新課程下初中科學對前概念教學序列的研究和運用獲獎科研報告

新課程下初中科學對前概念教學序列的研究和運用獲獎科研報告

【摘

要】科學概念教學如何立足以提高學生科學素養(yǎng)從“以知識傳授為中心”教學模式向“以引導學生實際操作為中心”轉(zhuǎn)變，提高課堂教學的實效性？如果采用立足學生原有概念反饋的觀察和預測，而后采用有效的教學策略讓科學概念和前概念或沖突或順應，從而完成科學概念的構(gòu)建。本文期望通過以概念教學序列為方式進行研究，試圖在實踐中提升科學概念教學效果，理論闡述后，以《運動中的力學》課堂教學為案例，示例觀測——沖突或順應——構(gòu)建完善的概念教學策略如何實施。

【關(guān)鍵詞】教學序列;案例分析;前概念

在生活經(jīng)驗和學習經(jīng)歷中學生形成了許多前概念。所謂前概念是學生由于在生活中對各種現(xiàn)象反復觀察和體驗在心中自發(fā)形成的，在學習科學概念之前已存在的概念。由于前概念源于經(jīng)驗和道聽途說，它往往缺失科學性，甚至可能與對事物進行理解科學概念相矛盾。如：學生認為重的物體比輕的物體下落更快;重的物體下沉，輕的物體上浮等等。根據(jù)前概念的形成特點，其在頭腦中通常很頑固，所以常規(guī)教學序列（展示情景——情景分析——理論引導——知識構(gòu)建）往往很難改變。如何使學生的前概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W概念呢？皮亞杰的認知發(fā)展理論的圖式（schema），就是指個體對世界的知覺、理解和思考的方式，影響圖式的形成和發(fā)展是同化、順應和平衡三個過程。本文探討觀測——沖突或順應——構(gòu)建教學序列在概念教學中的應用，旨在通過這種教學方法同化、順應和平衡步驟有效地實施科學概念教學。同化是指個體將外來的各種元素納入原有的圖式中，使原有的認知圖式變得豐富，并更加牢固;順應是指個體由于產(chǎn)生認知沖突，然后對原有圖式進行修改或重建以貼合外部的元素特征;平衡是指個體通過同化或順應由一個低級的平衡狀態(tài)上升到另一個較高的平衡狀態(tài)。

通過長期的研究發(fā)現(xiàn)認知發(fā)展一般如此：當有外在概念作用于個體時，個體會努力使用原有的認知基礎(chǔ)（即前概念）去同化它，如果同化成功，則馬上進入一個新的平衡，個體認知水平和科學理解分析力上升。但如果原有的認知基礎(chǔ)（即前概念）無法同化這些新的概念，個體認知將立即產(chǎn)生不平衡感，從而選擇切斷新概念信息來源或者被迫做出修改或重建認知圖式，而后者就是順應新的信息源的行為，如果采用后者最終將會再次達到較高的平衡態(tài)。在采用觀測——沖突或順應——構(gòu)建序列時，學生在學習過程中發(fā)現(xiàn)實驗或情境中的結(jié)果與其解釋、實際觀察的現(xiàn)象不一致時，學生就無法使用原有的認知體系去解釋結(jié)果，于是原有的認知平衡被破壞。學生從內(nèi)部發(fā)出要消除不協(xié)調(diào)或不平衡愿望，教師抓住契機從思維困頓處著手，有效進行概念教學和提供科學素材，學生將在沖突和不平衡中重新構(gòu)建他們的認知從而順應觀察結(jié)果，有效促成其對科學概念的接受、理解甚至是應用的目標達成。

一、新教學序列在概念教學的實施過程和細節(jié)

第一步：預測。本教學序列實驗或情境設(shè)置中要聯(lián)系學生原有經(jīng)驗或知識，從而了解學生的認知狀況，在回顧和討論中可以發(fā)現(xiàn)學生前概念認知的問題所在，能讓學生個體之間的認知沖突從而展開討論。強調(diào)此環(huán)節(jié)教師要求學生寫下會發(fā)生的現(xiàn)象和原理預測，這樣將留下前概念思維痕跡，更有利于科學概念順應或沖突的發(fā)生。從教師角度，學生預測和記錄我們比較準確地了解學生前概念，學生認知偏差，需要糾正位置，是否無誤等，為開展科學概念教學提供最有利學情支持。

