初中學生化學前科學概念的調查及其對策
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現(xiàn)代認知建構主義理論認為，學習過程是學習者原有的認知結構與從環(huán)境中接受的感覺信息相互作用、主動建構信息意義的過程，學習者先前的知識、經驗及思維方式在個體的學習過程中起著極其重要的作用。具有不同認知結構的個體在接受同一外界信息時，可能會形成不同的認識。這就啟示我們：在教學活動中必須重視學生頭腦內部的認知結構，了解學生的知識、經驗狀況以及思維習慣，尤其要了解學生已有概念中那些不全面甚至錯誤的概念(即學生的“個人觀念”“相異構想”或“前科學概念和認識”)。因為有關研究表明，學生的許多前科學概念和相異構想是比較頑固而且潛在的，它們對學生的許多科學活動如觀察、理解、應用知識及解決問題等都產生重要影響，特別是消極作用。研究同時發(fā)現(xiàn)，課堂教學前后，很多學生的個人概念并沒有發(fā)生多大的改變，暴露出現(xiàn)行科學概念教學的低效性和盲目性。對教師而言，如何發(fā)現(xiàn)學生頭腦中那些樸素的、不全面的甚至錯誤的概念，采用哪些教學方法幫助學生把那些不全面的、錯誤的概念轉變?yōu)榭茖W的概念，是教師迫切需要解決的問題。為此，筆者在調查研究的基礎上，提出解決這一問題的某些對策，以期在教學實踐中取得較好的成效。
一、調查
(一)調查方法和對象
調查于2000年8月在學生正式接受化學學科教育之前進行，調查的問卷及方法在參考北京師范大學王磊教授研究的基礎上進行設計，全卷共分兩部分，第一部分為判斷題(客觀卷)，共計三十題，主要圍繞物質的同一性、質量守恒定律、純凈物與混合物、溶液的有關性質、燃燒、生銹、常見物質組成、分子的有關性質等內容來設計，學生針對題目所給的說法，選擇“正確”“錯誤”或“不知道”來回答。第二部分為問答題，共有三題，針對本地的實際情況及化學學科的特點進行設計，要求學生對環(huán)保知識、化學職業(yè)的了解、化學課堂教學及化學教師的期望進行簡答。調查對象為本校新一屆初三的四個教學班，共收回有效問卷194份。
(二)統(tǒng)計結果
初步統(tǒng)計結果表明，初中生在學習化學之前就已經擁有較強的前科學概念, 對多數(shù)化學核心知識的一致性概念和相異性概念都十分顯著(“一致性”表示學生的看法與參考答案相一致，“相異性”表示學生的看法與參考答案不一致)，尤其是比較抽象的知識如溶液的均一性、溶解過程、物質的組成、分子的性質等的相異性更為突出。從第二部分問答題回答的情況看，大多數(shù)學生對環(huán)保知識有一定的了解，能說出治理汽車尾氣排放、治理水體污染、進行垃圾分類等環(huán)保措施，僅有6.2%的學生不能說出。對化學職業(yè)的了解，有11.9%的學生說不知道或不能回答。對化學課堂教學及對化學教師的期望，有52.6%的學生希望能多做實驗、多動手實踐，有58.8%的學生希望化學教師能幽默風趣、態(tài)度和藹，使化學課上得生動活潑。
此外，筆者還比較了學生初二物理成績與客觀卷的一致性及關系。結果顯示，客觀卷的一致性與物理成績有極顯著的相關，表明學生先前的知識、經驗及思維方式等在學習過程中起著重要的作用。
為了進一步探究影響學生前科學概念的主要因素及其對化學成績的影響，一年后，筆者又了解了受調查的194名學生中在我校參加中考的182名學生的化學成績，結合原來問卷統(tǒng)計的情況進行因素分析。從中抽取影響學生前科學概念的10個主要因素：物質的組成(如水、溶液的組成)、科普知識(如對微粒、化學物質、鹽、空氣質量的認識)、生活經驗(如對導電、生銹、燃燒、沸騰、同種物質的認識)、氣體的成分(如空氣、一氧化碳和二氧化碳)、燃燒的條件(如氧氣的作用、加熱等)、氣體性質(如氫氣密度、分子運動)、常見物質的性質(如鹽酸的作用)、質量守恒定律(如鐵生銹和木材燃燒后質量的變化)、溶液的均一性(如一杯糖水上下是否一樣甜)、觀察的方法(如空氣的觀察等)。
在上述因素分析基礎上，筆者進行了二階因素分析。分析發(fā)現(xiàn)上述10個因素的內容可概括為三個方面。其中，物質組成、科普知識、生活經驗、常見物質性質、質量守恒定律可歸納為知識經驗方面，氣體的成分、燃燒的條件、觀察的方法可歸納為實驗方法方面，氣體性質、溶液的均一性可歸納為思維方式方面，正是這三個方面的因素對學生的化學成績產生了較大的影響。
二、對策
