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在推测与验证的思维过程中建构科学概念

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在推测与验证的思维过程中建构科学概念小学科学教学论文,摘要】在科学课堂教学中,指导学生从已知的概念出发,根据现有的经验和根据,进行科学地推测与验证,在推测与验证的思维过程中建构科学概念,不失为一种好方法。本文结合《用水测量时间》一课,就“流水具有等时性”概念含义和建构这一概念,从诱发合理推测、依实推测与验证、分辨正反例现象等方面来阐述形成科学概念的过程。

 

【关键词】推测与验证 反思 依实 分辨 科学概念

 

 

所有概念建立者一个共同的特点是:在浩瀚的事实中探求意义,探寻一个概括的体系,把一个问题所有可能的特征包括进去 。        ——兰本达

 

帮助学生习得概念最基本的一点是必须在学生头脑中形成概念化。让学生在头脑中形成概念的方法有很多,但概念的形成都必须要经历一个抽象概括的过程。在科学课堂教学中,指导学生从已知的概念出发,根据现有的经验和根据,进行科学地推测与验证,在推测与验证的思维过程中建构科学概念,不失为一种好方法。本文结合《用水测量时间》一课,就“流水具有等时性”概念含义和建构这一概念,从诱发合理推测、依实推测与验证、分辨正反例现象等方面来阐述形成科学概念的过程。

 “等时性”一词的定义,***理解为“在相同单位里所用的时间相等”,这需要较高的逻辑思维能力才能在脑海中建构出这一抽象概念。在《用水测量时间》一课中,“流水具有等时性”是本课的具体概念,因为流水具有等时性,所以可以用来测量时间。可是在实际的测量过程中,人们发现,在水位没有保持相同的高度时,流水又是不具有等时性的。正因为两者有其矛盾存在,解决问题的过程就是让学生形成概念的过程:“在一定的条件下,流水是具有等时性的。在实际设计过程中,发现水流不是以固定的速度往下流的,它与水位的高低有关。”但是,在本课中并没有直接提出流水具有“等时性”这一名词,只要求学生理解“水的运动是有规律的,从而可以来计时”,只是在头脑中初步建构“等时性”概念的正例现象。学生们在对“流水具有等时性”概念的理解经历了从表象而非本质到抓住事物本质属性的过程。而这个过程是学生通过不断的观察和数据收集,用证据来修正原有概念,整个过程是呈阶梯状、有限度地发展。

一、诱发合理推测,反思科学前概念

科学前概念也称为“迷思概念”或“另有概念”,苏联心理学家维果茨基称为“自发概念”,是指学生在学习科学之前由长期的日常经验形成的对事物、现象的看法和观念。但它们中许多只是一种对科学事物和现象的非本质认识,而且由于科学概念揭示的是复杂纷繁的自然现象的本质,具有一定的抽象性和复杂性。因此,表现在科学学习过程中的学生的前概念大多是肤浅的,对学生形成科学概念构成障碍。在科学课堂教学中,要善于诱发学生对客观事物展开推测,在其头脑中反思科学前概念,在此思维的基础上,引发形成新概念。

在《用水测量时间》一课中,如何让学生形成一个科学的“流水具有等时性”概念呢?为了帮助学生向更高水平的前概念思维水平发展,从而为达到真正的概念思维水平作好准备,在本课的教学过程中,首先引出的是古人利用水的流动制作的水钟图,教师引导学生在观察水钟图的同时,推测水钟的计时方法。此时,在学生脑海中呈现出来的是水能流动,像自来水龙头那样,一滴滴地从洞口中流出,水流的速度是一样的,甚至有的学生的概念是一滴就是一秒,这就是学生的前概念。在平时的日常生活中,学生经常见到自来水龙头的水在滴,而且速度都是相同的,按照认知心理学的观点,这种前概念的存在是必然的。这个“等时性”的概念是没有经过任何的指导,是自然而然形成于学生的思维中。但是,对于真正地水能够计时的“等时性”概念的内涵是什么,学生是模糊的,此时,用水测量时间的学习便开始了,学生也由此进入了学习新概念的状态。

诱发学生的前科学概念后,产生了一个问题:流水和时间有什么相同的地方呢?首先,设计了第一次的推测与验证:你们觉得“流完100毫升的水,你们每组所需的时间都会一样吗?”这是学生在已有的前概念基础上进行的经验性的推测,所以学生会推测一样的,也有不一样的。但是这一次的推测,引发学生依据前概念而展开了思维,让不同层次水平思维的学生对前概念都有了一次反思,使学生都乐于交流,为下一次的猜测与验证作了铺垫。

