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利用学生课外实验促成科学概念建构的实践研究

                       玉环城关一中    苏马金

一、课题的现实背景及意义

   1、实验是科学的核心

由朱清时院士主编的浙教版《科学》(7—9年级)教材的前言中有这样几句话:“学习《科学》不能只是记住书本中的结论,学习《科学》的中心环节是学会科学研究的方法。科学研究的基本方法首先是通过精心设计的实验和仔细的观察来发现真理,再是把实验结果从个别现象推广到一般,然后使用逻辑推理,得到新的结论。”可见,科学实验在教师教学和学生学习中的地位是举足轻重的。所以说科学课外实验自然是中学科学实验的重要组成部分,同时也是科学课堂教学的一种有效补充和延伸。

区别于课堂实验,课外实验特别有利于培养学生的独立工作能力。由于课外实验是在课堂之外进行的,所以实验方案设计、实验器材使用、实验对象管理、实验现象观察和实验结果分析、整理等环节均由学生独立完成,实验过程中遇到的各种问题也需要学生独立解决。由此,就可以见出课外实验对于学生科学素养的提升和科学概念的建构有着重要的作用。

2、课堂演示实验存在的不足

有些教师演示实验善于“唱独角戏”,教师演、学生看,实验时热热闹闹一阵子,而过后“烟消云散”。

也有教师能挖掘实验素材,针对实验的每个环节,创设问题情境,多设疑质疑,让学生带着问题观察、思考和回忆,但由于学生个体差异的存在,部分学生早就说出他们的思考结果,取代了另一部分学生的思考过程,使这部分学生的思考中断,以至于这部分学生长期处于概念建构不完整状态。

也有教师在演示实验时,采取边讲解、边示范,这当然是无可非议的,也是非常重要的。但这样做还不是科学实验的真正目的,科学实验真正的目的是让学生掌握做实验的要领和技能,达到操作规范、准确,最终能独立设计、操作完成某些实验,揭示科学本质,建立科学概念。而这些恰恰是演示实验所不具备的。

演示实验具有鲜明、生动的真实性。但这也只是对教室中前排的同学而言,坐在后排的同学总是“水中望月”,这一点平时听课的老师应该都深有体会。所以讲,很大程度上,演示实验只是针对部分学生的演示实验。

3、课外实验有助于科学概念的建构

初中科学教学应该通过教学活动促进学生形成科学概念,从而达到“教育学生科学地看待自然”的最终目的。在课堂教学的过程中,如何促进学生形成科学概念尤为重要。科学概念的学习使学生更加本质地认识事物与现象,促进科学知识的系统化与结构化,帮助学生发展逻辑推理能力,提高学生的科学素养。从实际教学看,科学概念学习对于初中学生是难点。由于传统的科学概念教学活动,往往侧重于概念的分析、理解、记忆和辨析,轻视概念形成与建立的过程,这样的结果常常导致课堂教学气氛沉闷,学生学习科学概念觉得枯燥乏味,建立的科学概念也比较薄弱,容易随时间、情境的改变,对概念的理解发生改变,或者说学生的科学概念并未真正建构。

基于建构主义教学理论,学生对科学概念的学习是建构性的,学生是科学概念的主动建构者,教学设计的目标在于通过对各种过程和资源的设计支撑学生的建构活动。学生要建立科学概念,头脑中必须有丰富的有关于此概念的事实储备,这些事实必须是学生通过亲身观察而来。学生实验能最大程度地为自己提供感性材料,加深对概念的认识和理解,特别对一些抽象概念来说,学生实验的帮助会更大。

基于以上现实,本课题组拟定进行“利用学生课外实验促成科学概念建构的实践研究”这一课题的研究。

 

二、课题的关键词界定

   1、科学概念

 科学概念(Scientific Concepts)是指组织起来构成的、系统的科学知识。它来自科学家共同体对世界的认识,同时也帮助科学家组织对世界的观察和发现,它包含的内容是开放的、动态变化的。

科学概念可以是一些自然的语言、如动物、植物、哺乳动物、湿地、水资源等等,也可以是运用一定的语言规则,由科学家建造了更复杂的知识结构的表达,并且和数据、方法、理论和其它概念相连。例如说,“电是一种能量”。

