儿童“水的液气相变”科学前概念实证研究

黄 真

(1.北京师范大学未来教育学院，北京 100875；2.珠海高新区金凤小学，广东 珠海 519000)

儿童科学概念的发展既是儿童科学素养发展的客观要求，也是科学教育的重要内容。本文以小学阶段“水的液气相变”概念为依托，探寻小学一至六年级儿童科学前概念的内容、类型和基本特征，以期为小学科学课程与课堂教学提供有效建议。

一、研究设计

1.研究对象

研究对北京市海淀区某小学一至六年级402名学生进行了问卷、绘图和基于事件访谈等调查。在正式开展研究之前，选取60名(6～12岁)小学生为样本，对问卷、实物分析和访谈进行预调查，以检验研究方法和工具的可行性和信度。

2.研究方法与工具

本研究所要调查的概念包括蒸发、凝结和沸腾(调查概念图如图1)。

图1 “水的液气相变”调查概念图

正式研究采取随机整群抽样，从小学一至六年级随机各抽取一个班级。中高年级学生采用《“水的液气相变”问卷》进行施测，低年级学生采用绘画方法让学生完成任务，之后挑选每个年级若干名学生进行访谈，共计36人，以深入了解小学生的科学前概念及其概念发展。

(1)问卷调查。本研究的调查问卷是在已有研究调查工具的基础[1-2]上根据研究对象的特点和研究目的进行改编。结合小学生的年龄特点和阅读水平，围绕“水的液气相变”主题涉及的科学概念，设计不同形式的题目。从三至六年级各随机抽取两个班级填写问卷。回收问卷268份，其中2份问卷无效，共获得有效问卷266份，问卷有效回收率达到99.3%。

问卷主要包括两个部分内容：第一部分是学生的基本信息，包括学生的姓名、年级、出身年月、性别；第二部分是根据“水的液气相变”主题而定的三个子概念——蒸发、凝结和沸腾的测试题。这三个概念也是问卷维度，在不同的题目中探测学生在守恒观、粒子观、存在性和可逆性四个认知特点上的发展和差异，并且同一个题目有可能测试多个认知特点。调查问卷题目形式包括选择题和开放题，共有11道题，其中选择题10道(包含单选和多选)，开放题1道。选择题每选择正确一个选项计为1分，选择错误不计分；开放题不计分，作为后期分析学生科学前概念的依据。对问卷的题目进行结构效度检验，发现问卷的KMO值为0.677。因子分析结果为4个因子，分别对应蒸发、凝结、沸腾和粒子观4个维度。问卷11道选择题的内在一致性信度系数为0.671，说明该问卷具有较好的信度。

(2)实物分析法。由于小学低年级学生处于识字初期阶段，文字性信息阅读能力有限，一般的纸笔测验的形式会影响其答题的效果。因此，针对低年级小学生本研究采用该阶段儿童擅长的绘图方式进行研究；同时为了对比不同年龄段学生对物质粒子观、物质守恒和存在性的认知，本次研究也安排了三至六年级学生完成同样的绘画任务，后期对学生的绘画作品进行分析。绘图试卷共发放419份，回收412份问卷，共获得有效问卷402份，问卷有效回收率达到95.9%。绘图法主要借鉴了Terry和他的同事在SPACE项目中探测学生“蒸发”理解的方法和科学前概念的来源，并根据学生的生活经验进行了题目的改编。通过让学生用画的形式说明蒸发的水去哪里，可以探测出学生对以下几个方面的理解情况：水分子的粒子形式；水蒸气的存在性；蒸发的条件；守恒意识。通过开放式问题，了解学生已有观念的来源。

(3)访谈法。将各个年级学生在问卷和实物分析回答结果分成好、较好、一般三类，并根据学生的年龄，在好、较好、一般中分层随机抽取2名学生，总计对36名学生进行访谈。以学生的绘图为载体，并配合相应的实物操作，对学生科学前概念的内容、来源和特点等进行深入访谈。每个学生的访谈时间为10 min左右，录音转录后对其建立编码系统，对36位访谈对象的访谈记录分别进行开放式编码与主轴编码，详细地对收集到的信息进行分析。

