小學生“光”的前概念探查及其轉變策略研究

邵鋒星

摘要：本研究采用團體測查與個案訪談相結合的方法，對2378名正式學習“光”課程之前的小學生進行了前概念的探查。研究結果表明，小學生對于光的傳播路徑概念、光與陰影概念、平面鏡反射光線概念、凸透鏡折射光線概念、光和熱的關系概念方面存在多種類型的前概念。在調查的基礎上，本研究還提出了促進五年級學生“光”的前概念轉變的相關策略，主要有“科學游戲”策略、“架橋”策略、對比實驗策略。

關鍵詞：小學生;光;前概念;概念轉變;教學策略

中圖分類號：G622.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）43-0279-04

一、引言

20世紀70年代以來，教育者們在科學教學的研究中發現，兒童在學習科學課程之前，頭腦里并不是一片空白。前科學概念（pre-science conception）或前概念（preconception）是指學生在接受正規的科學學習之前，通過自身的實踐和日常生活的各種渠道，對客觀世界中的各種事物已經形成了自己的看法，并在無形中養成他們獨特的思維方式。也有學者將這些想法稱為另類概念（alternative conceptions）。這些概念一旦形成，學生就會堅信其是正確和合理的，即使學生發現科學教科書或是教師講授的科學知識與其想法相悖，學生依然會認為自己的想法才是正確的。因此，學生的前概念通常根深蒂固，不容易改變，如果不采用有效的教學設計，學生不會輕易改變他們的前概念而接受正確的科學概念（Duit & Treagust，1995）。

由于學生的前概念會影響科學概念的學習，因此，科學教育學者投入了大量的時間、人力，探究學生的前概念。迄今為止，已有3000多種相關論文和專著發表，主要集中在探究物質科學的前概念，但對于小學生“光”的前概念的研究較少，缺少廣度和深度，所以需要做全面性、系統性的探究。為此，本研究的目的就在于發展檢測小學生“光”的前概念的方法，以期有效的檢測學生的前概念，進而作為科學教師采用概念教學策略促進學生概念轉變學習的依據。

二、小學生光學前概念的探查

（一）研究方法

本項研究采用教師自己編寫的“小學生‘光學習前個人調查問卷”。本調查卷針對我國小學生的特點以及國內小學光學教學內容的實際情況而制訂的。以《科學（3-6年級）課程標準（實驗稿）》中“內容標準”和教科版五上“光”單元內容為依據，在20道測試題目中，有關光和熱的關系概念、凸透鏡折射光線概念、反射光線概念、光與陰影概念、光的傳播路徑概念各四題。在個別訪談方面，適當加入學生對題目的理解與分析。

本研究以浙江省15所小學五年級初入學時的2378名學生為研究樣本，進行問卷調查。其中杭州江南實驗學校等城區小學3所，占總人數的27箛，建德市明珠小學等城鎮小學7所，占總人數的43.8箛，淳安縣青溪小學等農村小學5所，占總人數的29.2箛。測查共收回有效問卷2356份，對全部的有效問卷進行數據統計。在學生問卷測試完后，根據答案內容，對有典型意義問題進行個別訪談。

（二）調查結果與分析

1.光的傳播路徑概念。《科學（3-6年級）課程標準（實驗稿）》指出：小學生應建立的光傳播的科學概念為：在空氣或水中，光沿直線傳播。我們通過對有關光的傳播路徑概念4道題的學生回答情況進行統計分析，結果反映出學生具有以下一些較為普遍的前概念：其中能夠較為準確地描述出光的直線傳播路徑的學生占14.6%;對光的傳播路徑存在錯誤認識，如光向四面八方傳播等的學生占45.6%;其他39.8%的學生對于光沿直線傳播理解上有分歧，認識比較模糊。他們常常覺得直線是水平方向的線、橫向方向的線，而不是和“曲線”相反的“直線”概念。所以，這類學生對光的直線傳播路徑沒有正確理解。

