陈莉 贺娇娜 郑敏

【摘要】“热”是生活中常见的现象之一。小学生对于“热”的前概念与科学概念之间在认识和理解上存在的差异，对小学科学“热”的教学具有极为重要的意义。本文以《小学科学课程标准》中的分解概念为依据，设计了关于“热”概念的二段式调查问卷。通过对湖南省多所学校小学生的调查，分析得出了以下结论：大部分小学生对“温度的改变会影响物体体积”以及“热账冷缩”等有比较科学的认识，而对于“热”“热量”“热能”“热量与质量的关系”和“热传递的本质”等的认识与现代热力学存在着差距。

【关键词】热;前概念;科学概念

1.研究背景

“热”是人类生活中常见的物理现象。人自出生起就开始接触“热”这一概念。什么是“热”？为什么我们感觉到“热”？如何表达和领悟“热”的含义？似乎是从孩提开始，人类就在交流中建立了对“热”的认识。这种在生活中建立的“热”的相关概念，即“热”的前概念，它与现代科学的“热”的概念一致吗？如果一致，则小学科学课程中有关“热”的学习就十分简单了。如果不一致，则哪里不一致？这一问题的答案，对于全球的科学教学来说意义重大。

世界各国科学教育都十分注重“热”的学习。美国《下一代科学标准》要求小学生掌握“能量可以通过声音、光、热和电流从一个地方传递到另一个地方”“无论加热、冷却或混合物质时发生何种变化，物质的总质量保持不变”“加热或冷却导致的变化有些是可逆的，有些则不是”等知识[1]。我国《小学科学课程标准（2017年版）》（以下简称“《标准》”）中需要学习的“热”的主要概念是：“热可以改变物质的状态，以不同方式传递，热是人们常用的一种能量表现形式。并把这一主要概念分解成三个具体概念，即：（1）用温度来表示物体冷热的程度;摄氏度是温度的一种计量单位。（2）加热或冷却时物体的体积会发生变化;加热和冷却也可以改变某些物质的状态。（3）热可以在物体内和物体间传递;通常热从温度高的物体传向温度低的物体[2]。

在日常生活中，“热”有两种含义：一是“热能”（Thermalenergy），是指物体内部分子或原子的运动，也叫内能;二是“热量”（heat），是指由于温度差别而从高温物体转移到低溫物体的能量[1]。我国《标准》中的“热可以改变物质的状态，以不同方式传递”，美国《下一代科学标准》中的“无论加热、冷却或混合物质时发生何种变化，物质的总质量保持不变”“加热或冷却导致的变化有些是可逆的，有些则不是”等，这里的“热”就是指“热量”。热量和功是系统状态变化中伴随发生的两种不同的能量传递形式，是不同形式能量传递的量度，它们都与状态变化的中间过程有关，因而不是系统状态的函数'由此不难推导出我国课程标准中的分解概念“加热或冷却时物体的体积会发生变化;加热和冷却也可以改变某些物质的状态”和“热可以在物体内和物体间传递，通常热从温度高的物体传向温度低的物体”，这里的“热”也是指“热量”。我国“《标准》”中“热”的主要概念的下半句“热是人们常用的一种能量表现形式”、美国《下一代科学标准》的“能量可以通过声、光、热和电流从一个地方被传递到另一个地方”，这里的“热”是指“热能”。我国“《标准》”中的分解概念“用温度来表示物体冷热的程度”中的“热”也是指物体的“热能”。热能（内能）是物体内部分子动能和分子势能的总和，温度是物体内部分子平均动能的标志。所以，“热”是指物体内部分子热运动的剧烈程度高，而“冷”是指物体内部分子热运动的剧烈程度低。物体的分子势能与物体的体积有关，加热或冷却会改变物体的分子势能，所以“加热或冷却时物体的体积会发生变化，加热和冷却也可以改变某些物质的状态”。

2.研究方法

然后根据具体概念设计问题和答案（见表1）

从前面的分析得出，科学课程需要小学阶段了解“热”的主要问题有：热是什么;温度与热的关系;热量的传递条件和方式;热能的本质及其表现等。根据以上问题，考虑到小学生的审题能力和答题水平，我们制订了“热”的概念的调查问卷。

2.1问卷形式

问卷采用二段式测验：第一部分以选择题的形式呈现，由受试者选择主要概念;第二部分以填空题的形式呈现由受试者填写判断的理由。这样的出题形式不仅可以测出小学生对问题的主要概念的掌握倩况，同时可以看出其答案选择背后的因素，看出小^学生概念的脉络性[4]。

2.2问卷内容

问卷设计参考《标准》中的概念分层模式，以其中的科学概念为维度，通过进一步分解得出具体概念，

3.问卷调查及结果分析

3.1数据来源与样本情况

本次研究采用抽样调查，对湖南省长沙市和益阳市安化县共5所学校的小学生进行了全员调查（见表2），共发出问卷673份，回收问卷673份，有效问卷为663份（其中10份问卷未完成作答，视为无效处理）。回收率为100%，有效率约为98.5%。