二、研究结果

1.小学生关于“水的液气相变”科学前概念的具体内容

在“水的液气相变”主题中，其下位概念包括蒸发中水的去处、蒸发的条件、凝结的水的来源、沸腾时冒出的白气的认识、沸腾时气泡中的物质等。通过研究发现，小学生关于“水的液气相变”存在的科学前概念具体内容如表1所示。

表1 小学生在“水的液气相变”主题中存在的科学前概念

2.小学生关于“水的液气相变”存在的科学前概念类型

科学概念具有内涵、外延和例证三要素，如果学习者的概念认知与科学概念的内涵不一致，或者外延变动，或者例证失当，出现任何一种情况学习者就会形成科学前概念。根据研究中学生出现的科学前概念内容，我们发现学生存在五种类别科学前概念：第一种类型为空壳概念。学生对概念理解仅停留在语词层面，但并不知道该概念的内涵、外延与例证。比如在“蒸发的水去处”中，学生没有对蒸发的水去处做具体说明，直接用“蒸发、消失、干了”等词汇解释。第二种类型为条件缺失概念。学生已经能够建立事物之间的联系，但是这种关联还停留在表象的就近联结，建立联结的事物皆来源于学生直接感知，这种联结反映了学生原始朴素的概念理解[3]，但往往是错误的。比如学生认为凝结的水来源于冰箱里的水，或者杯子里的水渗透出来。第三种类型为不完整概念，学生对事物之间的关联理解加深，能用日常经验等获得事实解释事物之间的关联，处于该类型的概念部分错误、部分正确。比如在“蒸发的水去处”中，学生会用位置的转移解释水的“不见”，他们认为“水被人喝了”等。该类型的回答说明学生已具备守恒观点，但是对于抽象不可视的物质缺乏认识。第四种类型为异质性概念，其概念理解往往是错误的。但是相比于第三种类型，处在第四类型的学生开始意识到物质的形态变化这一事实，能够依靠不同的本体概念(如空气、氧气、热量、寒气等)建立事物的本质联系。另外，在该类型的科学前概念中学生扩大了概念的内涵，虽然能够认识物质形态变化，但是因为对气体概念理解模糊，混淆不同气体的性质。第五种类型为正确科学概念，意味着学生能够正确建立不同概念之间的联系，能够正确理解水的液气相变过程。

进一步分析小学生五种概念认知类型，发现学生的科学前概念暗含概念的发展路径，且新本体概念的纳入会影响学生的概念发展，而不同年龄水平学生的五类概念认知具有统一性。

(1)学生的科学前概念暗含概念的发展路径。科学前概念是学生概念理解的“产物”。德莱弗等认为儿童的概念发展存在一条概念轨迹，“为儿童的科学和正规科学搭建桥梁时，从‘初始概念’到‘目标概念’中间会涉及一些‘中间概念’。”[4]在这五类科学前概念中，第一种类型代表着学生的“初始概念”状态，第五种类型代表“目标概念”状态。在“初始概念”到“目标概念”还存在着三大类型的科学前概念，而有40.9%的学生处在“中间概念”状态。从科学概念内涵、外延和例证这三个要素看，二、三、四种类型的科学前概念分别是因为概念内涵属性缺失、概念外延扩大、概念内涵属性置换而形成。因此，如果要实现学生从“初始概念”到“目标概念”的跃迁，教育工作者要针对学生出现类型而对其补充相应的概念要素。