2.光與陰影概念。課程標準指出，小學生需要理解和明白的光與陰影的科學概念是：不透明物體和光是產生陰影的兩個條件。陰影部分是光沿直線傳播時，不能穿過不透明物體而形成的比較暗的區域。我們通過對有關光與陰影概念4道題的學生回答情況進行統計分析，結果反映出學生具有以下一些較為普遍的前概念：15.4%的學生認為沒有光物體仍能夠產生陰影。其他84.6%的學生學生認識到影子的產生需要光，他們認為光與影之間存在一定的關系，但還不能正確理解、解釋這種關系。有8.9%的小學生能明確表達陰影是由于光照不到形成的。有5%的學生認為陰影是某種光，是一種比較暗的光。有1.7%的小學生覺得陰影是物體本身的一部分。有3.9%的小學生以為陰影是某種確實存在的與物體本身有聯系的物質，它能被推動或者運動，可以變形或有一定的形狀。還有8名兒童認為人的影子是人的靈魂等。

總而言之，小學生對陰影既熟悉有難以理解。雖然有的學生會用光線不能通過不透明物體來解釋陰影，理解明白了是因為不透明物體導致光的消失，兩者之間有一定的因果關系，但對陰影的形成原因仍然很難理解。

3.反射光線概念。《科學（3-6年級）課程標準（實驗稿）》指出，小學生應建立的反射光線的科學概念為：當光遇到物體時，傳播方向會發生改變，這就是光的反射。反射分漫反射和鏡面反射。我們通過對有關反射光線概念4道題的學生回答情況進行統計分析，結果反映出學生具有以下一些較為普遍的前概念：有65%的學生認為人能夠看到物體，是因為人有眼睛的緣故，近一半的學生認為眼睛是能發出光的。不能認識到光的漫反射現象。有82.7%的學生認為光線經鏡面反射可以改變方向。可見，由于生活經驗，小學生對鏡面反射有比較普遍的認識，而對漫反射現象卻難以理解。

4.凸透鏡折射光線概念。課程標準指出，小學生需要理解明白的凸透鏡折射光線的科學概念是：凸透鏡可以會聚光線，它能改變光的傳播方向。我們通過對有關凸透鏡折射光線概念4道題的學生回答情況進行統計分析，結果反映出學生具有以下一些較為普遍的前概念：凸透鏡下光線會形成小光點，有1.7%的學生認為凸透鏡把陽光放大;有5.1%的學生認為是凸透鏡反射了陽光;有10.3%的學生認為是凸透鏡把陽光縮小;有18.6%的學生認為光線透過凸透鏡后減少了;有48%的學生認為是凸透鏡聚集了陽光;有16.3%的學生不能做出有意義的解釋。

5.光與熱的關系概念。課程標準指出，小學生應建立的光和熱的關系科學概念為：物體吸熱的程度和陽光的照射角度、物體表面的粗糙程度以及物體的顏色都有關系。我們通過對有關光和熱的關系概念4道題的學生回答情況進行統計分析，結果反映出學生具有以下一些較為普遍的前概念：有13.6%的學生對物體吸熱的本領與物體的顏色的關系有模糊認識，但不能做出具體解釋;只有3.8%的學生認為物體吸熱的本領與表面粗糙程度以及陽光的照射角度有關;學生更多認為，物體冷熱程度由距離太陽的遠近決定。

綜上所述，對于小學生來說，光學概念是難以理解的概念，但是又離不開生活的點點滴滴，小學生很多光學方面的概念和用語，都來源于其他課外讀物或日常生活，造成一知半解，似懂非懂。

三、促進小學生“光”概念轉變的教學策略

（一）“科學游戲”策略

“科學游戲”策略指的是在轉變概念的過程中，聯系生活中的實際實例，創建游戲情景，使學生通過游戲過程發現問題。然后在之前的知識經驗基礎上，讓學生進行討論和思考，進而做出假設，并且在教師的幫助指導下完成探究方案設計，通過分組實驗觀察現象，得出結論，轉變概念。

