新课程下初中科学对前概念教学序列的研究和运用

■浙江省杭州市萧山区高桥初级中学 朱莉萍

在生活经验和学习经历中学生形成了许多前概念。所谓前概念是学生由于在生活中对各种现象反复观察和体验在心中自发形成的，在学习科学概念之前已存在的概念。由于前概念源于经验和道听途说，它往往缺失科学性，甚至可能与对事物进行理解科学概念相矛盾。如：学生认为重的物体比轻的物体下落更快；重的物体下沉，轻的物体上浮等等。根据前概念的形成特点，其在头脑中通常很顽固，所以常规教学序列（展示情景——情景分析——理论引导——知识构建）往往很难改变。如何使学生的前概念转变为科学概念呢?皮亚杰的认知发展理论的图式(schema)，就是指个体对世界的知觉、理解和思考的方式，影响图式的形成和发展是同化、顺应和平衡三个过程。本文探讨观测——冲突或顺应——构建教学序列在概念教学中的应用，旨在通过这种教学方法同化、顺应和平衡步骤有效地实施科学概念教学。同化是指个体将外来的各种元素纳入原有的图式中，使原有的认知图式变得丰富，并更加牢固；顺应是指个体由于产生认知冲突，然后对原有图式进行修改或重建以贴合外部的元素特征；平衡是指个体通过同化或顺应由一个低级的平衡状态上升到另一个较高的平衡状态。

通过长期的研究发现认知发展一般如此：当有外在概念作用于个体时，个体会努力使用原有的认知基础（即前概念）去同化它，如果同化成功，则马上进入一个新的平衡，个体认知水平和科学理解分析力上升。但如果原有的认知基础（即前概念）无法同化这些新的概念，个体认知将立即产生不平衡感，从而选择切断新概念信息来源或者被迫做出修改或重建认知图式，而后者就是顺应新的信息源的行为，如果采用后者最终将会再次达到较高的平衡态。在采用观测——冲突或顺应——构建序列时，学生在学习过程中发现实验或情境中的结果与其解释、实际观察的现象不一致时，学生就无法使用原有的认知体系去解释结果，于是原有的认知平衡被破坏。学生从内部发出要消除不协调或不平衡愿望，教师抓住契机从思维困顿处着手，有效进行概念教学和提供科学素材，学生将在冲突和不平衡中重新构建他们的认知从而顺应观察结果，有效促成其对科学概念的接受、理解甚至是应用的目标达成。

一、新教学序列在概念教学的实施过程和细节

第一步：预测。本教学序列实验或情境设置中要联系学生原有经验或知识，从而了解学生的认知状况，在回顾和讨论中可以发现学生前概念认知的问题所在，能让学生个体之间的认知冲突从而展开讨论。强调此环节教师要求学生写下会发生的现象和原理预测，这样将留下前概念思维痕迹，更有利于科学概念顺应或冲突的发生。从教师角度，学生预测和记录我们比较准确地了解学生前概念，学生认知偏差，需要纠正位置，是否无误等，为开展科学概念教学提供最有利学情支持。

第二步：讨论预测。小组学习中，学生必须大胆地交流观点，并使其对产生冲突的观点进行辩论。生生互动中，一些学生在同伴的互助中已打破不平衡从而形成新的概念认知。然后，我们采用组际交流形式，让每组派代表在全班分享小组的观察和预测，可利用黑板或者其他辅助工具。必须强调让学生在民主和宽松的课堂氛围中安全的心理状态下进行自己的预测，同时教师要鼓励学生表达自己的观点，避免学生因担心自己观点错误而关闭交流。在观点讨论和阐述之后，教师可以要求全班学生一起讨论那些比较接近科学解释的观点，一些学生回顾自己的预测痕迹可能就会产生冲突，这样就是改变原有的认知并且重新构建概念的开端。

第三步：观察实验。概念教学离不开实验。科学概念需要实验来支撑。实验过程中，我们如何让一些难以改变的迷思概念被改变，完成科学概念的教学呢？实验分成演示实验和学生实验两类。其效果上演示实验可由教师把控，出现科学结论的几率较高。而学生实验中学生亲自动手实验，然而由于操作的规范性或者实验用具本身的差别性，可能导致结论不够科学。所以建议在认知冲突且实验难度较大时尽量采用演示实验，教师可以请学生帮忙以增加实验的可靠性。另外，可实物投影辅助方式，如困难也可以播放贴合实际的影像资料，帮助学生扩充基础认知。特别要提到的是在此步骤中教师必须让学生有效观察并记录实验现象。

第四步：讨论实验现象。前期小组讨论中，有些个人的概念其实是科学的，但没有在组内占主导，而其他组员的前概念——迷思概念占主导。在这个环节将扭转乾坤，让学生在小组内充分讨论，用观察到的现象去顺应或者与其前概念产生冲突，使其在认知冲突中失去平衡或者少数同学因为被现象结果支持自己的认知概念而开始科学阐述。经过讨论，学生修改和完善自己原有的预测，接纳新的科学概念认知，试着对现象做出科学的解释，最终完成知识构建。