作为一种科学知识,科学概念必须是基于实证研究的,而且是被科学家共同体所接受和承认的。这点和文学作品中出现的概念有根本的不同。在中国不少的教育研究论文中,经常会自己提出许多概念,没有实证,没有体系,别人也看不懂,作为文学作品是可以的,但它不是科学研究论文。科学上对于概念的提出和认定是严格的,必须和一定的理论和体系相关,而且科学知识和科学概念也没有国界。如果科学概念包含的内涵不统一,科学家就无法交流和工作,科学研究这条延绵不断的长河就不能延续。比如“鸡瘟”就不是一个科学概念。

科学概念又是分层次的,大的概念中包含了较小的概念。概念和概念之间相互联系,这就构成了我们称之为科学模型、理论、和定律。

但是,另一方面,科学概念并不是已经确定就不可以变化的。由于科学知识是不断在发展的,所以科学概念也可以发展,甚至纠正,但都必须基于科学研究的结果。例如我们对“九大行星”的概念就在去年发生了改变。

科学概念可以分成三类,第一类就直接来自我们对自然界的观察,在我们提出的小学科学教育标准中大多属于这一类。第二类是需要和一定的理论相联系的,人并不能直接观察到,如原子、分子、基因等。第三类是假说,如达尔文的进化论,由于时间的限制,我们还无法直接验证它。

 2、课外实验

就是课堂之外的实验。按照实验的活动内容可分为:游戏形式、制作玩具形式、先行观察思考式的科技小制作。按照实验的性质分类可分为:验证性小实验、设计性小实验和探索性小实验;由实验操作主体人数的不同可分为个人独立小实验和小组合作小实验;由所处的教学环节不同,可分为知识引入型小实验、知识巩固型小实验和知识拓展型小实验;从课外实验的种类上分,可分为:演示实验的延伸实验、学生分组实验的延伸实验、小制作类课外实验;按照实验场地可分为校内小实验、社区小实验和家庭小实验等。

 

三、国内外关于同类课题的研究综述

   目前国内外有关科学概念建构的方法理论研究有以下成果:

1、江苏吴文文老师研究的《如何在探究教学中帮助学生构建科学概念》

2、台湾交通大学佘晓清教授、彰化师大段晓林教授、国立台湾师大张文华教授研究的《科学概念的建构与重建数位学习研究》。

3、沈涵予编写的《科学教学中概念建构的方法及策略》。

4、新的教学模式法:其教学模式主要包括四个阶段:

这是一种以前概念为载体的科学概念教学模式。在该模式中,将反思与评价放在模式的中心,指对学生的定向与探索、建构与交流、解释与拓展三个阶段是否准确进行反思与评价。从反思与评价这一阶段向周围发出的三条虚线表示反思与评价这一阶段是潜在的,暗含在其他三个阶段当中。

5、还有一些一线教师研究过作图法建构科学概念,课堂现场调查统计法建构科学概念

   以上这些研究成果都有一个共同特征,就是都非常关注学生的前概念,还未就专门以学生课外实验促成科学概念建构的研究。

 

四、理论依据

本课题主要依据建构主义学习理论、概念转变学习理论和元认知理论。

1.建构主义学习理论。它关于学习的基本观点如下:(1)强调学习者的经验。(2)注重以学习者为中心。科学概念的学习必须由学生主动参与整个学习过程,重建构(reconstruction)知识的意义。(3)强调创设冲突的学习情境。学习的发生在于解决认知冲突(cognitive conflict )或消除认知心理的不平衡(disequilibration),认知冲突的解决会引起学生对原有认知结构的改变(Driver et al.,1994)。(4)尊重个人意见或原始想法。(5)注重合作互动的学习方式。科学的学习必须在学习共同体之间通过对话、沟通的方式进行,大家提出不同看法以刺激个体反省思考,在交互质疑辩论的过程中,以各种不同的方法解决问题,澄清所产生的各种疑虑,并且逐渐形成能够被学习共同体认同的正式的科学知识。

2.概念转变学习理论。在建构主义理论基础上发展起来的概念转变学(conceptual change learning)理论,可以说是一种科学学习的特有的理论,它认为科学学习就是学生原有概念的改变、发展和重建过程,就是学习者的前科学概念向科学概念的转变过程。学生是如何进行概念转变的呢?波斯纳等人(Posener el al,1982)认为,为了促使学生进行概念转变学习,必须提供以下四个条件:(1)学习者对当前的概念产生不满(dissatisfied)。(2)新概念的可理解性(intelligibility)。(3)新概念的合理性(plausibility)。(4)新概念的有效性(fruitfulness)。根据波斯纳的观点,如果满足了上述概念转变学习的四个条件,学生所持有的错误概念就会被科学概念所替代或改变。

