小學(xué)科學(xué)概念教學(xué)案例研究

李琴+周朝勇+唐小為

摘 要：幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念是小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)的重要目標(biāo)，國內(nèi)目前對特定概念的學(xué)習(xí)過程和具體概念教學(xué)實施效果少有關(guān)注。以“簡單電路”教學(xué)為例通過前后測、訪談和教學(xué)過程分析對比兩個平行班的概念教學(xué)效果，尋找差異的課堂成因，并藉此反思我國小學(xué)科學(xué)概念教學(xué)的一些共性問題，提出了從學(xué)生前概念內(nèi)在邏輯出發(fā)構(gòu)建問題情境、重視學(xué)習(xí)共同體的長期培養(yǎng)以及概念教學(xué)須深入自然現(xiàn)象機(jī)制等改進(jìn)策略。

關(guān)鍵詞：小學(xué)科學(xué) 概念教學(xué) 前概念 簡單電路

一、國外關(guān)于學(xué)生簡單電路概念的研究

國外研究者利用筆試、開放式問題訪談和學(xué)生活動觀察，調(diào)查到以下四種有關(guān)簡單電路機(jī)制的思維模型。單極模型（電源消費(fèi)模型）：電路只需連接電池一極就可工作，連接另一極是多余、沒用的或提供額外保障的。撞擊電流模型：電流從電池兩極相向而流，在燈泡處碰撞，燈泡就亮了。電流消耗模型：電流從電池一極流出，經(jīng)過燈泡時被消耗，剩余部分再經(jīng)過另一極流回電池。在這種模式下，電流會逐漸被燈泡耗盡。電流守恒模型：電流從電池一極流出，經(jīng)燈泡由另一極流回電池，電池兩極的電流是相等的。

從思維模型的構(gòu)成來看，學(xué)生對簡單電路的理解并非僅源于他們對直觀電路特征的觀察與歸納，更融入了他們在此基礎(chǔ)上對非直觀電流特征的諸多合理想象。如果電路概念教學(xué)不能觸動這些合理想象并建構(gòu)相應(yīng)的挑戰(zhàn)，就難以從根本上轉(zhuǎn)變概念。我國小學(xué)階段關(guān)于簡單電路的主要教學(xué)思路，是讓學(xué)生嘗試點亮小燈泡后，總結(jié)能使其發(fā)亮的連接方式，希望通過“找規(guī)律”建構(gòu)基本的閉合電路概念。因電流的深層機(jī)制牽涉到原子結(jié)構(gòu)和電子傳遞等超出小學(xué)生水平的知識元素，教師通常會避開這一話題。這往往會使得“找規(guī)律”與對現(xiàn)象機(jī)制的探究脫節(jié)，導(dǎo)致概念理解表面化。

二、小學(xué)生簡單電路前概念與概念教學(xué)效果分析

為檢驗前述概念思維模型是否適用于描述我國小學(xué)生對簡單電路的理解，本研究以同一教師所教兩個四年級平行班的88名學(xué)生為樣本，通過前后測調(diào)查了其前概念和概念學(xué)習(xí)效果。測試關(guān)注了學(xué)生對簡單電路連接方式和電流方向的理解。前后測題目基本一致，僅根據(jù)教學(xué)內(nèi)容調(diào)整了最后一個選項。測試題如下圖1和圖2所示：

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研究者還在每班抽取能代表不同水平的5名學(xué)生進(jìn)行一對一訪談：“你為什么要選這個答案？”“你為什么覺得電是這么流的？”通過提問題，探測學(xué)生選擇背后的深層邏輯。整理分析筆試及訪談數(shù)據(jù)，得到以下關(guān)于學(xué)生前概念類型和概念教學(xué)效果的結(jié)論：

（一）我國小學(xué)生的簡單電路前概念包含國外研究者總結(jié)的多類思維模型

前測結(jié)果表明，我國小學(xué)生的簡單電路前概念包含除電流守恒模型外的各類思維模型。如選擇A、C、AC或電流方向標(biāo)志為只從一根導(dǎo)線指向燈泡的學(xué)生認(rèn)為“燈泡本身沒有電，電從電池一邊流向燈泡，燈泡就會亮”，屬于“單極模型”。選擇B、D、E及其組合，且電流方向標(biāo)志為兩導(dǎo)線中電流相向而行的學(xué)生認(rèn)為“電池的兩邊都要產(chǎn)生電，兩邊的電流到燈泡，讓燈泡發(fā)亮”，屬于“碰撞模型”。選擇B、D、E及其組合，且電流方向標(biāo)志為兩導(dǎo)線中同向的學(xué)生展示出兩種可能的概念模型：一種是“電從電池一邊開始，經(jīng)過導(dǎo)線傳到燈泡，然后循環(huán)到電池另一邊”，但未明確電是否被消耗，可稱為“循環(huán)模型”；另一種是“電從電池一邊流向燈泡，使燈泡發(fā)亮，然后剩下的再流回電池”，屬“電流消耗模型”。此外，也有個別學(xué)生選擇ABCE，認(rèn)為“電從燈泡下的小黑點進(jìn)入燈泡”是保證電路正常工作的重點，還有學(xué)生在循環(huán)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步限定電流方向，如認(rèn)為“電從正極發(fā)出，流回負(fù)極”。測試和訪談中均未就電池兩側(cè)電流大小提問，因此不能判斷是否有學(xué)生前概念完全符合電流守恒模型，持循環(huán)模型觀點的學(xué)生，其概念理解可能最接近電流守恒型。

