小學生“熱”的前概念研究

陳莉 賀嬌娜 鄭敏

【摘要】“熱”是生活中常見的現象之一。小學生對于“熱”的前概念與科學概念之間在認識和理解上存在的差異，對小學科學“熱”的教學具有極為重要的意義。本文以《小學科學課程標準》中的分解概念為依據，設計了關于“熱”概念的二段式調查問卷。通過對湖南省多所學校小學生的調查，分析得出了以下結論：大部分小學生對“溫度的改變會影響物體體積”以及“熱賬冷縮”等有比較科學的認識，而對于“熱”“熱量”“熱能”“熱量與質量的關系”和“熱傳遞的本質”等的認識與現代熱力學存在著差距。

【關鍵詞】熱;前概念;科學概念

1.研究背景

“熱”是人類生活中常見的物理現象。人自出生起就開始接觸“熱”這一概念。什么是“熱”？為什么我們感覺到“熱”？如何表達和領悟“熱”的含義？似乎是從孩提開始，人類就在交流中建立了對“熱”的認識。這種在生活中建立的“熱”的相關概念，即“熱”的前概念，它與現代科學的“熱”的概念一致嗎？如果一致，則小學科學課程中有關“熱”的學習就十分簡單了。如果不一致，則哪里不一致？這一問題的答案，對于全球的科學教學來說意義重大。

世界各國科學教育都十分注重“熱”的學習。美國《下一代科學標準》要求小學生掌握“能量可以通過聲音、光、熱和電流從一個地方傳遞到另一個地方”“無論加熱、冷卻或混合物質時發生何種變化，物質的總質量保持不變”“加熱或冷卻導致的變化有些是可逆的，有些則不是”等知識[1]。我國《小學科學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“《標準》”）中需要學習的“熱”的主要概念是：“熱可以改變物質的狀態，以不同方式傳遞，熱是人們常用的一種能量表現形式。并把這一主要概念分解成三個具體概念，即：（1）用溫度來表示物體冷熱的程度;攝氏度是溫度的一種計量單位。（2）加熱或冷卻時物體的體積會發生變化;加熱和冷卻也可以改變某些物質的狀態。（3）熱可以在物體內和物體間傳遞;通常熱從溫度高的物體傳向溫度低的物體[2]。

在日常生活中，“熱”有兩種含義：一是“熱能”（Thermalenergy），是指物體內部分子或原子的運動，也叫內能;二是“熱量”（heat），是指由于溫度差別而從高溫物體轉移到低溫物體的能量[1]。我國《標準》中的“熱可以改變物質的狀態，以不同方式傳遞”，美國《下一代科學標準》中的“無論加熱、冷卻或混合物質時發生何種變化，物質的總質量保持不變”“加熱或冷卻導致的變化有些是可逆的，有些則不是”等，這里的“熱”就是指“熱量”。熱量和功是系統狀態變化中伴隨發生的兩種不同的能量傳遞形式，是不同形式能量傳遞的量度，它們都與狀態變化的中間過程有關，因而不是系統狀態的函數'由此不難推導出我國課程標準中的分解概念“加熱或冷卻時物體的體積會發生變化;加熱和冷卻也可以改變某些物質的狀態”和“熱可以在物體內和物體間傳遞，通常熱從溫度高的物體傳向溫度低的物體”，這里的“熱”也是指“熱量”。我國“《標準》”中“熱”的主要概念的下半句“熱是人們常用的一種能量表現形式”、美國《下一代科學標準》的“能量可以通過聲、光、熱和電流從一個地方被傳遞到另一個地方”，這里的“熱”是指“熱能”。我國“《標準》”中的分解概念“用溫度來表示物體冷熱的程度”中的“熱”也是指物體的“熱能”。熱能（內能）是物體內部分子動能和分子勢能的總和，溫度是物體內部分子平均動能的標志。所以，“熱”是指物體內部分子熱運動的劇烈程度高，而“冷”是指物體內部分子熱運動的劇烈程度低。物體的分子勢能與物體的體積有關，加熱或冷卻會改變物體的分子勢能，所以“加熱或冷卻時物體的體積會發生變化，加熱和冷卻也可以改變某些物質的狀態”。