(2)新本体概念的纳入会影响小学生的概念发展。虽然早期学生已经能够正确理解一些概念，但是新本体概念的纳入，对之前的概念认知产生负迁移，会出现学生将概念内涵属性置换的现象，产生新科学前概念。第四类异质性概念的出现便是这种情况。小学阶段大部分学生学习或知道“空气”等气体概念，在绘图中发现6岁的儿童也有3个提到空气或其他气体，8岁以上儿童基本对“气体”这一本体概念有基本的认识。由于“空气”等气体存在的“无色，无味”等直观属性与水蒸气的相似性，学生易将模糊的“水蒸气”概念与空气概念类比，建立关联。小学生在概念学习的过程中引入下位概念时，如果不及时统摄出上位概念，完成概念体系的构建，往往会在已有概念体系中将新本体概念通过类比进行归类。[5]如果学生对物质之间的本体差异没有进一步区分，这种本体认识反而会成为新概念形成的干扰因素。

(3)不同年龄水平学生的五类概念认知具有同一性。在比较不同年龄段的小学生在同一层次概念中的差异，以及同一年龄段的小学生在不同层次中的差异研究中发现：随着学生年龄的增大，第一、二类型的学生人数没有明显变化；第三类型不完整概念和第四类异质性概念人数逐渐增多；而第五类型正确概念的人数逐渐减少。各个年龄段的学生在概念认知方面都存在这五种类型，且遵循着“初始概念—中间概念—目标概念”的概念发展轨迹，并且各个层次的人数占比相当。各个年龄水平学生的概念认知发展规律趋同。

3.小学生科学前概念的基本特征

以“水的液气相变”为例，研究发现小学生的科学前概念具有以下三个共性的特征：小学生的科学前概念具有情境依附性；小学生的科学前概念相互矛盾；小学生的科学前概念是结构化的体系。

(1)小学生科学前概念具有情境依赖性。科学概念理解包括建立概念之间的联系，将概念应用于不同的情境，能够以不同的方式表征概念。[6]小学生对科学概念的理解往往借助于日常生活情境，比如谈到蒸发，学生就会提到暖气上的水、家里的植物、烧开的水等，这些丰富的情境为其概念的构建提供了基础。学生对情境的依赖使得概念理解具有高度情境化，并非具有系统性的理论，因而即便是相同科学概念或原理，学生的回答会随着情境的变化而产生不同的答案。具体表现在解释凝结现象时，很多学生会提到冬天浴室的墙壁凝结的小水珠、夏天喝冰水杯壁上的水珠、冬天往眼睛上哈气有白雾、家里做饭冒出的白烟等。儿童对于蒸发和冷凝的相似情境经验越多，他们就会对类似现象提供更多解释的依据。[7]在开放系统中学生认为凝结的水来源于容器中的水，在封闭系统中学生认为凝结的水来源于水蒸气。说明学生还未理解到“空气中存在水蒸气”的事实，所以会出现有多少种情境就会有多少种答案的情况。学生往往会将个人的经验或感知与题目建立关联以帮助他们理解和解释现象。而这种经验联系根植在学生的认知系统中，潜移默化影响学生对事物的理解与认知。在蒸发的绘图中，当问到学生L为什么会画两盆植物时，由于概念与情境在学生认知体系中已高度融合，学生L一时不知如何回答，经过研究者的追问，才慢慢引出其潜在的认识来源，显现被高度情境化的知识。

(2)小学生的科学前概念相互矛盾。拉卡托斯认为科学理论不会因为观察而直接否定，当科学家发现理论与观察结果相冲突时，他们“有时候是厚脸皮的，总是能提出辅助性假设，从而避免科学理论被观察实验所否定，或者他们干脆忽略这些反常现象，转而研究其他的问题。”[8]儿童在正式进行科学学习前对科学现象往往具有自己的解释，这种解释是针对日常生活世界而构建起来的知识体系。儿童自己形成的知识体系正如科学家的科学理论一样，具有一定的坚韧性，因此即便他们观察到与自己已有知识体系不同的现象时，他们会提出一些辅助性的解释，从而调和相互矛盾的认知。在前面第三类型科学前概念中11～12岁学生人数反而最多，其原因也在于他们基于经验而构建的知识体系是其“硬核”理论，而正确的科学概念解释仅仅是其“保护带”。为此，当我们对问卷等级为“优”的学生进行绘图分析和访谈时发现，虽然他们也能够理解正确的科学概念。如学生L知道水蒸气的微粒形态——“蒸发的水变成水蒸气”“水蒸气储存在空气中”“水蒸气看不见”等一系列概念，但是遇到常见现象时，仍然认为“看得见的白气就是水蒸气”，回归了内在自主建构认知体系中。

