企业军训计划:初中学生化学前科学概念的调查及其对策

初中学生化学前科学概念的调查及其对策
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　　现代认知建构主义理论认为，学习过程是学习者原有的认知结构与从环境中接受的感觉信息相互作用、主动建构信息意义的过程，学习者先前的知识、经验及思维方式在个体的学习过程中起着极其重要的作用。具有不同认知结构的个体在接受同一外界信息时，可能会形成不同的认识。这就启示我们：在教学活动中必须重视学生头脑内部的认知结构，了解学生的知识、经验状况以及思维习惯，尤其要了解学生已有概念中那些不全面甚至错误的概念(即学生的“个人观念”“相异构想”或“前科学概念和认识”)。因为有关研究表明，学生的许多前科学概念和相异构想是比较顽固而且潜在的，它们对学生的许多科学活动如观察、理解、应用知识及解决问题等都产生重要影响，特别是消极作用。研究同时发现，课堂教学前后，很多学生的个人概念并没有发生多大的改变，暴露出现行科学概念教学的低效性和盲目性。对教师而言，如何发现学生头脑中那些朴素的、不全面的甚至错误的概念，采用哪些教学方法帮助学生把那些不全面的、错误的概念转变为科学的概念，是教师迫切需要解决的问题。为此，笔者在调查研究的基础上，提出解决这一问题的某些对策，以期在教学实践中取得较好的成效。

　　一、调查

　　(一)调查方法和对象

　　调查于2000年8月在学生正式接受化学学科教育之前进行，调查的问卷及方法在参考北京师范大学王磊教授研究的基础上进行设计，全卷共分两部分，第一部分为判断题(客观卷)，共计三十题，主要围绕物质的同一性、质量守恒定律、纯净物与混合物、溶液的有关性质、燃烧、生锈、常见物质组成、分子的有关性质等内容来设计，学生针对题目所给的说法，选择“正确”“错误”或“不知道”来回答。第二部分为问答题，共有三题，针对本地的实际情况及化学学科的特点进行设计，要求学生对环保知识、化学职业的了解、化学课堂教学及化学教师的期望进行简答。调查对象为本校新一届初三的四个教学班，共收回有效问卷194份。

　　(二)统计结果

　　初步统计结果表明，初中生在学习化学之前就已经拥有较强的前科学概念, 对多数化学核心知识的一致性概念和相异性概念都十分显著(“一致性”表示学生的看法与参考答案相一致，“相异性”表示学生的看法与参考答案不一致)，尤其是比较抽象的知识如溶液的均一性、溶解过程、物质的组成、分子的性质等的相异性更为突出。从第二部分问答题回答的情况看，大多数学生对环保知识有一定的了解，能说出治理汽车尾气排放、治理水体污染、进行垃圾分类等环保措施，仅有6.2%的学生不能说出。对化学职业的了解，有11.9%的学生说不知道或不能回答。对化学课堂教学及对化学教师的期望，有52.6%的学生希望能多做实验、多动手实践，有58.8%的学生希望化学教师能幽默风趣、态度和蔼，使化学课上得生动活泼。

　　此外，笔者还比较了学生初二物理成绩与客观卷的一致性及关系。结果显示，客观卷的一致性与物理成绩有极显著的相关，表明学生先前的知识、经验及思维方式等在学习过程中起着重要的作用。

　　为了进一步探究影响学生前科学概念的主要因素及其对化学成绩的影响，一年后，笔者又了解了受调查的194名学生中在我校参加中考的182名学生的化学成绩，结合原来问卷统计的情况进行因素分析。从中抽取影响学生前科学概念的10个主要因素：物质的组成(如水、溶液的组成)、科普知识(如对微粒、化学物质、盐、空气质量的认识)、生活经验(如对导电、生锈、燃烧、沸腾、同种物质的认识)、气体的成分(如空气、一氧化碳和二氧化碳)、燃烧的条件(如氧气的作用、加热等)、气体性质(如氢气密度、分子运动)、常见物质的性质(如盐酸的作用)、质量守恒定律(如铁生锈和木材燃烧后质量的变化)、溶液的均一性(如一杯糖水上下是否一样甜)、观察的方法(如空气的观察等)。

　　在上述因素分析基础上，笔者进行了二阶因素分析。分析发现上述10个因素的内容可概括为三个方面。其中，物质组成、科普知识、生活经验、常见物质性质、质量守恒定律可归纳为知识经验方面，气体的成分、燃烧的条件、观察的方法可归纳为实验方法方面，气体性质、溶液的均一性可归纳为思维方式方面，正是这三个方面的因素对学生的化学成绩产生了较大的影响。