2.研究方法

然后根據具體概念設計問題和答案（見表1）

從前面的分析得出，科學課程需要小學階段了解“熱”的主要問題有：熱是什么;溫度與熱的關系;熱量的傳遞條件和方式;熱能的本質及其表現等。根據以上問題，考慮到小學生的審題能力和答題水平，我們制訂了“熱”的概念的調查問卷。

2.1問卷形式

問卷采用二段式測驗：第一部分以選擇題的形式呈現，由受試者選擇主要概念;第二部分以填空題的形式呈現由受試者填寫判斷的理由。這樣的出題形式不僅可以測出小學生對問題的主要概念的掌握倩況，同時可以看出其答案選擇背后的因素，看出小^學生概念的脈絡性[4]。

2.2問卷內容

問卷設計參考《標準》中的概念分層模式，以其中的科學概念為維度，通過進一步分解得出具體概念，

3.問卷調查及結果分析

3.1數據來源與樣本情況

本次研究采用抽樣調查，對湖南省長沙市和益陽市安化縣共5所學校的小學生進行了全員調查（見表2），共發出問卷673份，回收問卷673份，有效問卷為663份（其中10份問卷未完成作答，視為無效處理）。回收率為100%，有效率約為98.5%。

3.2問卷結果及分析

3.2.1對“溫度的變化是否改變物質的質量”的理解

對于題目“某常溫下為500克的鐵塊，如果把它加熱到70T再去稱的結果是（）”很多人會認為這是關于熱量交換的題目，但仔細分析可以發現，該題是在測驗“溫度是物體內部分子運動狀態的標志，與物體的質量無關”，具體地說，就是“溫度的變化不會改變物質的質量”（見表3）。

從表3可以看出，42.9%的小學生認為溫度的變化與質量無關，57.1%的小學生認為溫度變化與質量有關，其中21.7%的小學生認為溫度和質量正相關，35.4%的小學生認為溫度和質量負相關。在認為溫度的變化與質量無關的42.9%的小學生中，有36%的小學生明確地意識到“溫度與質量沒有關系”，有6.9%的小學生理解不清楚或者存在錯誤理解，如認為“在1000丈之內，或者是沒有熔化的情況下，鐵的質量就不會變化”。如果該題改成“常溫下為500克的鐵塊，如果把它加熱到熔化再去稱的結果是（）”那么這些小學生可能就會放棄C答案。總而言之，大部分小學生有“溫度、熱能與質量有關”的錯誤概念，同時，還會表現出“熱量是有質量的”的錯誤觀點。

3.2.2對“加熱或冷卻時物體的體積會發生變化”的理解

熱脹冷縮是指物體受熱時會膨脹，遇冷時會收縮的特性。由于物體內的粒子（原子）運動會隨溫度而改變，當溫度上升時，粒子的振動幅度加大，令物體膨脹;當溫度下降時，粒子的振動幅度便會減小，使物體收縮[5]。但并不是自然界中所有的物體都是如此，

如在0丈-4丈的溫度范圍內，水的體積隨溫度的升高而減小，表現為“冷脹熱縮”。對于小學生來說，“你聽說過熱脹冷縮嗎？”這一題目測驗的不是對“熱脹冷縮”的本質的理解，而是檢測小學生是否知道“加熱或冷卻時物體的體積會發生變化”這一事實，是否認為“熱脹冷縮”是全概率事件（見表4）。

從表4可以看出，66.6%的小學生知道有“熱脹冷縮”現象，而且有54.6%的小學生知道不是所有物體都會熱脹冷縮，如“冬天水管會被凍裂”“水在低溫下會冷脹熱縮”。完全不知道熱脹冷縮的小學生有33.4%。總體來看，大部分小學生知道“熱脹冷縮”這一現象，并且很多小學生還能根據日常生活經驗推導出這一結論。無論小學生是否知道“熱脹冷縮”，基本上不會在“加熱或冷卻時物體的體積會發生變化”這一問題上產生難以轉化的錯誤概念。

3.2.3對“加熱和冷卻可以改變某些物質的狀態”的理解

加熱和冷卻可以改變某些物質的狀態，反過來說，物質的狀態的改變必然伴隨著加熱或者冷卻的過程。“冬天很冷時會下雪，是下雪冷，還是化雪冷？”這一題目是考查小學生對“熱量”與“物質的狀態變化”之間關系的了解（見表5，資料來源[6]）。

