突破相异概念，发展科学思维

余逆梦

【摘 要】学习的本质是一种思维活动，科学教学致力于通过学生的积极思维，将其简单、稳固的前概念转化为系统的科学概念。在前概念的转化中，最难突破的是相异概念，因此教师要找准相异概念的产生原因，确定思维发展方向，助力相异概念顺利、自然地转化为科学概念。

【关键词】小学科学 相异概念 科学思维

學生都是带着他们对生活现象的经验和解释进入科学课堂的，这些经验和解释可能来自身体力行的活动，可能来自大众媒体的传播，可能来自与身边人的交流，这就是“教学前概念”，简称“前概念”。这些前概念有的是正确的，有的是错误的，有的即使正确却是浅薄的、不规范的。此外，前概念存在个体差异性和稳定性，即学生的原有观念是五花八门而持久稳固的，很难通过简短的解释说明进行转化。因此，科学教师要准确了解学生前概念的一般倾向，在课堂上激发思维，审视经验，形成新的、稳固的科学概念。

一、前概念分类

总结教育领域关于概念的文献，不难发现，最普遍的定义主要有前概念、朴素概念、相异概念三个术语。其中前概念可以分为朴素概念和相异概念：

（1）朴素概念：指与科学概念基本一致，但不够严谨、完整的前概念。如苏教版科学三年级上册，学生在学习《人的呼吸》一课时，知道鼻、肺、气管等名词，但对每个器官的具体位置、功能、先后工作关系，口腔不是呼吸器官等概念了解得不够完善，这些概念就是朴素概念。

（2）相异概念：指与科学概念冲突甚至完全相反的前概念。如学生在学习苏教版科学四年级上册《鱼类》一课时，常认为“鲸鱼”的名称里含有“鱼”字，又生活在水中，应该属于鱼类（实际属于哺乳动物）；学生在二年级、五年级认识“光”现象时，常会认为人眼看到外界物体的原理是光从眼睛发出，射向物体（实为外界物体反射光线，光进入眼睛，被人感知）；学生对热量和温度有一定理解，但当被问“两杯30℃的水混合，温度是多少”时，会简单认为温度可以相加，所以是60℃。

二、产生原因与教学策略

（1）朴素概念的产生原因主要是学生在课堂学习之前，或主动接触、观察、理解，或被动接受来自成人、书本等外界的信息，对于事物有一定了解，但了解得不够系统全面。因朴素概念与科学概念没有较大冲突，所以教师只需采取丰富多样的教学方式顺势引导补充，就可以达到良好的教学效果。

（2）相异概念的产生原因较多，结合日常科学教学中出现的问题，可以总结为三点：不当推理、错误理解、“常识”教育。相异概念在学生认知中具有一定稳定性。学生在生活实践中曾利用这些概念解释、解决过一些问题，进而对其产生较强的信任感和依赖性，所以相异概念的转化相对困难。除了常规的创设真实的生活情境、安排实验让学生亲自体验，通过讨论交流形成概念等教学设计，教师还要注意找准相异概念的产生原因，带领学生聚焦本质深入推理，多角度有逻辑地修正概念，批判考量常识概念，使其思维积极参与，主动转化相异概念，形成科学概念。

三、对应相异概念产生原因，找准思维的生长点

（一）针对不当推理，训练思维的深入度

学生常常基于已有的认知对概念进行推理，以认识、解释更多的事物和现象，然而这些推理经常是错误的。如学生根据生活经验认为生活中重的物体下降得更快，做出推理——摆的运动中，摆锤越重，摆动得越快。这些概念由学生基于经验进行推理得出，推理过程看起来“有理有据”，结论也显得“真实可信”，所以对它们深信不疑，课堂上要想通过单一的实验活动让学生完全转变，教学过程就会显得生硬单调，效果不够理想。

例如，在苏教版科学一年级下册《这里面有空气吗》一课中，当教师拿出空塑料瓶问瓶中是否有空气时，大部分学生认为瓶子很轻，是空的，所以里面有空气。当教师出示粉笔、红砖、积木等材料时，大部分学生认为粉笔、红砖、积木都较重，不是空的，所以里面没有空气。

针对“判断空气是否存在的依据”，学生将推理准则落脚在轻重上，这是因为他们没有透过产生气泡的现象注意到物体的孔隙大小。如果按照教材的设计，将实验材料依次放入水中，观察是否有气泡以判断是否有空气，学生的思维就仅仅停留于积累的“粉笔、红砖里面有少量空气，积木里面没有空气”这些生活经验，思维没有得到发展。如果下次换一种物体：橡皮、铅笔、衣服，则依然不知道里面是否有空气，也不知道通过什么方法进行实验，以搜集证据检验自己的想法。