“科學游戲”策略可以用于學生對陰影認識的轉變上。由于陰影在生活中隨時隨處可見，顯得太不起眼、太過平凡，許多學生都沒有認真仔細觀察過。而且，日常生活中太多的光源及其反射光，造成了人們對陰影認識的偏差。采用“科學游戲”策略開展陰影概念教學活動過程如圖1所示。

第一活動：手影游戲

手影游戲的活動是針對陰影概念的應用。

首先是通過觀看手影表演視頻，這樣可以激發學生的興趣。然后要求學生自由組合，自己選擇合伙人，也可自己練習表演手影。為達到想要的效果，在表演手影的過程中，學生會不斷微調手與光的角度和距離。并且通過調整這一過程，增加了對陰影的認識。

第二活動：路燈下的陰影

路燈下的陰影是一個延伸到課后的探究活動，為保證活動效果，在活動前，老師要發通知給學生家長，獲得家長的支持，并交代好注意事項。

本次活動要求學生在離路燈較遠的位置出發，走到路燈下，盡量接近路燈正下方，之后再遠離路燈。行走過程中要盡量緩慢，仔細觀察自己影子的方向變化、長短變化以及與自己和路燈位置的關系，并嘗試使自己的影子消失。可以從不同方向多走幾次。并記錄下自己觀察到的現象，拿到班級里與老師和同學一起討論交流。

在這個活動中，學生可以進一步認識到：（1）路燈（物體）、自己（物體）和陰影總是在同一條直線上。（2）當自己（物體）處在路燈（光源）正下方時，陰影幾乎消失。（3）陰影的長短變化與路燈（光源）和自己（物體）的位置有關。自己（物體）離路燈（光源）近，陰影就短;自己（物體）離路燈（光源）遠，陰影就長。

第三活動：踩影子游戲

踩影子游戲是學生們都非常喜歡的游戲。兩個兩個一組進行比賽，分兩輪進行比賽。第一輪比賽，兩人之間間隔3米，背對陽光并排站好，攻守互易;第二輪比賽，兩人之間仍間隔3米，面對陽光并排站好，一攻一守。賽后，讓學生談談失敗或勝利的原因，老師在與學生的對話交談的過程中，隨機點撥，從中總結出一些對陰影的認識。

在踩影子游戲活動中，學生可以認識到：（1）陰影是黑色的。（2）陰影總是在自己身體相對于太陽的另一面。（3）陰影會隨著自己移動而移動。（4）要想陰影消失，就必須躲進其他更大的陰影里，不讓太陽照到自己。（5）在陽光照射下，總是會有陰影。

（二）“架橋”策略

學生的某些前概念和科學概念并不沖突，只是并不完整、與科學概念相割裂而已。克萊門特等（Clement et al，1987）提出的“架橋”策略，以學生的前概念為基礎，利用比喻、類比的方法將其擴展到新的領域，將外在信息歸入前概念，使其內容加強和豐富，進而轉變為科學概念。此類前概念轉化策略的實質就是新舊經驗的同化。

“架橋”策略一般包括以下步驟：（1）創設一個靶子問題，暴露學生與討論主題相關的前概念;（2）教師舉出一個符合學生直覺的例子——“錨例”;（3）建立類比。教師要求學生在錨例和目標事件（靶例）之間做出明確的對比，并試圖建立類比關系。（4）提供“架橋”。如果學生沒有接受這種類比，教師再試圖找到一種類比以在靶例與錨例之間“架橋”（或者提供一系列“架橋”類比）。在轉變學生對平面鏡反射光線的認識時，可以采用“架橋”。采用“架橋”策略建構光的反射概念教學過程如圖2所示。

1.創設一個靶子問題，暴露學生與學習主題相關的前概念。教師提出問題：眼睛為什么能從鏡子中看到身體側后方的蠟燭？通過調查、訪談，我們發現：有93.2%的學生認為有平面鏡反射光線的直觀認識;有22.7%的學生認為蠟燭光經鏡面反射進入眼睛;有4.5%的學生認為蠟燭光和眼睛發出的光在鏡面交匯往返;有22.8%的學生認為蠟燭光和眼睛發出的光在鏡面交匯;有50%的學生認為眼睛發出光經鏡面反射到蠟燭上。

