邵锋星

摘要：本研究采用團体测查与个案访谈相结合的方法，对2378名正式学习“光”课程之前的小学生进行了前概念的探查。研究结果表明，小学生对于光的传播路径概念、光与阴影概念、平面镜反射光线概念、凸透镜折射光线概念、光和热的关系概念方面存在多种类型的前概念。在调查的基础上，本研究还提出了促进五年级学生“光”的前概念转变的相关策略，主要有“科学游戏”策略、“架桥”策略、对比实验策略。

关键词：小学生;光;前概念;概念转变;教学策略

中图分类号：G622.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）43-0279-04

一、引言

20世纪70年代以来，教育者们在科学教学的研究中发现，儿童在学习科学课程之前，头脑里并不是一片空白。前科学概念（pre-science conception）或前概念（preconception）是指学生在接受正规的科学学习之前，通过自身的实践和日常生活的各种渠道，对客观世界中的各种事物已经形成了自己的看法，并在无形中养成他们独特的思维方式。也有学者将这些想法称为另类概念（alternative conceptions）。这些概念一旦形成，学生就会坚信其是正确和合理的，即使学生发现科学教科书或是教师讲授的科学知识与其想法相悖，学生依然会认为自己的想法才是正确的。因此，学生的前概念通常根深蒂固，不容易改变，如果不采用有效的教学设计，学生不会轻易改变他们的前概念而接受正确的科学概念（Duit & Treagust，1995）。

由于学生的前概念会影响科学概念的学习，因此，科学教育学者投入了大量的时间、人力，探究学生的前概念。迄今为止，已有3000多种相关论文和专著发表，主要集中在探究物质科学的前概念，但对于小学生“光”的前概念的研究较少，缺少广度和深度，所以需要做全面性、系统性的探究。为此，本研究的目的就在于发展检测小学生“光”的前概念的方法，以期有效的检测学生的前概念，进而作为科学教师采用概念教学策略促进学生概念转变学习的依据。

二、小学生光学前概念的探查

（一）研究方法

本项研究采用教师自己编写的“小学生‘光学习前个人调查问卷”。本调查卷针对我国小学生的特点以及国内小学光学教学内容的实际情况而制订的。以《科学（3-6年级）课程标准（实验稿）》中“内容标准”和教科版五上“光”单元内容为依据，在20道测试题目中，有关光和热的关系概念、凸透镜折射光线概念、反射光线概念、光与阴影概念、光的传播路径概念各四题。在个别访谈方面，适当加入学生对题目的理解与分析。

本研究以浙江省15所小学五年级初入学时的2378名学生为研究样本，进行问卷调查。其中杭州江南实验学校等城区小学3所，占总人数的27箛，建德市明珠小学等城镇小学7所，占总人数的43.8箛，淳安县青溪小学等农村小学5所，占总人数的29.2箛。测查共收回有效问卷2356份，对全部的有效问卷进行数据统计。在学生问卷测试完后，根据答案内容，对有典型意义问题进行个别访谈。

（二）调查结果与分析

1.光的传播路径概念。《科学（3-6年级）课程标准（实验稿）》指出：小学生应建立的光传播的科学概念为：在空气或水中，光沿直线传播。我们通过对有关光的传播路径概念4道题的学生回答情况进行统计分析，结果反映出学生具有以下一些较为普遍的前概念：其中能够较为准确地描述出光的直线传播路径的学生占14.6%;对光的传播路径存在错误认识，如光向四面八方传播等的学生占45.6%;其他39.8%的学生对于光沿直线传播理解上有分歧，认识比较模糊。他们常常觉得直线是水平方向的线、横向方向的线，而不是和“曲线”相反的“直线”概念。所以，这类学生对光的直线传播路径没有正确理解。