(3)小学生的科学前概念是结构化的体系。已有研究有的认为儿童大脑中的科学前概念以“碎片”的形式存在，有的认为儿童的科学前概念存在逻辑结构。在我们研究中，通过访谈那些概念认知稳定的学生，发现不管是正确的概念还是错误的概念，学生都呈现出比较稳定的结构。学生对概念的理解会基于相互联系的概念网络，访谈中7岁的学生M对蒸发的概念建立了“蒸发—光照—热—吸收……”的概念结构。在这个结构中，对于蒸发的解释就会用光照的下位概念，如太阳光、灯光等与“蒸发”建立联结。9岁的学生G对蒸发已有一个稳定的认识，不仅能够理解看不见的水蒸气，很确定自己用“点”代表水蒸气的用意，而且可以理解气体概念。在解释蒸发和凝结现象时，她会运用热量、湿度等物理参数做辅助。在其概念网络图中“蒸发”是核心节点，“热量”“湿度”“空气”“水蒸气”等是该核心节点拓展出的关联概念。学生对不同物质、属性、抽象物本质等概念的认识，来源于他们自觉构建这些概念之间的相互联系，形成一个概念网络或概念体系，从而帮助他们更好地解释现象。[9]

三、研究建议

小学生的科学前概念既是学习者概念认知的过程也是结果，是一种重要的课程与教学资源，合理恰当地开发与利用这一资源有助于转变学生的科学概念，提高科学教育质量。

1.设立“儿童科学前概念内容库”和“科学前概念测试量表”

对学生科学前概念的诊断是进行概念转变的先决条件。教学过程中如果对学生的科学前概念没有正确的认识，从已有的科学前概念出发，往往很难帮助学生发生概念的转变。因此，在教学设计中，可以结合已有儿童科学前概念研究的结果，以主题建立起儿童“科学前概念内容库”，在相应主题单元中呈现小学生科学前概念的内容；同时为教师提供测试科学前概念的量表、问卷等工具，便于教师自主诊断。“内容库”和“测量表”将有助于帮助科学教育工作者更加清晰地把握学生的科学概念学习准备状态，为科学概念教学提供有益的前期准备。[10]

2.根据儿童概念认知水平和概念认知路径设计课程

学生的科学前概念为其架接科学概念提供了缓冲区。学生对概念的认知并非是“有”与“无”的区别，通常是一个概念在各个年龄段都会有其相应的理解，而各个年龄段理解的程度会有所差异。学生科学概念理解的“初始状态”与“目标状态”之间存在不同的类型或层次，他们的概念理解是在对每个类型的转变基础上不断深化与精准。这种概念认知类型反映了学生概念理解的发生轨迹，是学生概念认知的合理路径。

3.甄别儿童科学前概念类型，针对儿童科学前概念类型使用相应教学策略

儿童的科学前概念存在不同的类型，不同的科学前概念类型需要不同的教学策略来解决。[11]如第一类空壳概念，教学中需要给学生提供更多可感知、有价值的经验，帮助学生对事物建立基本的认识；第二类条件缺失概念，学生对概念内涵属性认识不足，教学中可以给学生创设不同的条件，或者对条件进行增减处理，完善学生对内涵属性的认识；第三类不完整概念并非完全错误，不需要重新构建科学概念体系，只是拓展或重新解释已有概念，可以采用“类比架桥”的教学策略帮助学生转变概念；第四类异质性概念，应采用“认知冲突”教学策略帮助学生实现概念的转变，达到第五类型正确概念。

另外，小学生在不同的概念类型中所占人数的比例不同，在“中间概念”人数占比呈现：第二类型<第三类型<第四类型情况，教学中可以根据该占比序列合理分配教学时间，科学安排教学方法，对第四类科学前概念的转变给予更多的关注与精力投入。