上的空洞，想到無關(guān)事物或完全沒有想法.

2 結(jié)果分析

這3個情景中，絕大多數(shù)學(xué)生見過情景一，他們在前面的學(xué)習(xí)中剛做過水結(jié)冰、冰融化的實(shí)驗(yàn).有26.3%的學(xué)生沒見過“室內(nèi)玻璃窗戶上的水珠”，比例最大，說明他們在日常生活中較少留意觀察.我們利用SPSS軟件對調(diào)查數(shù)據(jù)做皮爾遜相關(guān)性分析，結(jié)果顯示情景一與情景三在 0.01 水平上顯著相關(guān)，如表2所示.

表2 相關(guān)性分析結(jié)果 (表中數(shù)據(jù)為百分比%)

學(xué)生是否見過科學(xué)情景(簡稱熟悉度)與正確前概念、迷失前概念、錯誤前概念及空無前概念之間均無顯著相關(guān)性，各情景中學(xué)生的迷失前概念與錯誤前概念在0.05水平上顯著相關(guān)，如表3所示.這表明學(xué)生對情景一與情景三的認(rèn)知具有共通性，學(xué)生是否見過科學(xué)情景與學(xué)生的前概念情況并無關(guān)聯(lián)，迷失概念與錯誤概念之間存在一定的關(guān)聯(lián).

表3 相關(guān)性分析結(jié)果(表中數(shù)據(jù)為百分比%)

2.1 正確前概念

學(xué)生的觀點(diǎn)有助于科學(xué)概念的建構(gòu)，但幾乎沒有學(xué)生能準(zhǔn)確說出“凝結(jié)”一詞，他們采用的詞匯是“變成”“形成”“產(chǎn)生”“化成”“凝固”等.看來，學(xué)生的生活用語中沒有 “凝結(jié)”一詞.綜合對比這3個情景，情景二雖然是最多的學(xué)生沒見過，但正確前概念的比例反而是三者之中最高的，約占22.9%.他們能與生活中“起霧”的現(xiàn)象做類比.原因在于這個情景涉及的因素單一，沒有“冰”這一明顯因素的干擾，學(xué)生才會往其他方面思考，由此想到周圍空氣.調(diào)查顯示，只有個別學(xué)生能提及空氣中的水蒸氣，他們多是通過詢問家長或網(wǎng)絡(luò)搜索得知.難道學(xué)生原有的知識經(jīng)驗(yàn)中沒有“水蒸氣”這個概念？為此，我們利用圖2的問卷進(jìn)一步調(diào)查學(xué)生對“水到哪里去了”這一問題的科學(xué)前概念.

圖2 “水到哪里去了”三段式調(diào)查問卷

表4 “水到哪里去了”統(tǒng)計(jì)結(jié)果 (表中數(shù)據(jù)為百分比%)

2.2 迷失前概念

每個情景中，都有近20%的學(xué)生提及“冷熱結(jié)合”.因?yàn)閷W(xué)生在生活中有許多類似的經(jīng)驗(yàn)，比如，冬天呵氣、熱水冷卻、打開冰箱等都會伴隨水珠的形成.有些學(xué)生給出的理由是冰吸熱會融化、水吸熱會蒸發(fā).這個想法與水蒸氣遇冷凝結(jié)成水珠的物理過程是背道而馳的，阻礙著學(xué)生新概念的形成.有個別學(xué)生還提到“熱脹冷縮”，這個觀點(diǎn)很有意思，學(xué)生樸素的思維背后蘊(yùn)含著深刻的物理原理：水受熱，分子熱運(yùn)動加快、分子間距離增大，“膨脹”成水蒸氣；水蒸氣遇冷，分子熱運(yùn)動減慢、分子間距離減小，“收縮”成水珠.

情景二中，有22.5%的學(xué)生聯(lián)想到空氣中的水分或水蒸氣，從學(xué)生的畫圖和描述來看，他們大都出現(xiàn)了概念混淆，要么認(rèn)為水珠直接來源于空氣中的水，要么把水蒸氣當(dāng)作水珠，認(rèn)為自然界中的水可以變成水蒸氣附著在窗戶上.

2.3 錯誤前概念

情景一與情景三中，接近一半的學(xué)生存在錯誤前概念，遠(yuǎn)高出情景二.他們認(rèn)為水珠是冰蒸發(fā)出來的水汽，或是冰受熱融化后形成的水.再者，學(xué)生口中的“水汽”指的還是水珠，比如，有的學(xué)生這樣描述：“冰蒸發(fā)后出現(xiàn)的水霧(水珠)”，還有的把畫出的“小水珠”標(biāo)注為“水汽(水蒸氣)”“液化后的小水珠”.可見，導(dǎo)致學(xué)生在分析問題時，傾向于選擇直觀明了的現(xiàn)象進(jìn)行解釋，甚至?xí)ふ腋鞣N看得見的聯(lián)系，來建立自圓其說的解釋體系，如“冰”“雪”“雨”“水汽”等.情景二中，雖然冬天室內(nèi)玻璃與冰無直接聯(lián)系，但仍有16.1%的學(xué)生認(rèn)為水珠是雪融化而來的.不管是哪個情景，很少有學(xué)生能想到空氣中看不見的“水蒸氣”，也正因?yàn)樗魵饪床灰?，他們才很難意識到水蒸氣變成水珠的“液化”過程.