2.光与阴影概念。课程标准指出，小学生需要理解和明白的光与阴影的科学概念是：不透明物体和光是产生阴影的两个条件。阴影部分是光沿直线传播时，不能穿过不透明物体而形成的比较暗的区域。我们通过对有关光与阴影概念4道题的学生回答情况进行统计分析，结果反映出学生具有以下一些较为普遍的前概念：15.4%的学生认为没有光物体仍能够产生阴影。其他84.6%的学生学生认识到影子的产生需要光，他们认为光与影之间存在一定的关系，但还不能正确理解、解释这种关系。有8.9%的小学生能明确表达阴影是由于光照不到形成的。有5%的学生认为阴影是某种光，是一种比较暗的光。有1.7%的小学生觉得阴影是物体本身的一部分。有3.9%的小学生以为阴影是某种确实存在的与物体本身有联系的物质，它能被推动或者运动，可以变形或有一定的形状。还有8名儿童认为人的影子是人的灵魂等。

总而言之，小学生对阴影既熟悉有难以理解。虽然有的学生会用光线不能通过不透明物体来解释阴影，理解明白了是因为不透明物体导致光的消失，两者之间有一定的因果关系，但对阴影的形成原因仍然很难理解。

3.反射光线概念。《科学（3-6年级）课程标准（实验稿）》指出，小学生应建立的反射光线的科学概念为：当光遇到物体时，传播方向会发生改变，这就是光的反射。反射分漫反射和镜面反射。我们通过对有关反射光线概念4道题的学生回答情况进行统计分析，结果反映出学生具有以下一些较为普遍的前概念：有65%的学生认为人能够看到物体，是因为人有眼睛的缘故，近一半的学生认为眼睛是能发出光的。不能认识到光的漫反射现象。有82.7%的学生认为光线经镜面反射可以改变方向。可见，由于生活经验，小学生对镜面反射有比较普遍的认识，而对漫反射现象却难以理解。

4.凸透镜折射光线概念。课程标准指出，小学生需要理解明白的凸透镜折射光线的科学概念是：凸透镜可以会聚光线，它能改变光的传播方向。我们通过对有关凸透镜折射光线概念4道题的学生回答情况进行统计分析，结果反映出学生具有以下一些较为普遍的前概念：凸透镜下光线会形成小光点，有1.7%的学生认为凸透镜把阳光放大;有5.1%的学生认为是凸透镜反射了阳光;有10.3%的学生认为是凸透镜把阳光缩小;有18.6%的学生认为光线透过凸透镜后减少了;有48%的学生认为是凸透镜聚集了阳光;有16.3%的学生不能做出有意义的解释。

5.光与热的关系概念。课程标准指出，小学生应建立的光和热的关系科学概念为：物体吸热的程度和阳光的照射角度、物体表面的粗糙程度以及物体的颜色都有关系。我们通过对有关光和热的关系概念4道题的学生回答情况进行统计分析，结果反映出学生具有以下一些较为普遍的前概念：有13.6%的学生对物体吸热的本领与物体的颜色的关系有模糊认识，但不能做出具体解释;只有3.8%的学生认为物体吸热的本领与表面粗糙程度以及阳光的照射角度有关;学生更多认为，物体冷热程度由距离太阳的远近决定。

综上所述，对于小学生来说，光学概念是难以理解的概念，但是又离不开生活的点点滴滴，小学生很多光学方面的概念和用语，都来源于其他课外读物或日常生活，造成一知半解，似懂非懂。

三、促进小学生“光”概念转变的教学策略

（一）“科学游戏”策略

“科学游戏”策略指的是在转变概念的过程中，联系生活中的实际实例，创建游戏情景，使学生通过游戏过程发现问题。然后在之前的知识经验基础上，让学生进行讨论和思考，进而做出假设，并且在教师的帮助指导下完成探究方案设计，通过分组实验观察现象，得出结论，转变概念。

“科学游戏”策略可以用于学生对阴影认识的转变上。由于阴影在生活中随时随处可见，显得太不起眼、太过平凡，许多学生都没有认真仔细观察过。而且，日常生活中太多的光源及其反射光，造成了人们对阴影认识的偏差。采用“科学游戏”策略开展阴影概念教学活动过程如图1所示。