3.元认知理论。元认知(metacognition)概念是由美国心理学家弗拉维(Flavell1,1976)首先提出来的。所谓元认知是“对思维的思维”,是主体对自己的认知过程、结果和与之相关的活动的认识。它包括对自我的认知能力和对当前正在发生的认知过程的认知,以及两者相互作用的认知。根据元认知理论,在科学概念学习活动中,学习者的元认知起关键作用。认知活动的有效性如何在很大程度上取决于元认知过程的运行水平,即对认知过程进行监视、控制和调节的水平。元认知的实质就是对认知活动的自我认识和自我控制。建构性教学模式强调学习者对学习过程与结果的自我监控和调节与评价,这正是对元认知理论的自觉运用。

 

五、课题研究的内容及预期目标

   (一)、课题研究的内容

     1、影响学生科学概念建构的前概念有哪些?

     2、初中科学抽象概念的梳理,以引起原因不同进行分类:

        (1)因感性认识不足引起

        (2)因思维定势引起

        (3)因其他概念干扰引起

        (4)因思维缺陷引起

     3、学生课外实验资源的开发,从以下几个方面入手研究

        (1)如何调动学生积极主动参与小实验资源的开发

        (2)进行课外小实验时可替代器材开发的研究

(3)指导开展课外小实验方法策略的研究

(4)对课外实验分类的研究

   a验证性实验

   b测量性实验

   c探索性实验

(5)学生课外实验评价方案的研究

           a实验方案设计的评价

           b实验过程记录(视频)评价

           c实验后科学概念建构效果的评价

        (6)实验过程意外收获的研究

     4、学生实验资源成果运用的研究

         (1)学生实验视频为帮助其他同学科学概念建构

         (2)学生实验视频成为教学资源的研究

   (二)课题预期目标

   1、形成学生实验视频资料库。

   2、学生学会用实验手段建构科学概念。

   3、学生能进行比较严密的实验设计,比较规范的实验操作。

   4、通过课外实验开发操作,提高学生学习科学的兴趣和敏感度。

   5、将实验替代器材的研究成果应用于今后的实验指导中。

   6、教师通过了解到的学生前概念,应用于教学设计的完善。

   7、教师将学生课外实验评价方案,应用于平时实验的评价。

       8、希能作为今后学校开展学生课外实验的参照。

 

六、研究方法

(1)文献研究法:查阅相关的资料及文献,奠定理论基础;了解同类课题研究的现状,提供借鉴,为创新性研究奠定基础。

(2)调查法:在研究前、实施阶段和结题阶段对试点班进行专项调查,主要采用面谈和问卷调查法,了解学生的前概念。

(3)行动研究法:对学生理解不够的科学概念,让学生用课外实验的方式进行新的建构。

(4)经验总结法:结题阶段写好研究报告。

 

七、课题研究的步骤及人员分工

   (一)研究步骤

第一阶段(准备阶段:2012年12月至2013年3月)设计课题研究方案,学习相关理论,确定实验班级,前期调查,了解现状。

第二阶段(实施阶段:2013年3月至2013年8月)以学生为载体,按计划进行实验,形成阶段性成果提出进一步的研究方向。

第三阶段(总结评估阶段: 2013年8月至2013年11月)对课题进行全面、科学的总结,写出实践报告。

   (二)人员分工

 

课题组成员

课题内分工

工作单位

职称

联系电话

苏马金

报告的编写,协调、组织课题进行及调整。

城关一中

中教一级

18957678383

李勤富

为课题提供素材、进行数据处理和问卷设计

陈屿中学

中教一级

13566440355

 

八、课题研究的条件分析

在11学年下半个学期,本人开始在本班学生中开始尝试,以各类练习中的错题和实验探究题为题材,进行学生实验,解决他们自己遇到的各种问题,试验以视频的形式记录下来,截止目前已有一定的积累,在班级内已形成动手实验解决问题的科学氛围。李勤富老师主持过省级课题《初中科学错误资源的开发和利用》,市级课题《初中生闲暇时间的研究》,县级课题《初中科学作业批改方式的研究》,对课题的研究有一定的理论积累和实践总结。

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