由此可見，大部分學生都認為光線的傳播方向是會發生改變的，但是對于光的反射的方向、角度等問題，只是有一些模糊的認識，并未真正正確理解。

2.教師舉出一個符合學生直覺的例子——“錨例”。由兩名同學在講臺前打乒乓球，演示給全班學生看。

3.建立類比。要求學生在“乒乓球的運動”和“光的反射”之間做出明確的對比，

4.提供“架橋”。架起建構科學概念的橋梁，并通過畫圖、演示等形式嘗試解釋光的反射概念。

（三）對比實驗策略

實驗是小學生了解“未知世界”、進行科學探究的主要方法，也是人類探索未知世界的有效手段之一。按實驗在科學認識中的作用，科學實驗可以分為模擬實驗、對比實驗、析因實驗等。對比實驗是指為了探索研究對象某種性質是否存在或預測某一事物的發展變化，設制實驗者（組）和一個或多個對照者（組），并做到兩者除要研究內容外的其他條件一致或相仿，最后通過對產生的不同結果的分析得出相關結論，又稱為公平實驗、變量控制法等。在轉變學生對光和熱的關系的認識時，可以采用對比實驗策略。采用對比實驗策略轉變光和熱的關系概念教學過程如圖3所示：

對比實驗一對比實驗二對比實驗三形成正確的光和熱關系概念

對比實驗一對比實驗二對比實驗三形成正確的光和熱關系概念

對比實驗一：探究物體的顏色與吸熱有關系嗎？

要求學生把不同顏色的材料對折做成紙袋，分別插上溫度計平放到陽光下，比較它們的升溫情況。實驗器材是白色紙、粉色紙、黑色紙、紅色紙。要求除了紙的顏色外，其他條件如擺放的時間、方式、地點等盡量保持一致。通過對比實驗，學生會發現物體吸熱的能力與物體的顏色有關系，深色物體比淺色物體吸熱快。

對比實驗二：探究物體的表面粗糙程度與吸熱有關系嗎？

要求學生把相同顏色、表面粗糙程度不同的黑色紙、黑色蠟光紙，黃色紙、黃色毛邊紙對折做成紙袋，分別插上溫度計平放到陽光下，比較它們的升溫情況。要求擺放的地點、方式、時間等盡量保持一致。通過對比實驗，學生會發現物體的表面粗糙程度與吸熱的本領有關系，表面粗糙的吸熱更快。

對比實驗三：物體受陽光照射角度與吸熱有怎樣的關系？

要求學生把相同的黑色紙、對折做成3個紙袋，分別插上溫度計放到陽光下。除了擺放時分別按水平、和地面垂直、與太陽光垂直的角度不同外，其他條件要盡量保持一致。這個實驗的結果告訴學生：與太陽光成垂直角度擺放的紙袋升溫快。

上述活動都要求學生按要求把實驗數據逐個填寫在表格中。其中第一個實驗，還要求學生將其觀察的結果繪制成折線圖，因為折線圖更能反映不同材料的升溫趨勢。作為實驗中獲得的證據，數據和圖表有利于學生的觀察、描述、表達與交流，以形成科學概念。

四、結論

綜上所述，此項針對小學生“光”的前科學概念的測查研究形成以下基本認識：首先，小學生正式學習科學課之前，對于一些核心或常用的光學概念如光的傳播路徑概念、光與陰影概念、平面鏡反射光線概念、凸透鏡折射光線概念、光和熱的關系概念方面存在多種類型的前概念。研究啟示我們，為了促進學生的概念轉變，小學科學教學中應該采取有針對性和多樣化的概念轉變教學策略和模式。概念轉變教學策略應當基于對學生前概念的正確分析，因此，需要科學教師了解國內外概念轉變教學已有的相關理論和研究成果，加強關于小學生對光學及其他科學知識的個人認識或前概念的實證研究。

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