第一活动：手影游戏

手影游戏的活动是针对阴影概念的应用。

首先是通过观看手影表演视频，这样可以激发学生的兴趣。然后要求学生自由组合，自己选择合伙人，也可自己练习表演手影。为达到想要的效果，在表演手影的过程中，学生会不断微调手与光的角度和距离。并且通过调整这一过程，增加了对阴影的认识。

第二活动：路灯下的阴影

路灯下的阴影是一个延伸到课后的探究活动，为保证活动效果，在活动前，老师要发通知给学生家长，获得家长的支持，并交代好注意事项。

本次活动要求学生在离路灯较远的位置出发，走到路灯下，尽量接近路灯正下方，之后再远离路灯。行走过程中要尽量缓慢，仔细观察自己影子的方向变化、长短变化以及与自己和路灯位置的关系，并尝试使自己的影子消失。可以从不同方向多走几次。并记录下自己观察到的现象，拿到班级里与老师和同学一起讨论交流。

在这个活动中，学生可以进一步认识到：（1）路灯（物体）、自己（物体）和阴影总是在同一条直线上。（2）当自己（物体）处在路灯（光源）正下方时，阴影几乎消失。（3）阴影的长短变化与路灯（光源）和自己（物体）的位置有关。自己（物体）离路灯（光源）近，阴影就短;自己（物体）离路灯（光源）远，阴影就长。

第三活动：踩影子游戏

踩影子游戏是学生们都非常喜欢的游戏。两个两个一组进行比赛，分两轮进行比赛。第一轮比赛，两人之间间隔3米，背对阳光并排站好，攻守互易;第二轮比赛，两人之间仍间隔3米，面对阳光并排站好，一攻一守。赛后，让学生谈谈失败或胜利的原因，老师在与学生的对话交谈的过程中，随机点拨，从中总结出一些对阴影的认识。

在踩影子游戏活动中，学生可以认识到：（1）阴影是黑色的。（2）阴影总是在自己身体相对于太阳的另一面。（3）阴影会随着自己移动而移动。（4）要想阴影消失，就必须躲进其他更大的阴影里，不让太阳照到自己。（5）在阳光照射下，总是会有阴影。

（二）“架桥”策略

学生的某些前概念和科学概念并不冲突，只是并不完整、与科学概念相割裂而已。克莱门特等（Clement et al，1987）提出的“架桥”策略，以学生的前概念为基础，利用比喻、类比的方法将其扩展到新的领域，将外在信息归入前概念，使其内容加强和丰富，进而转变为科学概念。此类前概念转化策略的实质就是新旧经验的同化。

“架桥”策略一般包括以下步驟：（1）创设一个靶子问题，暴露学生与讨论主题相关的前概念;（2）教师举出一个符合学生直觉的例子——“锚例”;（3）建立类比。教师要求学生在锚例和目标事件（靶例）之间做出明确的对比，并试图建立类比关系。（4）提供“架桥”。如果学生没有接受这种类比，教师再试图找到一种类比以在靶例与锚例之间“架桥”（或者提供一系列“架桥”类比）。在转变学生对平面镜反射光线的认识时，可以采用“架桥”。采用“架桥”策略建构光的反射概念教学过程如图2所示。

1.创设一个靶子问题，暴露学生与学习主题相关的前概念。教师提出问题：眼睛为什么能从镜子中看到身体侧后方的蜡烛？通过调查、访谈，我们发现：有93.2%的学生认为有平面镜反射光线的直观认识;有22.7%的学生认为蜡烛光经镜面反射进入眼睛;有4.5%的学生认为蜡烛光和眼睛发出的光在镜面交汇往返;有22.8%的学生认为蜡烛光和眼睛发出的光在镜面交汇;有50%的学生认为眼睛发出光经镜面反射到蜡烛上。