數(shù)據(jù)分析顯示，持“單極模型”前概念的學(xué)生占4.60%，持“碰撞模型”前概念的學(xué)生占22.99%，持“電流消耗模型”或“循環(huán)模型”前概念的學(xué)生占20.69%。此外前測中有近半數(shù)的學(xué)生在對電流方向表述含糊或未作答，其前概念難以明確歸類。在另一項關(guān)于“小學(xué)科學(xué)三大能力”的調(diào)研中，本測試的后測題被用于調(diào)查10個城鄉(xiāng)學(xué)校共200名五年級學(xué)生的電路電流概念，也得出相類似的結(jié)論：持“單極模型”觀點的學(xué)生占16.00%，“碰撞模型”占50.50%，“循環(huán)模型”占33.50%?？梢娫诮?jīng)歷過簡單電路學(xué)習(xí)后，前概念依然普遍存在。

（二）前后測對比顯示B班的概念教學(xué)效果優(yōu)于A班

A、B兩個平行班在學(xué)習(xí)能力和學(xué)業(yè)成績上一向無顯著區(qū)別。評分員按答案的合理與完整程度劃分受試水平并賦分。前后測第一題評1～6分，第二題為1～5分，具體如表1所示：

表1 前后測答案水平劃分與分值

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統(tǒng)計得出兩個班在前后測平均分如表2：

表2 兩個班前后測各題平均分

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*題目調(diào)整后后測難度提高，因此直接比較前后測分?jǐn)?shù)無實際意義。

對比兩班前后測數(shù)據(jù)可知：

1.前測中兩班對電路特征的理解無明顯差異，而在后測中B班理解顯著優(yōu)于A班（p<0.05）。如圖3所示，后測中A班63.16%的學(xué)生都處于水平四，即知道要連接電池正負(fù)極，但并未把握電路“要形成一個圈”或“要連通”等本質(zhì)特征。而B班有66.67%的學(xué)生理解了閉合回路的本質(zhì)特征，達(dá)到了水平五。

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圖3

從圖3中可以看出兩個班電路理解后測結(jié)果百分比對比。

2.從前后測對比來看，兩班對電流的理解均有顯著進(jìn)步 （p=0.000），但前測中A班對電流特征的理解顯著優(yōu)于B班，而后測中兩個班的平均分相同，即B班的概念理解進(jìn)步幅度遠(yuǎn)大于A班（p<0.05）。

不論是對電路還是對電流的理解，B班的進(jìn)步幅度都顯著高于A班，也就是說，B班概念教學(xué)的效果更佳。

三、概念教學(xué)效果差異的課堂成因

對兩班教學(xué)過程的分析有助于理解其概念教學(xué)效果差異的成因。

1.機(jī)制性猜想發(fā)生時機(jī)。教師主導(dǎo)的討論vs.學(xué)生自創(chuàng)問題情境。第一課時：通過點亮小燈泡，歸納能使燈泡發(fā)亮的電路連接方式。兩班學(xué)生都給出了不同歸納，一種是列出所需材料（“有電池有電線”和“都是把燈泡放在一節(jié)電池上面的”）；第二種是強(qiáng)調(diào)各連接點的正確連接順序（“電池上有加號和減號，先用導(dǎo)線一頭接觸電池的減號，再把另一頭接到燈泡金屬圈，再把燈泡底部放在電池的加號上，就可以發(fā)亮了”）。B班學(xué)生還給出了第三種更貼近“回路”的歸納即要“連成一個圈”，“讓電有前進(jìn)的路”。隨后的討論中，A班學(xué)生在教師引導(dǎo)下就“為什么這些連接方式能亮”展開了短暫的機(jī)制性討論，臨下課時先后提出了電流消耗模型（“電從正極出發(fā)，點亮燈泡后沒用完的回到負(fù)極”）和碰撞模型（“正極發(fā)正電，負(fù)極發(fā)負(fù)電，并在燈泡碰撞發(fā)亮”）兩種觀點。B班臨近下課時，學(xué)生甲給出了連接示意圖，并問“這樣連接可不可以亮？”全班因此分成兩派，認(rèn)為“不能亮”的學(xué)生強(qiáng)調(diào)線路沒有“接通”，電“不能循環(huán)”；認(rèn)為“可以亮”的學(xué)生強(qiáng)調(diào)電池正負(fù)極都連接了，“兩極都可以發(fā)電”。兩班學(xué)生提出的機(jī)制性猜想十分相似。不同的是，B班出現(xiàn)了學(xué)生甲創(chuàng)設(shè)的問題情境，學(xué)生們會很自然地想動手嘗試這一連接。