科学课不能仅通过实验观察积累零碎的生活经验，而应该透过现象看本质，即引导学生从正确的角度进行推理，通过观察现象——聚焦本质——检验巩固的方式，认识事物的本质特征和事物之间的内在联系，形成正确完整的科学概念。

因此，在《这里面有空气吗》一课中，教师应该将推理准则落脚在孔隙大小上，提供孔隙很大、孔隙较小的两组材料，让学生逐步深入进行推理检验。具体来说，教师可以先带领学生依次观察空塑料瓶、放满花生粒的塑料瓶、放满米粒的塑料瓶放入水中出现的现象，并分析冒出气泡的多少与瓶中孔隙大小的关系，初步建立科学概念：物体中是否有空气与其孔隙大小有关。然后层层递进，以粉笔、红砖、积木等物体为研究对象，先进行观察，看是否有孔隙，再运用新建立的科学概念预测放入水中会有什么现象，最后进行实验，检验、巩固该概念。这样的教学才能让学生的思维参与到概念的层层转化，让学生正确、主动、深刻地展开推理，形成科学概念。

（二）针对错误理解，训练思维的逻辑性

学生常将一些科学概念与生活用语混淆，产生错误理解。如不能很好地区分生活用语“融化”与科学词汇“溶解”；将鼻子闻的“气味”与嘴巴尝的“味道”混淆。这些错误理解来自生活化的语言，学生接触和使用的机会很多，因此具有稳定性和坚韧性。如果教师只是强硬转变学生的概念，学生在学习过这些概念后的状态可能有以下几种：（1）基本接受教师讲授的概念，但只在与教学情境相似的情境中才会使用新概念解决问题，一旦情境有较大改变，仍旧恢复原有概念，且倾向于使用原有概念解决问题；（2）没有转化前概念，只是在其基础上增加了一个平行的概念，解决实际问题时，出现不知选择哪一种概念的困惑状态；（3）保持原有概念，不理解、不接受新概念。

例如，学习苏教版科学五年级上册《云和雾》一课之前，学生常有两个相异概念：（1）云和雾里的“白汽”是水蒸气；（2）产生“白汽”的原因是水蒸发。这是因为日常生活中人们常将“水蒸气”一词泛化，将煲汤、洗澡、泡面时产生的雾气蒙眬的“白汽”称为水蒸气，而“水蒸气”里有个“蒸”字，所以这些“白汽”是蒸发产生的。而在科学中水蒸气是指看不见的水的气态形式，可以看见的“白汽”其实是水蒸气遇冷液化形成的悬浮在空气中的液态小水滴。

针对这些概念的错误理解，教师可以引导学生像侦探一样从多角度、有逻辑地进行推理判断：

首先，联系苏教版科学四年级下册《水受热以后》一课中所学的水蒸气是看不见摸不着的，与沸腾的水和冰棒周围可见的“白汽”的形态不同，确定“白汽”不是水蒸气。

其次，回忆生活中看到“白汽”时的场景，引导学生初步确定“白汽”产生的条件：天冷时，掀开泡好的方便面盖子会有大量“白汽”向上升腾，而天热时这些“白汽”却很不明显；刚倒入杯中的开水上方会有“白汽”缭绕，但过了一会儿随着水逐渐变凉，“白汽”也逐渐减少甚至消失；夏天从冷冻室里拿出冰棒时有不断下落的“白汽”，而冷藏室里拿出的物品一般没有“白汽”缭绕。明确不论物体冷热，都需要在与周围环境有较大温度差时才会出现“白汽”。

再次，观察“白汽”到底是什么：将一块干布放在装有开水的烧杯上方，过一会儿发现“白汽”笼罩下的干布逐渐潮湿，初步明确“白汽”可能是水。然后在暗环境中用强光手电筒照射“白汽”，让学生直接观察到不断上升的“白汽”其实就是一颗颗小水滴，明确“白汽”是小水滴。

最后，完善概念，确定这些小水滴是哪里来的：结合冬天进入火锅店时眼镜上产生的一层小水滴，寒冷天气里开了暖风空调的窗户上会有一层水雾，学生很容易想到小水滴不是冷热物体里流出来的，而是空气中热的水蒸气遇冷时产生的。

经过这一步步的排除、思考、观察、推理，学生的逻辑思维必然在缜密度上有所发展，而且由于结合了生活经验，新生成的科学概念的印象应该是很深刻的，避免了教师做演示实验—学生观察现象并做出没有依据的猜测—教师告知“水蒸气遇冷液化”的被动接受型教学。

（三）针对“常识”教育，训练思维的批判性

随着整个社会对提升科学素养的提倡和人们通过网络获得知识的日益便捷，家长对孩子的科学教育越来越重视，主要表现为经常给孩子讲授很多“科学概念”，同时学生也可以通过各种便捷的方式获得很多碎片化的概念。这些间接、被动获得的概念，有的看似是符合常识的，其实是错误的。