學生頭腦中前科學概念的形成首先來源于自己的生活經驗和直觀感受，以生活常識先入為主。其次，來自通過自己單憑直覺的推理，對名詞、規(guī)律、定理進行錯誤推廣。此外，學生的生活背景、科普教育的片面性和某些大眾媒體的誤導，也在相當程度上影響學生前科學概念的形成?？傊?，前科學概念是學生根據(jù)自己的經驗觀察和理解世界得出的結果，雖然它僅僅是一種樸素的觀念，但卻是學生思維的產物，也是學生理解新事物的基礎，有其存在的客觀性。教師不能忽視它的存在，更不能總是一味地指責或嘲笑學生的前科學概念，否則將會挫傷學生的自尊心，降低學生的學習興趣，甚至對理科的學習產生畏懼心理。只有對學生的前科學概念因勢利導，有效地加以利用，才能使學生積極地構建自己對外部世界和現(xiàn)象的觀察與理解，讓新的知識納入到學生原有的認知結構中去。為此，筆者認為，可采取以下措施實現(xiàn)學生前科學概念的轉變。
(一)充分利用化學實驗
化學是一門以實驗為基礎的學科，許多化學概念源于化學實驗，許多科學方法也都能和化學實驗融合在一起。通過實驗，不僅能發(fā)現(xiàn)事物運動的規(guī)律, 建立科學的理論，還能驗證某些假設，糾正人們心目中的一些錯誤觀念。前科學概念主要源于學生的直接經驗，因而讓學生在直接經驗中修正錯誤的觀念，是幫助學生獲取知識的最好途徑，這樣也更符合學生的認知規(guī)律。一般學生的前科學概念是片面的，通過觀察和實驗可以擴展學生的感性經驗，使學生理解起來更加形象，從而促進學生的思考，克服認識的片面性。這種親自動手和親眼所見的實驗容易使學生信服，正確的實驗結論是最有說服力的。從調查分析中可以看出，實驗方法是影響前科學概念的重要因素，加強實驗教學也是學生迫切的需求，化學實驗有利于激發(fā)學生的學習興趣。所以，教師應創(chuàng)造條件增加實驗的機會，同時實驗應盡可能在教師指導下，讓學生自己動手去做。實驗前可先讓學生根據(jù)自己的理解預測實驗結果，再進行實驗，把實驗結果與自己的預測結果對比，使學生信服化學概念的正確性。例如，從調查中發(fā)現(xiàn)有51%的學生不知道“分子和原子在不停地運動”，于是我們增加了氨分子運動使滴有酚酞試劑的水變紅的實驗，引導學生進行探究，使學生理解“濃氨水中有肉眼看不見的粒子逸出，有些粒子進入滴有酚酞試液的水里，使溶液成分改變，顏色變紅”的結論，對分子的性質有了比較正確的認識。
(二)引發(fā)學生的認知沖突
根據(jù)波斯納等人的研究，為了實現(xiàn)學生的概念轉變，應滿足下列條件：1.學生必須對自己頭腦中已存在的概念不滿意；2.學生必須對新概念有最低限度的理解；3.新概念初次出現(xiàn)時必須顯得合情合理；4.新概念應具有解釋和語言的功能。其中對當前的概念不滿意是產生概念轉變的關鍵因素，因此利用引發(fā)認知沖突的方法來促進概念的轉變，對于糾正學生的錯誤概念是一種極為有效的教學策略。傳統(tǒng)的教學特別強調對概念字、詞、句的講解，以為以此就能糾正學生理解和表達上的錯誤，卻往往效果不佳。建構主義認為，知識并不能簡單地由教師或他人傳遞給學生，只能由學生依據(jù)自身的知識和經驗主動地加以建構。而社會相互作用對個體的意義建構非常重要，通過合作和討論使學生超越自己的認識，看到與自己不同的理解，看到事物的其他側面，從而形成對事物更加豐富的理解，將有利于學習的廣泛遷移。所以，教師在課堂上既不能急于求成，也不能強行糾正，可以巧妙地通過合作學習中的討論和對話，引發(fā)學生的認知沖突，允許學生為自己的前科學概念辯護，使學生間或師生間充分交換對同一事物與概念的不同看法。當學生發(fā)現(xiàn)自己所持有的概念、觀念與他人不同，他人的觀念比自己更合理，能更好地解決自己懸而未決的問題時，他們往往會對自己先前所持有的觀念提出懷疑。在這種認知沖突中，學生易于接受新的、正確的科學概念。例如，從調查中發(fā)現(xiàn)有63.9%的學生認為“一杯透明的糖水，杯子下部的糖水要比上部的甜”。這雖然是個簡單的溶液均一性的問題，但因涉及學生的正確思維方式問題，教師并沒有一筆帶過，而是組織學生進行討論。不少學生一口咬定實際情況就是這樣，辯論很激烈，有的學生還再次進行試驗，最終得出了關鍵在于糖是否完全溶解的共識，溶液均一性的概念也就自然形成了。
(三)重視概念之間的聯(lián)系
