教法与学法 初中生化学前科学概念的探查及启示

教法与学法 初中生化学前科学概念的探查及启示

曲慧娴  毕华林  山东师范大学化学系

研究表明,学生在学习科学概念之前,已经通过日常生活中的观察或实践,获得了一些经验性的知识,这些经验性的知识被称为前科学概念或前概念。学生的前科学概念有一些与科学概念相一致,而有一些则与科学概念不一致,甚至是错误的。这些错误的前科学概念会对学生理解科学概念起到阻碍、消极的作用。初中生在开始学习化学课程时已具有哪些化学前科学概念呢?在参考国内外有关资料的基础上,我们编制了“化学知识调查问卷”,以了解初中生对日常生活中一些化学现象的认识。本文主要根据问卷调查的结果介绍初中生具有的化学前科学概念,并从教材编写和教学过程两个方面分析如何促进学生前科学概念的转变。

一、初中生具有的化学前科学概念

1.关于气体的认识

90%的学生知道空气是由多种成分组成的,且每种气体的含量不是固定不变的。学生普遍对氧气支持燃烧这一概念有较好的认识,知道如果缺少氧气的话正在燃烧的物质会熄灭。学生知道氧气能溶于水,并且63.7%的学生知道凉开水中氧气的含量大大降低,所以不能用凉开水给金鱼换水;学生对二氧化碳也有一定的了解,58%的学生知道喝过饮料后我们会感觉凉快一些是因为饮料中溶有大量二氧化碳的缘故。

通过访谈我们了解到学生对与日常生活密切相关的氧气、二氧化碳有较多的认识,而对于空气中的其他气体成分的认识就要少得多。例如他们认为氮气是绝对不溶于水的,这一前科学概念在下面的题目中表现得比较突出。

烧水是我们生活中极为普通的事情,烧水时最初水壶的内壁、底部会产生一些小气泡,当水沸腾后,水的表面会冒出大量的大气泡。问卷中的问题是让学生回答小气泡和大气泡中各含有什么气体。只有9.3%的学生认为小气泡中的气体是空气,19.0%的学生认为大气泡中的气体是水蒸气。而大部分学生都认为气泡中的气体是“氧气”或者“二氧化碳”。

2.关于溶解和溶液的认识

虽然学生并没有学习“溶解度”的概念,但是79.4%的学生都知道食盐不能无限量地溶解在水中。有5克食盐与0.5升水、10克食盐与1升水形成的两种溶液,63.3%的学生知道两种食盐水“一样咸”,说明学生对浓度这一概念有一定的认识。59.7%的学生认为长期放置的食盐水食盐会沉降出来,聚集在烧杯底部,只有35.1%的学生认为食盐不会分离出来,少数学生认为食盐会浮在水面上,说明学生对溶液的稳定性缺乏了解。67.3%的学生认为杯子下层的糖水比上层的糖水甜,少数学生认为杯子上层的糖水比下层的糖水甜,只有28.6%的学生认为杯子中的糖水一样甜,说明学生对溶液的均一性缺乏认识。

问卷中的绘图题要求学生用符号?和○分别代表食盐和水的粒子,用画图的方法表示烧杯中食盐水的组成。48.0%的学生能正确画出食盐水的组成,而9.7%的学生认为食盐水中上层是水下层是食盐,8.5%的学生认为烧杯底部的食盐相对要多一些。这与上一问题学生的回答情况基本是一致的,可以解释为什么有些学生认为下层的糖水比上层的糖水甜。另外,还有10.9%的学生用符号⊙表示食盐水的组成,这部分学生认为“盐和水的粒子互相结合了”“水的粒子包住了盐的粒子”,他们认为食盐溶于水后,组成食盐的粒子本身会发生变化。

在解释汽油能较容易洗掉衣服上的油污时,12.9%的学生知道是汽油能够溶解油污,而48.4%的学生认为是汽油中含有能够分解油污的物质。另外,还有一些学生认为是“汽油的碱性大”“汽油中含有较多的磷”等。