第二步：討論預測。小組學習中，學生必須大膽地交流觀點，并使其對產(chǎn)生沖突的觀點進行辯論。生生互動中，一些學生在同伴的互助中已打破不平衡從而形成新的概念認知。然后，我們采用組際交流形式，讓每組派代表在全班分享小組的觀察和預測，可利用黑板或者其他輔助工具。必須強調(diào)讓學生在民主和寬松的課堂氛圍中安全的心理狀態(tài)下進行自己的預測，同時教師要鼓勵學生表達自己的觀點，避免學生因擔心自己觀點錯誤而關(guān)閉交流。在觀點討論和闡述之后，教師可以要求全班學生一起討論那些比較接近科學解釋的觀點，一些學生回顧自己的預測痕跡可能就會產(chǎn)生沖突，這樣就是改變原有的認知并且重新構(gòu)建概念的開端。

第三步：觀察實驗。概念教學離不開實驗?？茖W概念需要實驗來支撐。實驗過程中，我們?nèi)绾巫屢恍╇y以改變的迷思概念被改變，完成科學概念的教學呢？實驗分成演示實驗和學生實驗兩類。其效果上演示實驗可由教師把控，出現(xiàn)科學結(jié)論的幾率較高。而學生實驗中學生親自動手實驗，然而由于操作的規(guī)范性或者實驗用具本身的差別性，可能導致結(jié)論不夠科學。所以建議在認知沖突且實驗難度較大時盡量采用演示實驗，教師可以請學生幫忙以增加實驗的可靠性。另外，可實物投影輔助方式，如困難也可以播放貼合實際的影像資料，幫助學生擴充基礎(chǔ)認知。特別要提到的是在此步驟中教師必須讓學生有效觀察并記錄實驗現(xiàn)象。

第四步：討論實驗現(xiàn)象。前期小組討論中，有些個人的概念其實是科學的，但沒有在組內(nèi)占主導，而其他組員的前概念——迷思概念占主導。在這個環(huán)節(jié)將扭轉(zhuǎn)乾坤，讓學生在小組內(nèi)充分討論，用觀察到的現(xiàn)象去順應或者與其前概念產(chǎn)生沖突，使其在認知沖突中失去平衡或者少數(shù)同學因為被現(xiàn)象結(jié)果支持自己的認知概念而開始科學闡述。經(jīng)過討論，學生修改和完善自己原有的預測，接納新的科學概念認知，試著對現(xiàn)象做出科學的解釋，最終完成知識構(gòu)建。

第五步：提供科學的解釋。此環(huán)節(jié)，學生已基本接受科學概念，教師應引導學生對大量的事實、史實進行合理科學分析解釋，教師應注意使用“科學家們的解釋”代替“正確的解釋”。同時，教師要保護孩子們安全感，而應用科學史讓孩子認識到科學發(fā)展本就是從不完美到可能完美的過程，不能一味強調(diào)他們自身前概念問題。當然在這個環(huán)節(jié)中，為了進一步鞏固科學概念，教師可以讓學生在他們的書本或活動記錄表記下再次劃線或者文字、圖標等形式記錄科學的解釋。然后再讓他們把原有的預測痕跡與科學的解釋比較比較，找出其中的異同之處，進一步促成讓他們重建認知圖式的愿望和行動。