　　二、对策

　　学生头脑中前科学概念的形成首先来源于自己的生活经验和直观感受，以生活常识先入为主。其次，来自通过自己单凭直觉的推理，对名词、规律、定理进行错误推广。此外，学生的生活背景、科普教育的片面性和某些大众媒体的误导，也在相当程度上影响学生前科学概念的形成。总之，前科学概念是学生根据自己的经验观察和理解世界得出的结果，虽然它仅仅是一种朴素的观念，但却是学生思维的产物，也是学生理解新事物的基础，有其存在的客观性。教师不能忽视它的存在，更不能总是一味地指责或嘲笑学生的前科学概念，否则将会挫伤学生的自尊心，降低学生的学习兴趣，甚至对理科的学习产生畏惧心理。只有对学生的前科学概念因势利导，有效地加以利用，才能使学生积极地构建自己对外部世界和现象的观察与理解，让新的知识纳入到学生原有的认知结构中去。为此，笔者认为，可采取以下措施实现学生前科学概念的转变。

　　(一)充分利用化学实验

　　化学是一门以实验为基础的学科，许多化学概念源于化学实验，许多科学方法也都能和化学实验融合在一起。通过实验，不仅能发现事物运动的规律, 建立科学的理论，还能验证某些假设，纠正人们心目中的一些错误观念。前科学概念主要源于学生的直接经验，因而让学生在直接经验中修正错误的观念，是帮助学生获取知识的最好途径，这样也更符合学生的认知规律。一般学生的前科学概念是片面的，通过观察和实验可以扩展学生的感性经验，使学生理解起来更加形象，从而促进学生的思考，克服认识的片面性。这种亲自动手和亲眼所见的实验容易使学生信服，正确的实验结论是最有说服力的。从调查分析中可以看出，实验方法是影响前科学概念的重要因素，加强实验教学也是学生迫切的需求，化学实验有利于激发学生的学习兴趣。所以，教师应创造条件增加实验的机会，同时实验应尽可能在教师指导下，让学生自己动手去做。实验前可先让学生根据自己的理解预测实验结果，再进行实验，把实验结果与自己的预测结果对比，使学生信服化学概念的正确性。例如，从调查中发现有51%的学生不知道“分子和原子在不停地运动”，于是我们增加了氨分子运动使滴有酚酞试剂的水变红的实验，引导学生进行探究，使学生理解“浓氨水中有肉眼看不见的粒子逸出，有些粒子进入滴有酚酞试液的水里，使溶液成分改变，颜色变红”的结论，对分子的性质有了比较正确的认识。

　　(二)引发学生的认知冲突

　　根据波斯纳等人的研究，为了实现学生的概念转变，应满足下列条件：1.学生必须对自己头脑中已存在的概念不满意；2.学生必须对新概念有最低限度的理解；3.新概念初次出现时必须显得合情合理；4.新概念应具有解释和语言的功能。其中对当前的概念不满意是产生概念转变的关键因素，因此利用引发认知冲突的方法来促进概念的转变，对于纠正学生的错误概念是一种极为有效的教学策略。传统的教学特别强调对概念字、词、句的讲解，以为以此就能纠正学生理解和表达上的错误，却往往效果不佳。建构主义认为，知识并不能简单地由教师或他人传递给学生，只能由学生依据自身的知识和经验主动地加以建构。而社会相互作用对个体的意义建构非常重要，通过合作和讨论使学生超越自己的认识，看到与自己不同的理解，看到事物的其他侧面，从而形成对事物更加丰富的理解，将有利于学习的广泛迁移。所以，教师在课堂上既不能急于求成，也不能强行纠正，可以巧妙地通过合作学习中的讨论和对话，引发学生的认知冲突，允许学生为自己的前科学概念辩护，使学生间或师生间充分交换对同一事物与概念的不同看法。当学生发现自己所持有的概念、观念与他人不同，他人的观念比自己更合理，能更好地解决自己悬而未决的问题时，他们往往会对自己先前所持有的观念提出怀疑。在这种认知冲突中，学生易于接受新的、正确的科学概念。例如，从调查中发现有63.9%的学生认为“一杯透明的糖水，杯子下部的糖水要比上部的甜”。这虽然是个简单的溶液均一性的问题，但因涉及学生的正确思维方式问题，教师并没有一笔带过，而是组织学生进行讨论。不少学生一口咬定实际情况就是这样，辩论很激烈，有的学生还再次进行试验，最终得出了关键在于糖是否完全溶解的共识，溶液均一性的概念也就自然形成了。