3.关于燃烧的认识

34.3%的学生认为物质燃烧的过程是一个质量减少的过程,燃烧后剩余物质的质量一定比燃烧前可燃物的质量小。30.2%的学生认为灯泡通电后发光放热现象与蜡烛的发光放热现象一样,都是燃烧,说明他们对燃烧现象只是一种简单的表面认识,并不理解燃烧的本质。

88.3%的学生知道如果把燃烧的蜡烛与空气隔绝,蜡烛会慢慢熄灭是因为缺少氧气的缘故。我们在问卷中围绕“氧气是燃烧的必要条件之一”这一概念还设计了一道情境题:将一根燃烧的蜡烛竖直放在盛有一定量水的烧杯中(水不淹没蜡烛),然后加热烧杯。结果只有39.1%的学生认为当水沸腾后,原来燃烧的蜡烛会熄灭,27.4%的学生认为蜡烛将继续燃烧,37.5%的学生认为蜡烛将熔化,这说明学生由于其思维发展水平的限制,难以对具体现象做出全面的分析,从而形成一些错误的认识。

4.关于金属的认识

94.0%的学生知道铁生锈并不只是颜色的改变,而是铁与空气中的氧气反应,同时生成新物质。14.9%的学生认为铁易生锈而铝不易生锈。学生普遍认为日常生活中铝制品比铁制品要多,所以应该是铁比铝更容易生锈。访谈中学生还特别解释:“如果铝容易生锈的话,那为什么易拉罐用铝做,而不用铁做呢?”事实上,小学自然教科书中对此已有介绍,但是学生大都已经忘记了,保留在学生头脑中的依然是最初的一些错误想法。

5.关于物质粒子性的认识

由于物质的粒子性等微观世界的知识看不见、摸不着,学生往往从宏观的角度来认识和理解微观世界的问题,在他们眼里,微观世界仿佛只是缩小了的宏观世界,难以理解微观粒子的一些特殊性质。在问卷中我们采用选择、简答、绘图等多种题型从不同角度了解学生对物质粒子性的认识,调查结果显示学生头脑中有关物质粒子性方面的前科学概念主要有:?空气中的粒子之间是没有空隙的,是连续的、紧密排列的。?空气中粒子的分布是不均匀、分层的,例如所有的氧气粒子在一个层面上,所有的氮气粒子在一个层面上。?组成物质的粒子其大小是可以变化的,受热后粒子会变大。?组成物质的粒子其数量是可以变化的,受热后粒子数目会增加。?把气体从1升的容器转移到2升的容器内,气体占据的体积仍是1升。

二、调查结果给我们的启示

调查结果显示,初中生确实拥有许多化学前科学概念,而且一些学生的前科学概念是错误的。在学校教学中,如何转变学生已有的错误的前科学概念,从而建立起科学的概念?这是当前理科教学亟待研究的重要课题。学生原有的前科学概念通过教学等方式转变为科学概念的过程叫做概念转变。研究证明,由于学生的前科学概念在其头脑中往往是根深蒂固的,要实现概念转变是比较困难的。在学生的头脑中经常是正确的科学概念与错误的前科学概念混合存在,从而导致学生在解决实际问题时产生错误。这就要求必须重视学生的前科学概念,要从教材编写和教学过程等方面积极探索如何实现学生头脑中的概念转变。

1.教材编写要关注学生的前科学概念

要实现概念转变,首先必须让学生暴露其已有的前科学概念。教材作为学生学习的最主要的信息资源,要促进学生的学习和发展,在内容的选择和组织上必须要关注学生已有的知识经验。为此,教材的编写应密切联系学生实际创设问题情境,引发学生对将要学习的新知识的各种认识,了解学生已有的前科学概念,使学生在新旧经验之间、科学概念与错误概念之间建立起联系,从而产生认知冲突,积极主动地转变已有的错误概念。教材中引发学生前科学概念的问题情境,可以是结合社会生活中的具体事实或学生已知的具体知识提出问题,人民教育出版社出版的化学课程标准实验教科书主要采用这种方式,如在学习质量守恒定律时,教材首先联系学生已学过的“镁条燃烧生成氧化镁,乙醇燃烧生成二氧化碳和水”的知识,然后提出问题“化学反应前后物质的质量有没有变化呢?”由此引发学生有关的前科学概念,另外,也可以是单独设置栏目直接提出问题。