例如，在苏教版科学三年级下册《种子发芽了》一课中，有一个教学目标是“做种子萌发的对比实验，初步认识种子萌发的条件”。教材中设计的是为4个瓶子中的种子提供不同的水量、空气、温度，发现种子萌发需要水、空气、适宜的温度，而没有提到阳光、土壤（它们不是必要条件），这与学生的前概念有一定冲突。

学生在生活中常看到或听说“植物生长需要阳光”，而且“土壤具有一定的肥力，能够提供植物生长所需要的营养物质”也是三年级上册《土壤的成分》一课形成的一个确定的科学概念，所以种子发芽不需要阳光、土壤这一概念很难扭转。由于概念冲突明显，如果只在教材安排的实验后进行讲授“种子萌发不需要阳光、土壤”，学生必然很难认可。此外，三年级学生刚开始接触对比实验，直接让他们针对水、空气、温度、阳光、土壤这5个条件设计严谨科学的对比实验，超出了其知识储备和能力，因此教师可以采取扶放结合的方式修正错误常识。

在《种子发芽了》一课的教学中，教师可以先在第一课时让学生说说自己认为种子发芽需要哪些条件（暴露错误的常识），然后分析教材中设计的实验——每个瓶中为种子提供了哪些条件？进而展开实验，课后观察种子发芽情况。在第二课时汇报实验现象，总结出种子发芽需要水、空气、适宜的温度后，明确新的研究问题——之前的实验没有对大家普遍认可的阳光、土壤这两个条件进行研究，那阳光、土壤是否会影响种子发芽呢？对照之前的实验，想办法设计新的实验验证自己的想法。学生有了第一课时的研究基础后，能在小组讨论中得出一致意见——新的瓶子中要提供水、空气和适宜的温度，但要注意改变不同瓶子接受的光照情况或土壤环境。

又如，在苏教版科学三年级下册《幼苗长大了》一课中，有一个教学目标是“了解植物根、茎的作用，叶的构造及作用”，形成“植物的根、茎、叶分别负责吸收、输送、制造养料”的科学概念。“叶制造养料”的概念与学生在生活中常听说的“植物从土壤中吸取营养从而生长”有一定冲突，因而对植物不同部位作用的认识容易出现混淆。

如果教师只是告知概念，三年级学生很容易产生困惑或自动忽略，仍坚持原有观念。笔者在执教《幼苗长大了》一课的同时，对本校六年级20个班200名学生进行了问卷调查，结果显示有87个学生认为植物通过根从土壤中吸收营养从而不断长大，而没有提到叶片会进行光合作用产生养料。可见，“叶制造养料”虽不是本课的教学重点，却是持久困扰学生的一大难点。

此时，借助科学史进行教学是一种快捷、科学的方法，但科学史的学习不能是简单的讲授，还要注意培养学生思维的批判性。教学时，教师可以设计资料阅读，依据时间顺序，带领学生重回历史：

（1）第一份资料通过图文介绍17世纪泛·海尔蒙特进行的柳树实验：只给花盆中固定土壤量的柳树浇水，5年后，柳树质量增长了74.4kg，而土壤质量几乎没有改变。然后引导学生思考：植物增加的重量可能来自什么？学生在分析后自然会质疑原有的“植物从土壤中吸取营养生长”概念，并提出猜测：植物增长的74.4kg物质可能来自水。

（2）第二份资料通过图文介绍18世纪普利斯莱特的老鼠、植物系列实验，让学生了解植物生长需要二氧化碳气体（这种气体在三年级上册《人的呼吸》一课已经通过实验检测过，所以学生对它并不陌生）。

（3）第三份资料通过视频介绍20世纪科学家利用放射性同位素示踪法进行了研究，并最终发现植物通过水、二氧化碳和阳光制造养料，而不是之前普遍认为的从土壤中吸收营养。

经历这一系列科学史的学习，学生置身历史，通过对数据的简单分析，体验一代代科学家的科研历程，意识到科学是一个不断发展完善的过程，即使是科学家提出的观点也不一定正确完善，因此对生活中的“常识”要批判地理解，不能盲目信任權威。

正如奥苏贝尔所说的“影响学习的最重要因素是学生已经知道了什么，并根据学生原有的知识情况进行教学”，科学课的所有探究都应以学生的前概念为基础展开。其中，相异概念因其冲突性和稳定性，转化起来没有朴素概念那么简单，但却是训练学生科学思维的一片沃土。科学教师要在课前了解学生相异概念的一般倾向，分析相异概念的产生原因，采取对应的教学策略，帮助学生在思维的积极发展中，认识本质、修正概念、发展高阶思维。

注：本文系江苏省教育科学“十四五”规划2021年度重点课题“小学科学‘双螺旋结构课堂构建与实施的研究”（编号：B/2021/02/174）的阶段性成果。