從表5可以看出，選項與理由部分都答對的比例為21.7%。基于日常生活經驗，小學生普遍認為下雪是因為天氣冷的原因，化雪是因為有太陽，有太陽就會熱，但不能理解是因為有熱量參與，雪才化為水。

3.2.4對“傳遞有多種形式”的理解

“真空中，能不能發生熱傳遞？（）”這一題目測驗的是熱傳遞需不需要介質。準確地說，熱傳遞有三種形式：有的傳遞形式需要介質，如熱傳導、熱對流;有的傳遞形式不需要介質，如熱輻射;真空中可以發生熱輻射（見表6）。

從表6可以看出，29.9%的小學生知道“真空中能發生熱傳遞”，但是只有2.4%的小學生能夠說出太陽的例子，27.5%的小學生在闡述理由時表現出對該問題的理解偏差很大。因為有的小學生不知道真空是什么，他們認為“真空里面有空氣，有物質'真空是一種“隔的東西”，所以他們認為它能夠傳播熱，這樣的理解和回答與選項B的理解實質上是一樣的。有的小學生選擇A，理由是他們認為真空本身就有“熱”，不管他們認為的“熱”是物體還是能量，總之，都偏離了對熱傳遞的本質的認識。36.6%的小學生認為真空中不能發生熱傳遞，理由幾乎都是“熱傳遞需要介質”。另外，33.5%的小學生填寫了“不知道”。總體來看，對于這一問題，大部分小學生都不能夠正確理解。

3.2.5對“熱傳遞的方向”的理解

熱傳遞具有方向，“對一塊鐵板的中心點位置進行加熱，熱傳遞的時候會是下列哪一種情況？（）”和“在一個空房間放一桶冰，過一段時間，房內的溫度下降了，是因為（）”兩個題目都是測驗“熱傳遞是熱量從高溫物體傳到低溫物體的，具有方向性”的（分別見表7、表8）。

從表7可以看出，5.0%的小學生認為熱會沿著一個方向直線傳遞，8.4%的小學生認為熱會向左、右兩個方向水平傳遞，86.6%的小學生認為熱會以圓心為起點向四周散開。在正確答案C中，有74.6%的小學生能夠準確描述這一現象，另有12.0%的小學生在回答時表達出一些錯誤概念，如“熱量”“冷量”和“熱是氣”等。

從表 8 可以看出，31.5 % 的小學生認為冰會將冷傳給房間，59.6 % 的小學生認為冰會將冷傳給房間的同時房間也會將熱傳給冰。只有8.9%的小學生認為是房間將熱傳給了冰，但在闡述理由時并沒有提到熱傳遞的方向，即熱傳遞的方向是從高溫物體傳向低溫物體，而不是相反，這說明小學生的選擇帶有一定的偶然性。

“ 溫室中有兩塊一樣的冰，如果把其中一塊用棉衣裹上，哪塊冰融得更快？（ ）”這一題目是考查小學生在理解熱傳遞方向的基礎上的升級理解。在進行熱交換的“ 冰 ”和“ 空氣 ”之間加入“ 棉衣 ”這一物質后，由于棉衣的阻隔，因此熱傳遞的速度減緩了（見表 9）。

從表 9 可以看出，67.2 % 的小學生在這一問題的理解上出現了與科學概念不符合的前概念，普遍認為“ 棉衣有熱量，而且熱量比較大 ”。25.8 % 的小學生認為沒有用棉衣裹住的冰塊融化得更快，其中部分小學生能夠準確描述棉衣對冰塊的作用，即“ 阻擋了熱空氣與冰的熱交換 ”;部分小學生的描述分不清“ 熱量 ”和“ 溫度 ”，如“ 因為被棉衣裹住的那塊被擋了一點溫度，而沒有用棉衣裹住的那塊沒有被擋一點溫度 ”。另有 6.9 % 的小學生的描述與題意無關。另外，還有小部分小學生認為棉衣沒有熱量，所以它對冰塊融化的速度沒有影響。