2.對機(jī)制猜想的處理。繼續(xù)嘗試與猜測vs.收集新證據(jù)解決爭議。在B班后繼課上，教師抓住生成的爭議點，讓全班檢驗學(xué)生甲提出的連接能否發(fā)亮，再嘗試用兩節(jié)電池點亮小燈泡，并根據(jù)能夠點亮的電路圖再次總結(jié)能使燈泡發(fā)亮的電路特征。這次收集到的新證據(jù)讓不少原本持“碰撞說”的學(xué)生改了主意，如學(xué)生甲就在實驗后得出“如果是兩節(jié)電池就需要重疊起來，合上才行”的結(jié)論。學(xué)生們注意到串聯(lián)兩節(jié)電池點亮燈泡時，電池必須是順序連接，且不管電池串聯(lián)或并聯(lián)，“形成一個圈”（電路閉合）都是點亮燈泡的必要條件，“循環(huán)說”由此贏得了廣泛贊同。而A班的后繼則是讓學(xué)生往電路里加入電池盒和燈座，繼續(xù)用一節(jié)電池點亮一個小燈泡，歸納有效連接的特征并作機(jī)制猜測。學(xué)生們的討論停留在分享不同想法的階段，沒能走向爭論的解決。

3.問題情境與機(jī)制猜想分離。教師想借助B班生成的問題情境來撬動A班的思考，并提問：“如果是相碰（發(fā)亮）的話，一邊連接了正極，一邊連接了負(fù)極，那么這樣連會不會亮？”學(xué)生有的說會，有的說不會。此時教師直接讓學(xué)生進(jìn)入實驗環(huán)節(jié)。學(xué)生們按教師要求實驗并作出了判斷，之后教師再次總結(jié)和強(qiáng)調(diào)了閉合回路的基本特征。在整個實驗和討論過程中，學(xué)生的思考停留在“這樣連會不會亮”的層面上，并未將此與之前對電路工作機(jī)制所作猜想相關(guān)聯(lián)。

四、對小學(xué)科學(xué)概念教學(xué)的啟示

本研究中的案例折射出我國小學(xué)科學(xué)概念教學(xué)中的一些共性問題，立足課堂反思這些問題，生成如下改進(jìn)策略：

1.從學(xué)生前概念的內(nèi)在邏輯出發(fā)構(gòu)建問題情境。學(xué)生前概念雖與常規(guī)理解不符，卻并非空穴來風(fēng)。如只將其視為“錯誤概念”，便放過了引導(dǎo)概念發(fā)展轉(zhuǎn)化的最佳契機(jī)。學(xué)生甲創(chuàng)設(shè)的問題情境之所以能成為深入探究簡單電路概念的引路石，恰在于它無意間觸動了學(xué)生前概念的內(nèi)在邏輯，為前概念的辨識和篩選提供了支持。

2.重視學(xué)習(xí)共同體的長期培養(yǎng)。學(xué)習(xí)共同體的培養(yǎng)是個長期過程，既受學(xué)生自身性格和班級特質(zhì)的影響，也與任課教師的課堂常規(guī)建設(shè)關(guān)系密切。A、B兩班學(xué)生都能踴躍展示觀點和想法，但與A班相比，B班學(xué)生對待想法的態(tài)度更理性、更開放，生生間的互動連接也更緊密。因而他們不囿于教師提問，能在傾聽同伴觀點的基礎(chǔ)上生成己見，敢針鋒相對相互質(zhì)疑；在對方證據(jù)充足時，又能修改或放棄先前的觀點。要使學(xué)生遵從科學(xué)理性集體建構(gòu)概念，就先得建立這樣的學(xué)習(xí)共同體。

3.概念教學(xué)應(yīng)盡可能深入探究自然現(xiàn)象內(nèi)部機(jī)制。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為理論建構(gòu)是高層次思維方式，需深厚的知識基礎(chǔ)，而小學(xué)生沒有探索機(jī)制和建構(gòu)理論的能力。但不少教學(xué)實踐表明，只要課堂學(xué)習(xí)環(huán)境適宜、主題設(shè)置和引導(dǎo)得當(dāng)，低齡學(xué)生完全可以開展理論性探究。正如研究簡單電路卻回避探究電流方式，小學(xué)科學(xué)課的探究通常只停留在總結(jié)表面規(guī)律、猜測檢驗影響因素的層面：得到斜面省力規(guī)律卻不關(guān)注其后的力學(xué)原理；理解溶解度卻不深究有限溶解的機(jī)制；尋找影響沉浮的因素卻對相對密度避而不談。遵循“歸納現(xiàn)象——得出結(jié)論”的思路進(jìn)行的概念教學(xué)，很少留有空間讓學(xué)生思考現(xiàn)象背后的深層機(jī)制。這不僅限制了學(xué)生探究能力的發(fā)展，也從根本上限制了概念理解可能到達(dá)的深度。要提升概念教學(xué)效果，必須加強(qiáng)引導(dǎo)學(xué)生對現(xiàn)象背后機(jī)制的探索。