第五步：提供科学的解释。此环节，学生已基本接受科学概念，教师应引导学生对大量的事实、史实进行合理科学分析解释，教师应注意使用“科学家们的解释”代替“正确的解释”。同时，教师要保护孩子们安全感，而应用科学史让孩子认识到科学发展本就是从不完美到可能完美的过程，不能一味强调他们自身前概念问题。当然在这个环节中，为了进一步巩固科学概念，教师可以让学生在他们的书本或活动记录表记下再次划线或者文字、图标等形式记录科学的解释。然后再让他们把原有的预测痕迹与科学的解释比较比较，找出其中的异同之处，进一步促成让他们重建认知图式的愿望和行动。

第六步：后续。学生的前概念存在于潜意识中认知不易改变，所以不能保证观测——冲突或顺应——构建序列一定会获得成功，但它会是一个宝贵起点。在观测——冲突或顺应——构建的教学序列，我们要有后续支撑的巩固行动，如不同类别但原理接近的题目练习，让学生在利用新认知合理的解释分析。引导学生在巩固中不断反思，最终学会应用科学概念，甚至因为新思想而进一步使其意识到科学概念所具有的功能，即对解释自然现象所起的作用。观测——冲突或顺应——构建教学序列看似复杂，在实践中并非如此。许多教师发现完成整个观测——冲突或顺应——构建教学序列步骤的时间有长有短。观测—冲突或顺应—构建的教学序列的主要优势在于能够使教师持续洞察学生思维：步骤1～4探测学生的最初构想；步骤5可以观察学生努力重建他们的思维；步骤6 为教师提供学生的学习进度反馈。观测——冲突或顺应——构建的教学序列可提供学生“真实的反应”，因此应鼓励学生分享想法并重视其反应。这样可让教师调整教学进度和方法，促进科学概念理解，所以该序列可有效提升教学效率。

二、新教学序列概念在教学的案例与分析的应用实例

在中学科学教学中，根据《义务教育初中科学课程标准（2011版）》梳理出初中科学的重要概念，将初中科学概念按照学习属性分为三类，即具体概念、抽象概念和定义概念。

（一）具体概念

这类概念能直观显示，学生容易直接感知，大多数与日常生活经验向符合。如分子、重力、光的反射、折射等。

（二）抽象概念

这类概念以理性认识为基础，其抽象性、概念性和系统性较强，大多有严格而准确的科学定义。如力臂、参照物、摩擦力、功、新陈代谢等。

（三）定义概念

这是一些没有实体，为了解决某些具体问题或约定方法来表达某种事物而形成的概念。根据人类研究需要构建某些具体概念和（或）抽象概念的关系。如密度、压强、功率等。下面我利用《运动中的力学》的教学实录中的具体案例来具体阐明如何使用观测——冲突或顺应——构建的教学序列教学。

案例一《运动中的力学》教学过程按照POE 序列概念教学六步骤完成。

1.在情境导入中预测是否存在的摩擦力和它的方向。如图所示的人走路问题开始。

2.学生根据自身前概念讨论和预测分析受力状况，同时马上进行小组讨论和分享。

运动一：走路时的摩擦力

问题一：人在水平地面上走路时，前后脚在水平方向会受到哪些力的作用？有摩擦力吗？是什么摩擦？方向如何？为什么？要求：在右图上进行水平方向的受力分析。

教师：“我们的主要问题是摩擦的有无和方向判断有困难。同学们有能将摩擦力显性化的方法吗？”

3.观察实验并预测现象，展开小组讨论形成较统一的观点。使用PPT 配合事物展示实验探究的视频所示，利用毛刷变形方向判断摩擦力的方向。

实验探究：人在毛刷上行走。

4.观察到实验现象和个人产生认知冲突破坏的平衡，讨论中建立新平衡。让学生在小组内讨论实验结果。经过讨论和书写，教师要求学生修改和完善自己的预测，对观察到的现象做出解释，并形成书面性的报告。教师在教室循环巡视，挑出几个典型的解释，让全班学生讨论。

教师：“从实验中，我们可以看出是人前进的是你能得出什么结论？”

得出结论：摩擦力也可以是前进的动力。

教师：“让我们想象一下，在用力蹬着自行车在水平路面上前行时，是不是也存在和行走时一样的作为动力的摩擦呢？”展示学生作业图片，请同学们辨一辨哪位同学的受力分析才是正确的。

5.教师提供各种事例和科学解释，巩固新的科学概念新平衡。教师可以提供该实验的科学解释，以及提供科学解释要讲述科学思想。该实验现象的科学解释如下。

运动二：自行车骑行时的摩擦力

教师：“让我们来看一下同学们对自行车前行中的受力分析，大家认为哪个才是对的，为什么？”展示学生作业图片，请同学们辨一辨哪位同学的受力分析才是正确的。

问题二：用力蹬自行车，使其在水平地面上向前运动。它的前后轮受到什么样的摩擦力？请分析。类比归纳：1.自行车前轮类似于人行走时的前脚受到向后的摩擦力；2.自行车后轮类似于人行走时的后脚受到向前的静摩擦力。