由此可见，大部分学生都认为光线的传播方向是会发生改变的，但是对于光的反射的方向、角度等问题，只是有一些模糊的认识，并未真正正确理解。

2.教师举出一个符合学生直觉的例子——“锚例”。由两名同学在讲台前打乒乓球，演示给全班学生看。

3.建立类比。要求学生在“乒乓球的运动”和“光的反射”之间做出明确的对比，

4.提供“架桥”。架起建构科学概念的桥梁，并通过画图、演示等形式尝试解释光的反射概念。

（三）对比实验策略

实验是小学生了解“未知世界”、进行科学探究的主要方法，也是人类探索未知世界的有效手段之一。按实验在科学认识中的作用，科学实验可以分为模拟实验、对比实验、析因实验等。对比实验是指为了探索研究对象某种性质是否存在或预测某一事物的发展变化，设制实验者（组）和一个或多个对照者（组），并做到两者除要研究内容外的其他条件一致或相仿，最后通过对产生的不同结果的分析得出相关结论，又称为公平实验、变量控制法等。在转变学生对光和热的关系的认识时，可以采用对比实验策略。采用对比实验策略转变光和热的关系概念教学过程如图3所示：

对比实验一对比实验二对比实验三形成正确的光和热关系概念

对比实验一对比实验二对比实验三形成正确的光和热关系概念

对比实验一：探究物体的颜色与吸热有关系吗？

要求学生把不同颜色的材料对折做成纸袋，分别插上温度计平放到阳光下，比较它们的升温情况。实验器材是白色纸、粉色纸、黑色纸、红色纸。要求除了纸的颜色外，其他条件如摆放的时间、方式、地点等尽量保持一致。通过对比实验，学生会发现物体吸热的能力与物体的颜色有关系，深色物体比浅色物体吸热快。

对比实验二：探究物体的表面粗糙程度与吸热有关系吗？

要求学生把相同颜色、表面粗糙程度不同的黑色纸、黑色蜡光纸，黄色纸、黄色毛边纸对折做成纸袋，分别插上温度计平放到阳光下，比较它们的升温情况。要求摆放的地点、方式、时间等尽量保持一致。通过对比实验，学生会发现物体的表面粗糙程度与吸热的本领有关系，表面粗糙的吸热更快。

对比实验三：物体受阳光照射角度与吸热有怎样的关系？

要求学生把相同的黑色纸、对折做成3个纸袋，分别插上温度计放到阳光下。除了摆放时分别按水平、和地面垂直、与太阳光垂直的角度不同外，其他条件要尽量保持一致。这个实验的结果告诉学生：与太阳光成垂直角度摆放的纸袋升温快。

上述活动都要求学生按要求把实验数据逐个填写在表格中。其中第一个实验，还要求学生将其观察的结果绘制成折线图，因为折线图更能反映不同材料的升温趋势。作为实验中获得的证据，数据和图表有利于学生的观察、描述、表达与交流，以形成科学概念。

四、结论

综上所述，此项针对小学生“光”的前科学概念的测查研究形成以下基本认识：首先，小学生正式学习科学课之前，对于一些核心或常用的光学概念如光的传播路径概念、光与阴影概念、平面镜反射光线概念、凸透镜折射光线概念、光和热的关系概念方面存在多种类型的前概念。研究启示我们，为了促进学生的概念转变，小学科学教学中应该采取有针对性和多样化的概念转变教学策略和模式。概念转变教学策略应当基于对学生前概念的正确分析，因此，需要科学教师了解国内外概念转变教学已有的相关理论和研究成果，加强关于小学生对光学及其他科学知识的个人认识或前概念的实证研究。

参考文献：

[1]Duit，R. & Treagust，D.F. Studentsconceptions and constructivist teaching approaches[A]. In B.J. Fraser & H.J. Walberg，（Eds.）Improving Science Education[C].The University of Chicago Press，Chicago，Illinois.1995.46-69.

[2]Clement，J. et al. Overcoming studentsmisconceptions in physics：the role of anchoring intuitions and analogical validity. Proceedings of the Second International Seminar. Misconceptions and Educational Strategies in Science and Mathematics.1987，3，84-97.

[3]蔡鐵权，等.概念转变的科学教学[M].北京：教育科学出版社，2009.

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