4.結論

前概念是指學習者在接受正式的科學教育之前，在現實生活中通過長期的經驗積累與辨別式學習而獲得的一些感性印象、積累的一些經驗 [7]，相異概念是學習者對一系列可理解的自然現象和物體建構了基經驗的解釋 [8]。學習者在解釋時是有理由的，有時候于也是合理的，因此并不是所有的前概念都是錯誤的 [9]。基于此，對于某個小學生的回答，如果他回答“ 不知道 ”，則表示他對于所問的問題沒有經驗，當然也就不存在所謂的前概念;如果他先答對了事實，但在理由上回答“ 不知道 ”，則我們認為他可能不知道自己從什么途徑知道了這一事實，但是沒有做深層的思考，說明他頭腦里沒有太多的經驗，所以他具有前概念但是沒有錯誤認識。通過本次調查，對于小學生“ 熱 ”的前概念得出了以下結論。

4.1小學生對于“熱”的前概念和科學的“熱”概念之間的認識存在著巨大的差異

4.1.1對“熱”這一詞語的辨析不清楚

在中文的日常語言表達中，“ 熱 ”至少有三種含義：（1） 指“ 溫度高 ”;（2） 指物體的“ 熱能 ”;（3） 指“ 熱量 ”。對此，大部分小學生都不能夠清楚地區分。

4.1.2 對“熱能”和“熱量”兩個概念認識混淆

部分小學生會把“熱能”和“熱量”兩個概念看成是一個意思，部分小學生雖然覺得這兩個概念是兩 個詞，應當有所區別，但是在實際運用上又會將它們 混為一體。他們會說“棉衣有熱量”，也會說“火把熱量傳遞給了鐵”。

4.1.3 認為“熱量有質量”

他們認為“熱量有質量”，而不能理解“熱量是一種能量”“熱量不是物質”等概念。

4.1.4 對“熱傳遞的方向”的理解有偏差

大多數小學生知道“熱量會傳遞”，但是很多小學生認為不僅“熱量從高溫物體傳向低溫物體”，而 且“低溫物體可以把冷量傳給高溫物體”。所以很多小學生會說“用棉衣包住冰塊是阻止了冰塊把冷量傳出去”。

4.1.5 對“溫度”“熱能”和“質量”之間的關系不清楚

他們認為“溫度與質量有關”“物質熱了質量會 改變”等。除了對“熱”這一詞語的辨析不清楚之外，小學生也不能夠準確地解釋有關“熱”現象的諸多問題，這是小學生尚未接觸到分子運動理論的緣故[10]。

4.2小學生在關于“熱”的前概念中，有一些認識和理解與科學概念之間沒有沖突

這個主要表現在大部分小學生知道“溫度的改變”會影響“物體的體積及其存在狀態”，如他們會說“溫度升高，冰會融化成水;溫度再升高，水會變成水蒸氣”。很多小學生知道“熱脹冷縮”，能夠在理解“熱脹冷縮”時，把“溫度”和“體積”聯系起來;他們也知道不是所有的物體都能“熱脹冷縮”，同時能夠舉出水和冰體積變化的例子。

（本文作者陳莉、鄭敏系湖南第一師范學院副教授;本文作者賀嬌娜系湖南第一師范學院學生）

參考文獻：

[1]NGSSLeadStates.Nextgenerationsciencestandards：Forstates，bystates[S].Washington，DC：Achieve，Inc，2013.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2017.

[3]科普中國·科學百科.熱量[DB/OL]https：//baike.baidu.com/item/熱量/1137730？fr二aladdin.

[4]蔡鐵權，姜旭英，胡玫.概念轉變的科學教學[M]北京：教育科學出版社，2009.

[5]王靖凱.小學生“冷和熱”概念轉變的心理機制研究[D].山西師范大學，2014.

[6]陳亮.四年級學生“冷和熱”前概念的調查研究[D].南京師范大學，2015.

[7]李高峰.科學教育中的“前科學概念”[J].教育學術月刊，2010（9）.

[8] JH Wandersee， JJ Mintzes， JD Novak.Research on alternative conceptions in science[M].Handbook of Research on Science Teaching and Learning. Macmillan Publishing Company， 1994.177-210.

[9] John Clement， David E. Brown， Aletta Zietsman.Not all preconceptions are misconceptions： finding ‘anchoring conceptionsfor grounding instruction on studentsintuitions[J].International Journal of Science Education， 1989， （11）：554-565.

[10] The Ohio State University Common Misconceptions about Heat and Insulation[DB/OL]. http：// beyondpenguins.ehe.osu.edu/issue/keeping-warm/common-misconceptions-about-heat-and_insulation