教师：“我们经常会不蹬着自行车，其仍然在水平路面上行时，自行车受到的摩擦力又是怎样的？”展示学生作业图片，请同学们辨一辨那位同学的受力分析才是正确的。

学生辨析：“因为没有蹬踏的作用，所以在后轮上没有向后相对运动趋势，而是和前轮一样向向前滚动，所以两个轮子上都受到了向后的摩擦力。”

得出结论：物体存在摩擦动力的条件是存在相反方向的运动趋势。

6.后续研究，利用大量的练习和解释来应用新概念。

运动三：滑板运动中摩擦力

视频引入：滑板运动视频

情景1：人水平地面上一脚在滑板上，一脚蹬地，使滑板加速向前运动。

情景2：站在滑板上，人随着滑板一起向前运动。

教师语言：“滑板运动惊险刺激，下面的两个情景中有向前的摩擦动力吗？为什么？请对分析两个情景中的人在水平方向上受到的摩擦力。”寻找已经完成画图的同学。请学生到讲台上投影讲评。

应用结论：分析在水平方向上人受到的摩擦力情况。

教师：“你还能用摩擦力作为动力的其他运动项目吗？大家可以讨论。”请学生回答。

拓展分析：其他利用摩擦力作为动力的运动项目有。

教师：“大家还能举出竖直方向上利用摩擦力作为动力的运动吗？”请学生回答：“爬杆、攀岩等。”

运动四：爬杆运动之摩擦奥秘

教师：“爬杆很困难，当杆很滑时，为了获得足够大的向上的摩擦力，我们一般要怎么做?”请学生回答。问题三：爬杆运动对大多数人来说非常困难。下图是武警在操场上做爬杆训练。为了能更快地爬上杆，他会怎么做？

教师：“你还能用摩擦力作为动力的其他运动项目吗？大家可以讨论。”请学生当场回答，引发认知冲突。

习题训练：某人在操场上做爬杆运动，如果他匀速向上爬行时受到的摩擦力为f1，匀速滑下时受到的摩擦力为f2，则下列说法正确的是（ ）。A.f1=f2，方向相同；B.f1=f2，方向相反；C.f1＞f2，方向相反；D.f1＜f2，方向相反。

教师：“我们除了通过摩擦力大小影响因素知道摩擦力的大小外，你还知道判定摩擦力的大小其他方法吗？请说一说。”请学生回答：二力平衡法。

教师语言：请同学们利用今天获得的方法分析下列爬杆时的摩擦力。

方法应用：请根据情景分析并画出他受到的摩擦力的种类、方向和大小。

归纳方法：运动中分析摩擦力大小的方法——影响因素法和平衡法。

教师：“有人说拔河比赛其比的是拉力的大小，也有人说是比摩擦力的大小。你支持哪种说法？为什么？”

运动五：揭开拔河比赛的成功秘诀

教师：“让我们来一场趣味拔河比赛吧！请男生和女生根据你们的想法分别派一名同学来参加拔河比赛。”学生选好队员。教师：“你为什么选他（她）？”学生回答：他（她）重，力气大，鞋子摩擦力大。活动导入：请男生和女生根据你们的想法选派一名同学来参加拔河比赛。（一开始正常拔河，接着让男生站到滑板上）教师：“准备，开始！”学生：“男生赢。”教师：“等一下！”让男生站在滑板上，结果可想而知。

问题四：拔河取胜的秘诀是什么？ 学生齐答：“摩擦力大小的比拼。”

教师：“拔河比赛分明在拉绳子，为什么却是摩擦力大小的比拼？拔河比赛一般有两个阶段，相持阶段和决胜阶段。请看一段拔河比赛视频，然后试着用今天的结论和方法对比赛两个阶段进行受力分析！”赏视频：专业拔河比赛的场景

思考分析：试着对比赛的两个阶段进行受力分析。

习题训练：如图所示，是甲、乙两组拔河比赛的场景，不计绳重，下列说法错误的是( )。

A.比赛时，选体重大的运动员，能增大对地面的压力；

B．比赛时，运动员身体后倾、两腿弯曲，可以降低重心；

C．比赛时，拉力较大的一组最终获胜；

D．比赛时，受到地面摩擦力较大的一组最终获胜。

三、总结分析观测——冲突或顺应——构建的教学序列策略的有效性

观测——冲突或顺应——构建的教学序列以科学认识论、前概念、概念转变的研究成果为基础，把实验与学生的认知发展联系起来，使学习成为既动手又动脑的过程。观测——冲突或顺应——构建的教学序列的实质是通过预测暴露学生的前概念，通过使用演示使学生的认知发生冲突，通过讨论最终实现学生的概念转换。为实验设计观测——冲突或顺应——构建的教学序列关键点是，设法使学生真实想法暴露出来并加以纠正。因此，使用 观测——冲突或顺应——构建的教学序列教学时，课堂需要巧妙地设计和民主的氛围。