上海教育出版社出版的化学课程标准实验教科书,就专门设置了“你已经知道什么”这一栏目,在学习新知识之前以问题的形式启发学生思考,从而激活学生头脑中已有的观念。例如在学习“性质活泼的氧气”这节内容时,教材首先设置该栏目出问题:“1.你已经知道氧气有哪些重要的性质,举例说明。2.有什么事实能证明自然界的水中溶有氧气?”通过这两个问题,了解学生已经知道了氧气的哪些性质,为教学提供了基础。

在美国中学化学教材《现代化学》(Modernchemistry)教师用书中专门设有“普遍的错误概念”(CommonMisconception)这样一个栏目,主要向教师介绍学生在某些方面存在的错误的前科学概念。例如在第十一章“气体的分子构成”中谈到:“插图中一般都把分子画得很大,有些学生因此认为气体体积的大小取决于分子本身体积的大小。”从而提醒教师在教学中采取有效的教学策略,转变学生这一错误观念。

2.教学过程要促进学生的概念转变

要转变学生的前科学概念,仅仅告诉学生“正确”的科学概念是没有用的,学生可能记住了科学概念的定义,但并不意味着就彻底放弃了原有的错误概念。概念转变过程不是一个简单的知识替换,研究表明,要实现概念转变必须满足下列四个条件:(1)学习者必须对现有的概念感到不满意,即现有的概念不能解释新的事件或者不能解决当前遇到的问题,从而引发认知冲突;(2)新的概念必须是可理解的,学生能明白新概念的涵义,理解其意义,发现表征它的方式;(3)新的概念必须是合理的,被学习者认为是正确与科学的,并能够与学习者所认同的其他观念相符;(4)新的概念必须是有效的,能解决学生原有概念所不能解决的问题。就是说,学生必须明确他们个人的观念或证据是不适当的或是不完整的,而科学的概念可以作为一个更具有说服力的取代物,这时概念转变才能发生。

因此,要实现概念转变,必须使学生在一个挑战性的情境中去解决他们已有的前科学概念与科学概念间的矛盾冲突,通过新旧经验的相互作用,积极主动地建构新概念的意义。心理学家将概念转变的教学过程设想为一个动态的、循环的过程,这一过程由四个主要部分组成:(1)学生描述他们的理解和认识;(2)重新建构理解和认识;(3)应用新的解与认识;(4)将新的理解和认识与以前的理解做比较。在此基础上,Drive与Oldham进一步提出了概念转变的五阶段教学模式:

(1)确定探讨的方向。利用各种教学媒体,将所要探讨的问题呈现出来,以激发学生的学习兴趣。

(2)引出学生的想法。利用小组讨论或实际活动,引出学生原有的想法,暴露出他们的前科学概念。

(3)学生想法的重组。让学生觉察自己原有的想法与实际活动不同,从而产生认知冲突,然后引导学生通过实验来修正自己的原先想法,初步接受新的想法。

(4)应用新的想法。教师可以利用熟悉或者新奇的情境,通过问题解决、实际活动等来增强学生新建构的想法。

(5)回顾想法的改变。教师可以利用讨论、个人学习档案等使学生回顾想法的改变,明确想法改变的程度,进一步加深对新想法的理解。

总之,概念转变教学要求教师首先要弄清楚学生已有的前科学概念,并提供具体的、具有说服力的科学事实,使学生认识到自己原有概念的不足,产生认知上的冲突;然后要引导学生对实际中的问题进行讨论,通过生生之间、师生之间的相互交流和讨论,使学生从不同的角度改进自己的经验和认识,转变自己不正确的观点,实现对科学概念的全面、准确的理解。