2.4 空無前概念

情景三中，出現(xiàn)空無前概念的學(xué)生占18.7%的比例，約為情景一和二的2倍.原因可能是21%的學(xué)生沒有見過這個現(xiàn)象，且沒有相似的生活經(jīng)歷.實(shí)際教學(xué)中，很多學(xué)生即使能夠解釋“裝冰的杯子外壁上出現(xiàn)水珠”的原因，依然無法正確解釋“從冰箱拿出的東西外壁出現(xiàn)水珠”的原因.這說明“凝結(jié)”這一科學(xué)概念抽象難懂，即使是相似的情景，學(xué)生也難以進(jìn)行遷移應(yīng)用.

3 教學(xué)對策

3.1 注意科學(xué)詞匯的正確理解 轉(zhuǎn)變迷失概念

調(diào)查顯示，受生活俗語的影響，很多學(xué)生錯誤地將“小水珠”當(dāng)作“水蒸氣”，比如將冰塊附近出現(xiàn)的“白汽”叫做“水蒸氣”，認(rèn)為“云”是水蒸氣的一種形式.這是造成學(xué)生迷失前概念和錯誤前概念的主要原因之一.因此，如果沒有先更新學(xué)生關(guān)于水蒸氣的知識結(jié)構(gòu)，在執(zhí)教“水珠從哪里來”時就會遇到諸多困難.而原有教材中，“水和水蒸氣”一課卻編排在“水珠從哪里來”之后，顯然是不合理的.在教學(xué)中，我們需要先轉(zhuǎn)化學(xué)生的迷失概念，把通俗用語水汽(水蒸氣)轉(zhuǎn)化為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)詞匯“水蒸氣”，即肉眼看不見的水的氣態(tài)形式，書寫時應(yīng)注意“氣”字不帶三點(diǎn)水.帶三點(diǎn)水的“白汽”或“水汽”一般指的是肉眼看得見的小水珠，是水的液態(tài)形式.教師也可以借助韋恩圖讓學(xué)生比較 “小水珠”與“水蒸氣”的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)概念的正確理解.與水的三態(tài)變化有關(guān)的科學(xué)詞匯繁難易混，包括蒸發(fā)、沸騰、凝固、凝結(jié)、融化等，我們可結(jié)合文字釋義幫助學(xué)生規(guī)范使用科學(xué)詞匯.

3.2 反證法挑戰(zhàn)錯誤前概念 逆向思維法建構(gòu)新概念

針對學(xué)生的錯誤前概念，可以通過反證法引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，否定學(xué)生的原有觀點(diǎn).情景一中，挑戰(zhàn)前概念“冰蒸發(fā)后形成的水汽”，可以先讓學(xué)生摸一摸杯壁內(nèi)側(cè)有無水珠，由此提出問題：為什么水珠不在內(nèi)側(cè)而是在外側(cè)呢？接著進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，把杯子加上密封蓋，過一會兒看外壁是否產(chǎn)生水珠；挑戰(zhàn)前概念“冰融化后的水滲出”，可以在冰塊中滴入紅墨水，過一會兒看外壁的水珠是否呈現(xiàn)紅色. 情景二中，可以把玻璃片放入冰箱冷藏，實(shí)驗(yàn)前從冰箱拿出，讓學(xué)生用紙巾擦干后觀察現(xiàn)象；同理，情景三也可以采用類似的方法.接下來就是建構(gòu)“凝結(jié)”概念了，由于學(xué)生對水受熱蒸發(fā)的現(xiàn)象較為熟悉，因此,我們可以采用逆向思維法，通過解釋熱水上方出現(xiàn)白汽的原因，認(rèn)識水的形態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換，化“阻礙”為“疏通”，讓學(xué)生充分理解凝結(jié)的過程.

3.3 解釋生活中小水珠的來源 深化科學(xué)概念

在教學(xué)中提供足夠的信息來豐富學(xué)生的科學(xué)概念，使學(xué)生能夠解釋大自然和生活中各種小水珠的由來，做到觸類旁通、遷移應(yīng)用，促使學(xué)生單一孤立的科學(xué)概念變得更為體系化，而不僅是解釋書本上的問題“杯子外壁的水珠從哪里來”.