第六步：后續(xù)。學生的前概念存在于潛意識中認知不易改變，所以不能保證觀測——沖突或順應——構(gòu)建序列一定會獲得成功，但它會是一個寶貴起點。在觀測——沖突或順應——構(gòu)建的教學序列，我們要有后續(xù)支撐的鞏固行動，如不同類別但原理接近的題目練習，讓學生在利用新認知合理的解釋分析。引導學生在鞏固中不斷反思，最終學會應用科學概念，甚至因為新思想而進一步使其意識到科學概念所具有的功能，即對解釋自然現(xiàn)象所起的作用。觀測——沖突或順應——構(gòu)建教學序列看似復雜，在實踐中并非如此。許多教師發(fā)現(xiàn)完成整個觀測——沖突或順應——構(gòu)建教學序列步驟的時間有長有短。觀測—沖突或順應—構(gòu)建的教學序列的主要優(yōu)勢在于能夠使教師持續(xù)洞察學生思維：步驟1～4探測學生的最初構(gòu)想;步驟5可以觀察學生努力重建他們的思維;步驟6為教師提供學生的學習進度反饋。觀測——沖突或順應——構(gòu)建的教學序列可提供學生“真實的反應”，因此應鼓勵學生分享想法并重視其反應。這樣可讓教師調(diào)整教學進度和方法，促進科學概念理解，所以該序列可有效提升教學效率。

二、新教學序列概念在教學的案例與分析的應用實例

在中學科學教學中，根據(jù)《義務教育初中科學課程標準（2011版）》梳理出初中科學的重要概念，將初中科學概念按照學習屬性分為三類，即具體概念、抽象概念和定義概念。

（一）具體概念

這類概念能直觀顯示，學生容易直接感知，大多數(shù)與日常生活經(jīng)驗向符合。如分子、重力、光的反射、折射等。

（二）抽象概念

這類概念以理性認識為基礎(chǔ)，其抽象性、概念性和系統(tǒng)性較強，大多有嚴格而準確的科學定義。如力臂、參照物、摩擦力、功、新陳代謝等。

（三）定義概念

這是一些沒有實體，為了解決某些具體問題或約定方法來表達某種事物而形成的概念。根據(jù)人類研究需要構(gòu)建某些具體概念和（或）抽象概念的關(guān)系。如密度、壓強、功率等。下面我利用《運動中的力學》的教學實錄中的具體案例來具體闡明如何使用觀測——沖突或順應——構(gòu)建的教學序列教學。

案例一《運動中的力學》教學過程按照POE序列概念教學六步驟完成。

1.在情境導入中預測是否存在的摩擦力和它的方向。如圖所示的人走路問題開始。

2.學生根據(jù)自身前概念討論和預測分析受力狀況，同時馬上進行小組討論和分享。

運動一：走路時的摩擦力

問題一：人在水平地面上走路時，前后腳在水平方向會受到哪些力的作用？有摩擦力嗎？是什么摩擦？方向如何？為什么？要求：在右圖上進行水平方向的受力分析。

教師：“我們的主要問題是摩擦的有無和方向判斷有困難。同學們有能將摩擦力顯性化的方法嗎？”

3.觀察實驗并預測現(xiàn)象，展開小組討論形成較統(tǒng)一的觀點。使用PPT配合事物展示實驗探究的視頻所示，利用毛刷變形方向判斷摩擦力的方向。

實驗探究：人在毛刷上行走。

4.觀察到實驗現(xiàn)象和個人產(chǎn)生認知沖突破壞的平衡，討論中建立新平衡。讓學生在小組內(nèi)討論實驗結(jié)果。經(jīng)過討論和書寫，教師要求學生修改和完善自己的預測，對觀察到的現(xiàn)象做出解釋，并形成書面性的報告。教師在教室循環(huán)巡視，挑出幾個典型的解釋，讓全班學生討論。

教師：“從實驗中，我們可以看出是人前進的是你能得出什么結(jié)論？”

得出結(jié)論：摩擦力也可以是前進的動力。

教師：“讓我們想象一下，在用力蹬著自行車在水平路面上前行時，是不是也存在和行走時一樣的作為動力的摩擦呢？”展示學生作業(yè)圖片，請同學們辨一辨哪位同學的受力分析才是正確的。