3.2问卷结果及分析

3.2.1对“温度的变化是否改变物质的质量”的理解

对于题目“某常温下为500克的铁块，如果把它加热到70T再去称的结果是（）”很多人会认为这是关于热量交换的题目，但仔细分析可以发现，该题是在测验“温度是物体内部分子运动状态的标志，与物体的质量无关”，具体地说，就是“温度的变化不会改变物质的质量”（见表3）。

从表3可以看出，42.9%的小学生认为温度的变化与质量无关，57.1%的小学生认为温度变化与质量有关，其中21.7%的小学生认为温度和质量正相关，35.4%的小学生认为温度和质量负相关。在认为温度的变化与质量无关的42.9%的小学生中，有36%的小学生明确地意识到“温度与质量没有关系”，有6.9%的小学生理解不清楚或者存在错误理解，如认为“在1000丈之内，或者是没有熔化的情况下，铁的质量就不会变化”。如果该题改成“常温下为500克的铁块，如果把它加热到熔化再去称的结果是（）”那么这些小学生可能就会放弃C答案。总而言之，大部分小学生有“温度、热能与质量有关”的错误概念，同时，还会表现出“热量是有质量的”的错误观点。

3.2.2对“加热或冷却时物体的体积会发生变化”的理解

热胀冷缩是指物体受热时会膨胀，遇冷时会收缩的特性。由于物体内的粒子（原子）运动会随温度而改变，当温度上升时，粒子的振动幅度加大，令物体膨胀;当温度下降时，粒子的振动幅度便会减小，使物体收缩[5]。但并不是自然界中所有的物体都是如此，

如在0丈-4丈的温度范围内，水的体积随温度的升高而减小，表现为“冷胀热缩”。对于小学生来说，“你听说过热胀冷缩吗？”这一题目测验的不是对“热胀冷缩”的本质的理解，而是检测小学生是否知道“加热或冷却时物体的体积会发生变化”这一事实，是否认为“热胀冷缩”是全概率事件（见表4）。

从表4可以看出，66.6%的小学生知道有“热胀冷缩”现象，而且有54.6%的小学生知道不是所有物体都会热胀冷缩，如“冬天水管会被冻裂”“水在低温下会冷胀热缩”。完全不知道热胀冷缩的小学生有33.4%。总体来看，大部分小学生知道“热胀冷缩”这一现象，并且很多小学生还能根据日常生活经验推导出这一结论。无论小学生是否知道“热胀冷缩”，基本上不会在“加热或冷却时物体的体积会发生变化”这一问题上产生难以转化的错误概念。

3.2.3对“加热和冷却可以改变某些物质的状态”的理解

加热和冷却可以改变某些物质的状态，反过来说，物质的状态的改变必然伴随着加热或者冷却的过程。“冬天很冷时会下雪，是下雪冷，还是化雪冷？”这一题目是考查小学生对“热量”与“物质的状态变化”之间关系的了解（见表5，资料来源[6]）。

从表5可以看出，选项与理由部分都答对的比例为21.7%。基于日常生活经验，小学生普遍认为下雪是因为天气冷的原因，化雪是因为有太阳，有太阳就会热，但不能理解是因为有热量参与，雪才化为水。

3.2.4对“传递有多种形式”的理解

“真空中，能不能发生热传递？（）”这一题目测验的是热传递需不需要介质。准确地说，热传递有三种形式：有的传递形式需要介质，如热传导、热对流;有的传递形式不需要介质，如热辐射;真空中可以发生热辐射（见表6）。

從表6可以看出，29.9%的小学生知道“真空中能发生热传递”，但是只有2.4%的小学生能够说出太阳的例子，27.5%的小学生在阐述理由时表现出对该问题的理解偏差很大。因为有的小学生不知道真空是什么，他们认为“真空里面有空气，有物质'真空是一种“隔的东西”，所以他们认为它能够传播热，这样的理解和回答与选项B的理解实质上是一样的。有的小学生选择A，理由是他们认为真空本身就有“热”，不管他们认为的“热”是物体还是能量，总之，都偏离了对热传递的本质的认识。36.6%的小学生认为真空中不能发生热传递，理由几乎都是“热传递需要介质”。另外，33.5%的小学生填写了“不知道”。总体来看，对于这一问题，大部分小学生都不能够正确理解。

3.2.5对“热传递的方向”的理解

热传递具有方向，“对一块铁板的中心点位置进行加热，热传递的时候会是下列哪一种情况？（）”和“在一个空房间放一桶冰，过一段时间，房内的温度下降了，是因为（）”两个题目都是测验“热传递是热量从高温物体传到低温物体的，具有方向性”的（分别见表7、表8）。

从表7可以看出，5.0%的小学生认为热会沿着一个方向直线传递，8.4%的小学生认为热会向左、右两个方向水平传递，86.6%的小学生认为热会以圆心为起点向四周散开。在正确答案C中，有74.6%的小学生能够准确描述这一现象，另有12.0%的小学生在回答时表达出一些错误概念，如“热量”“冷量”和“热是气”等。