建構主義認為，學習者所建構的知識是將他們已有知識與新的經驗結合起來，其中包括學習者已有概念的修改和知識結構的重組。因為知識的建構依賴于學生的知識范圍，不同經驗的學生帶著他自己特有的認知結構和對世界的唯一理解來到教學情境中。如果學生所具有的知識范圍和他的理解都無法與新的經驗聯(lián)系起來，那么不管教學設計得多么好，不管學習個體花費了多大的努力，學生建構知識的過程都可能是無效的。王磊等人的研究表明：1.當既有的知識與待學的知識之間有共享的屬性時，概念的改變是比較容易發(fā)生的，因為這種改變主要是通過增加或減少一些屬性的方式來改變概念結構，經過常規(guī)的科學教育就比較容易轉化和改變；2.當既有的知識與待學的知識之間沒有共享的屬性時，單純依靠一般的科學教育是很難轉變的。從前面調查的結果可以看出，純凈物與混合物、常見物質的性質等知識有較高的一致性，這些知識與學生已有的經驗比較接近。但對初三化學概念的學習來說，更多的是屬于后一種研究結果的情況，如物質的均一性和同一性觀念、物質組成、微粒的實質、可視的宏觀與不可視微觀的相互統(tǒng)一等。從前面調查的結果還可以看出，學生客觀卷的一致性與其初二物理成績有極顯著的相關，這也說明學生先前的知識及概念對新概念建立的作用。因此，教師必須在弄清學生前概念的基礎上，充分挖掘學生前概念中可以利用的因素，努力尋找新舊概念之間的聯(lián)系，為新概念的建立牽線搭橋。
建立概念之間的聯(lián)系的重要方法是類比的應用。維特羅克認為：有意義的學習指的是學生將經驗、概念、原理、知識框架建構起聯(lián)系的過程，正是在概念之間和概念內建立聯(lián)系的過程才產生了有意義的學習。當用一個類比在概念間建立聯(lián)系后就能產生維特羅克談到的“有意義的學習”。因此，類比是促進學習者在已有概念、知識的基礎上建構新知識的有效工具。例如，可以通過潔凈、干凈與純凈的類比，建立純凈物的概念；通過氣體和液體體積的壓縮，形成對分子間隔的認識；通過比較人與人類的關系類比原子與元素的關系；等等。當然，要注意類比運用的局限性，不能夸大類比的作用，否則反而會構建不科學的甚至是錯誤的概念。例如，把原子比做太陽系也許能幫助學生理解電子與原子的關系，然而這一類比也可能使有些學生誤以為電子是沿著單一軌道圍繞原子核旋轉的，以致形成錯誤的概念。
(四)運用現(xiàn)代教育技術
現(xiàn)代多媒體技術和不斷發(fā)展的網(wǎng)絡技術, 在化學教育中的運用是具有優(yōu)勢的。首先，化學是一門從分子、原子水平研究物質的組成、結構、性質、運動、變化及其規(guī)律的學科。對于復雜的微觀世界, 用傳統(tǒng)的教學手段很難使學生理解，而化學多媒體CAI借助計算機的模擬手段，可以使學生比較直觀地感知微觀粒子的運動，從而有助于認識化學變化的本質。其次，化學也是一門理論性很強的學科，化學概念與原理抽象程度較高，單靠語言和文字的描述，很難在學生的大腦中留下深刻的印象。許多用其他方法或手段效果不理想或難于實現(xiàn)的教學內容，如化學反應歷程的模擬、物質的溶解過程、離子化合物和共價化合物的形成過程等，化學多媒體CAI都可以大顯身手。再次，化學的理論性、邏輯性很強，化學概念、原理、規(guī)律之間，以及物質的組成、結構、性質、運動、變化規(guī)律之間有著密切的聯(lián)系，應用建構主義的教學思想，通過建立清晰的概念圖、關系圖來體現(xiàn)化學認知結構，幫助學生理清這些復雜的關系，是突破化學教學重點和難點的關鍵。而多媒體與網(wǎng)絡的許多特性，與建構主義的要求十分合拍。此外，在模擬實驗、收集資料、個別化學習、教學互動和提高課堂效益等方面，化學多媒體CAI也有獨特的魅力。因此，我們應利用校園網(wǎng)的優(yōu)勢，自制簡單課件，或從網(wǎng)絡上下載實用的課件和資料，或購買化學多媒體CAI課件等，在教學中加以應用。這樣，不僅能幫助學生消除原來錯誤的概念，還能激發(fā)學生的學習興趣，使學習變得更加有意義。
總之，學生在正式接受化學教育之前對一些化學的相關知識普遍存在著個人的前科學概念。由于初中學生的前科學概念對化學成績有較大的影響，了解這些前科學概念，對學生的化學教育會起到積極的作用。研究表明，影響初中學生化學成績的主要因素是個人的知識經驗、思維方式和實驗方法等。所以，運用建構主義的觀點指導教學，采取加強化學實驗教學、引發(fā)學生的認知沖突、形成概念之間的聯(lián)系和運用現(xiàn)代教育技術等策略，對轉變初中學生前科學概念有較大的成效。
李子朔