5.教師提供各種事例和科學解釋，鞏固新的科學概念新平衡。教師可以提供該實驗的科學解釋，以及提供科學解釋要講述科學思想。該實驗現(xiàn)象的科學解釋如下。

運動二：自行車騎行時的摩擦力

教師：“讓我們來看一下同學們對自行車前行中的受力分析，大家認為哪個才是對的，為什么？”展示學生作業(yè)圖片，請同學們辨一辨哪位同學的受力分析才是正確的。

問題二：用力蹬自行車，使其在水平地面上向前運動。它的前后輪受到什么樣的摩擦力？請分析。類比歸納：1.自行車前輪類似于人行走時的前腳受到向后的摩擦力;2.自行車后輪類似于人行走時的后腳受到向前的靜摩擦力。

教師：“我們經(jīng)常會不蹬著自行車，其仍然在水平路面上行時，自行車受到的摩擦力又是怎樣的？”展示學生作業(yè)圖片，請同學們辨一辨那位同學的受力分析才是正確的。

學生辨析：“因為沒有蹬踏的作用，所以在后輪上沒有向后相對運動趨勢，而是和前輪一樣向向前滾動，所以兩個輪子上都受到了向后的摩擦力。”

得出結(jié)論：物體存在摩擦動力的條件是存在相反方向的運動趨勢。

6.后續(xù)研究，利用大量的練習和解釋來應用新概念。

運動三：滑板運動中摩擦力

視頻引入：滑板運動視頻

情景1：人水平地面上一腳在滑板上，一腳蹬地，使滑板加速向前運動。

情景2：站在滑板上，人隨著滑板一起向前運動。

教師語言：“滑板運動驚險刺激，下面的兩個情景中有向前的摩擦動力嗎？為什么？請對分析兩個情景中的人在水平方向上受到的摩擦力?！睂ふ乙呀?jīng)完成畫圖的同學。請學生到講臺上投影講評。

應用結(jié)論：分析在水平方向上人受到的摩擦力情況。

教師：“你還能用摩擦力作為動力的其他運動項目嗎？大家可以討論?！闭垖W生回答。

拓展分析：其他利用摩擦力作為動力的運動項目有。

教師：“大家還能舉出豎直方向上利用摩擦力作為動力的運動嗎？”請學生回答：“爬桿、攀巖等?！?/p>

運動四：爬桿運動之摩擦奧秘

教師：“爬桿很困難，當桿很滑時，為了獲得足夠大的向上的摩擦力，我們一般要怎么做？”請學生回答。問題三：爬桿運動對大多數(shù)人來說非常困難。下圖是武警在操場上做爬桿訓練。為了能更快地爬上桿，他會怎么做？

教師：“你還能用摩擦力作為動力的其他運動項目嗎？大家可以討論?！闭垖W生當場回答，引發(fā)認知沖突。

習題訓練：某人在操場上做爬桿運動，如果他勻速向上爬行時受到的摩擦力為f1，勻速滑下時受到的摩擦力為f2，則下列說法正確的是（）。

A.f1=f2，方向相同;

B.f1=f2，方向相反;

C.f1>f2，方向相反;

D.f1教師：“我們除了通過摩擦力大小影響因素知道摩擦力的大小外，你還知道判定摩擦力的大小其他方法嗎？請說一說?！闭垖W生回答：二力平衡法。

教師語言：請同學們利用今天獲得的方法分析下列爬桿時的摩擦力。

方法應用：請根據(jù)情景分析并畫出他受到的摩擦力的種類、方向和大小。

歸納方法：運動中分析摩擦力大小的方法——影響因素法和平衡法。

教師：“有人說拔河比賽其比的是拉力的大小，也有人說是比摩擦力的大小。你支持哪種說法？為什么？”

運動五：揭開拔河比賽的成功秘訣

教師：“讓我們來一場趣味拔河比賽吧！請男生和女生根據(jù)你們的想法分別派一名同學來參加拔河比賽?！睂W生選好隊員。教師：“你為什么選他（她）？”學生回答：他（她）重，力氣大，鞋子摩擦力大?；顒訉耄赫埬猩团鶕?jù)你們的想法選派一名同學來參加拔河比賽。（一開始正常拔河，接著讓男生站到滑板上）教師：“準備，開始！”學生：“男生贏?！苯處煟骸暗纫幌拢　弊屇猩驹诨迳?，結(jié)果可想而知。

問題四：拔河取勝的秘訣是什么？