从表 8 可以看出，31.5 % 的小学生认为冰会将冷传给房间，59.6 % 的小学生认为冰会将冷传给房间的同时房间也会将热传给冰。只有8.9%的小学生认为是房间将热传给了冰，但在阐述理由时并没有提到热传递的方向，即热传递的方向是从高温物体传向低温物体，而不是相反，这说明小学生的选择带有一定的偶然性。

“ 温室中有两块一样的冰，如果把其中一块用棉衣裹上，哪块冰融得更快？（ ）”这一题目是考查小学生在理解热传递方向的基础上的升级理解。在进行热交换的“ 冰 ”和“ 空气 ”之间加入“ 棉衣 ”这一物质后，由于棉衣的阻隔，因此热传递的速度减缓了（见表 9）。

从表 9 可以看出，67.2 % 的小学生在这一问题的理解上出现了与科学概念不符合的前概念，普遍认为“ 棉衣有热量，而且热量比较大 ”。25.8 % 的小学生认为没有用棉衣裹住的冰块融化得更快，其中部分小学生能够准确描述棉衣对冰块的作用，即“ 阻挡了热空气与冰的热交换 ”;部分小学生的描述分不清“ 热量 ”和“ 温度 ”，如“ 因为被棉衣裹住的那块被挡了一点温度，而没有用棉衣裹住的那块没有被挡一点温度 ”。另有 6.9 % 的小学生的描述与题意无关。另外，还有小部分小学生认为棉衣没有热量，所以它对冰块融化的速度没有影响。

4.结论

前概念是指学习者在接受正式的科学教育之前，在现实生活中通过长期的经验积累与辨别式学习而获得的一些感性印象、积累的一些经验 [7]，相异概念是学习者对一系列可理解的自然现象和物体建构了基经验的解释 [8]。学习者在解释时是有理由的，有时候于也是合理的，因此并不是所有的前概念都是错误的 [9]。基于此，对于某个小学生的回答，如果他回答“ 不知道 ”，则表示他对于所问的问题没有经验，当然也就不存在所谓的前概念;如果他先答对了事实，但在理由上回答“ 不知道 ”，则我们认为他可能不知道自己从什么途径知道了这一事实，但是没有做深层的思考，说明他头脑里没有太多的经验，所以他具有前概念但是没有错误认识。通过本次调查，对于小学生“ 热 ”的前概念得出了以下结论。

4.1小学生对于“热”的前概念和科学的“热”概念之间的认识存在着巨大的差异

4.1.1對“热”这一词语的辨析不清楚

在中文的日常语言表达中，“ 热 ”至少有三种含义：（1） 指“ 温度高 ”;（2） 指物体的“ 热能 ”;（3） 指“ 热量 ”。对此，大部分小学生都不能够清楚地区分。

4.1.2 对“热能”和“热量”两个概念认识混淆

部分小学生会把“热能”和“热量”两个概念看成是一个意思，部分小学生虽然觉得这两个概念是两 个词，应当有所区别，但是在实际运用上又会将它们 混为一体。他们会说“棉衣有热量”，也会说“火把热量传递给了铁”。

4.1.3 认为“热量有质量”

他们认为“热量有质量”，而不能理解“热量是一种能量”“热量不是物质”等概念。

4.1.4 对“热传递的方向”的理解有偏差

大多数小学生知道“热量会传递”，但是很多小学生认为不仅“热量从高温物体传向低温物体”，而 且“低温物体可以把冷量传给高温物体”。所以很多小学生会说“用棉衣包住冰块是阻止了冰块把冷量传出去”。

4.1.5 对“温度”“热能”和“质量”之间的关系不清楚

他们认为“温度与质量有关”“物质热了质量会 改变”等。除了对“热”这一词语的辨析不清楚之外，小学生也不能够准确地解释有关“热”现象的诸多问题，这是小学生尚未接触到分子运动理论的缘故[10]。

4.2小学生在关于“热”的前概念中，有一些认识和理解与科学概念之间没有冲突

这个主要表现在大部分小学生知道“温度的改变”会影响“物体的体积及其存在状态”，如他们会说“温度升高，冰会融化成水;温度再升高，水会变成水蒸气”。很多小学生知道“热胀冷缩”，能够在理解“热胀冷缩”时，把“温度”和“体积”联系起来;他们也知道不是所有的物体都能“热胀冷缩”，同时能够举出水和冰体积变化的例子。

（本文作者陈莉、郑敏系湖南第一师范学院副教授;本文作者贺娇娜系湖南第一师范学院学生）

参考文献：

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

[2]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2017.

[3]科普中国·科学百科.热量[DB/OL]https：//baike.baidu.com/item/热量/1137730？fr二aladdin.

[4]蔡铁权，姜旭英，胡玫.概念转变的科学教学[M]北京：教育科学出版社，2009.

[5]王靖凯.小学生“冷和热”概念转变的心理机制研究[D].山西师范大学，2014.

[6]陈亮.四年级学生“冷和热”前概念的调查研究[D].南京师范大学，2015.

[7]李高峰.科学教育中的“前科学概念”[J].教育学术月刊，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