　　(三)重视概念之间的联系

　　建构主义认为，学习者所建构的知识是将他们已有知识与新的经验结合起来，其中包括学习者已有概念的修改和知识结构的重组。因为知识的建构依赖于学生的知识范围，不同经验的学生带着他自己特有的认知结构和对世界的唯一理解来到教学情境中。如果学生所具有的知识范围和他的理解都无法与新的经验联系起来，那么不管教学设计得多么好，不管学习个体花费了多大的努力，学生建构知识的过程都可能是无效的。王磊等人的研究表明：1.当既有的知识与待学的知识之间有共享的属性时，概念的改变是比较容易发生的，因为这种改变主要是通过增加或减少一些属性的方式来改变概念结构，经过常规的科学教育就比较容易转化和改变；2.当既有的知识与待学的知识之间没有共享的属性时，单纯依靠一般的科学教育是很难转变的。从前面调查的结果可以看出，纯净物与混合物、常见物质的性质等知识有较高的一致性，这些知识与学生已有的经验比较接近。但对初三化学概念的学习来说，更多的是属于后一种研究结果的情况，如物质的均一性和同一性观念、物质组成、微粒的实质、可视的宏观与不可视微观的相互统一等。从前面调查的结果还可以看出，学生客观卷的一致性与其初二物理成绩有极显著的相关，这也说明学生先前的知识及概念对新概念建立的作用。因此，教师必须在弄清学生前概念的基础上，充分挖掘学生前概念中可以利用的因素，努力寻找新旧概念之间的联系，为新概念的建立牵线搭桥。

　　建立概念之间的联系的重要方法是类比的应用。维特罗克认为：有意义的学习指的是学生将经验、概念、原理、知识框架建构起联系的过程，正是在概念之间和概念内建立联系的过程才产生了有意义的学习。当用一个类比在概念间建立联系后就能产生维特罗克谈到的“有意义的学习”。因此，类比是促进学习者在已有概念、知识的基础上建构新知识的有效工具。例如，可以通过洁净、干净与纯净的类比，建立纯净物的概念；通过气体和液体体积的压缩，形成对分子间隔的认识；通过比较人与人类的关系类比原子与元素的关系；等等。当然，要注意类比运用的局限性，不能夸大类比的作用，否则反而会构建不科学的甚至是错误的概念。例如，把原子比做太阳系也许能帮助学生理解电子与原子的关系，然而这一类比也可能使有些学生误以为电子是沿着单一轨道围绕原子核旋转的，以致形成错误的概念。

　　(四)运用现代教育技术

　　现代多媒体技术和不断发展的网络技术, 在化学教育中的运用是具有优势的。首先，化学是一门从分子、原子水平研究物质的组成、结构、性质、运动、变化及其规律的学科。对于复杂的微观世界, 用传统的教学手段很难使学生理解，而化学多媒体CAI借助计算机的模拟手段，可以使学生比较直观地感知微观粒子的运动，从而有助于认识化学变化的本质。其次，化学也是一门理论性很强的学科，化学概念与原理抽象程度较高，单靠语言和文字的描述，很难在学生的大脑中留下深刻的印象。许多用其他方法或手段效果不理想或难于实现的教学内容，如化学反应历程的模拟、物质的溶解过程、离子化合物和共价化合物的形成过程等，化学多媒体CAI都可以大显身手。再次，化学的理论性、逻辑性很强，化学概念、原理、规律之间，以及物质的组成、结构、性质、运动、变化规律之间有着密切的联系，应用建构主义的教学思想，通过建立清晰的概念图、关系图来体现化学认知结构，帮助学生理清这些复杂的关系，是突破化学教学重点和难点的关键。而多媒体与网络的许多特性，与建构主义的要求十分合拍。此外，在模拟实验、收集资料、个别化学习、教学互动和提高课堂效益等方面，化学多媒体CAI也有独特的魅力。因此，我们应利用校园网的优势，自制简单课件，或从网络上下载实用的课件和资料，或购买化学多媒体CAI课件等，在教学中加以应用。这样，不仅能帮助学生消除原来错误的概念，还能激发学生的学习兴趣，使学习变得更加有意义。

　　总之，学生在正式接受化学教育之前对一些化学的相关知识普遍存在着个人的前科学概念。由于初中学生的前科学概念对化学成绩有较大的影响，了解这些前科学概念，对学生的化学教育会起到积极的作用。研究表明，影响初中学生化学成绩的主要因素是个人的知识经验、思维方式和实验方法等。所以，运用建构主义的观点指导教学，采取加强化学实验教学、引发学生的认知冲突、形成概念之间的联系和运用现代教育技术等策略，对转变初中学生前科学概念有较大的成效。

　李子朔