在小学科学的教材中,有很多概念的形成都必须建立在前概念的基础上,通过思维的激发,引导探究,才能形成新的概念。水的等时性概念的构建过程中,学生就是在前概念认识的基础上,经过推测、分析、验证、概括、归纳等思维过程上升到理性认识,从而逐步形成科学的概念。

二、依实推测与验证,初步建构新概念

推测是高级的思维活动,是根据已有的经验来构想尚不清楚的客观存在。小学科学课程倡导学生“善于质疑”“不迷信权威”,倡导“经历以探究为主的学习活动”,这将使学生们的学习活动融入更有创意的思维。推测,是建立在观察研究并掌握一定事实基础之上的,因此推测的价值在于整个对现有资料收集以及有足够理由思考推理的过程。在教学过程中,学生建立的概念随着教学层次的提高而深化,教学过程中不同的阶段,建立起的概念应当允许有不同程度的片面性、含糊性和表面性。所以,我们在教学过程中要有层次地依据事实去引导学生进行推测与验证,把握好教学各个阶段的不同要求,及时地指导学生开展各种思维活动,使教学过程向着预期要达到的概念目标前进,使学生逐步地建构新的概念。

当引导学生对“流水具有等时性”前概念进行反思的同时,用事实来验证所做的推测,是非常必要和及时的。课例中我是这样表达的:首先让学生在讨论中明白该怎样分工合作才能做到准确地测量,接着开始测量流完100毫升水的时间,并统计测量数据。

 

组别

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

 流完100毫升水时

实际

108

98

95

112

102

99

105

98

102

95

98

99

学生在验证“流完100毫升水需要多少时间”的过程中,发现了所有小组的测量数据都非常接近。从这一现象中,通过讨论与交流,学生初步形成了“同样的装置,在相同条件下,流完100毫升水的时间是基本相等的”这一科学概念,但这样的水钟计时能准确吗?显然是不准确的,因为在同时,学生又发现了“在同一装置中,水流的速度是不一样的,是先快后慢的”“水流的速度与水位的高低有关”这一现象,为更有价值的推测提供了事实依据,为“流水具有等时性”概念更深层次的理解提供了依据。

课例:

师:用同样的装置,我们用量筒去接,当量筒里的水达到10毫升时,估计要用多少时间呢?小组里根据第一次流完100毫升水的时间,来进行推测。

生推测,统计数据

 

组别

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

积聚

10

毫升水时

猜测

11

10

6

7

10

10

8

7

15

10

5

7

实际

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

师:为什么这么估计?你们的根据是什么?第2小组。

生1:我们推测积聚10毫升水需要10秒时间。因为流完100毫升大约在100秒左右,所以10毫升应该在10秒左右。

生2:我们有不同的意见。因为水起先会流得快一些,所以积聚10毫升水的时间应该是少一些的,所以我们推测7秒就够了。

师:第9小组,你们又什么推测是15秒呢?

生3:我们是乱猜的。

师:你们认为哪一种更有根据呢?

生讨论。

师:让我们一起用实验来验证吧!

因为学生有了第一次推测时的反思,这一次的推测显然有了事实的依据。但是,部分学生的思维还是受到前概念的影响,并没有依据第一次测量的数据来进行推测。当然,这是意料之中的事,在课堂上允许学生有不同程度的含糊性。学生在推测的过程中,会出现三种情况:一是等于流完100毫升水的十分之一时间;二是小于流完100毫升水的十分之一时间;三是大于流完100毫升水的十分之一的时间。在此,引导学生来梳理推测的思维过程是十分有必要的。此时,让三种不同深度的思维方式在全班中交流,让学生自己去判断思维的合理性。随着交流的深入,学生的思维清晰了:因为水流的速度是先快后慢的,所以流完10毫升水的时间应该是小于流完100毫升水时间的十分之一的。随着学生亲自实验的验证,在脑海中形成了科学概念:“水在滴漏的过程中,水位高的时候,水流的速度会快得多,并不相等。”

同样,在前两次测量的基础上,“推测量筒里的水积聚50毫升时,又需要多少时间呢?”这是思维的又一次跨越,这时学生的前概念已并不仅仅限于课始。通过前两次的推测与验证,学生在思维中已形成“先快后慢”这一概念,再根据二次所测得的数据进行推测,引发学生不断地修正自己的推测数据,并通过了实验的验证。至此,学生经历了一次系统的推测与验证的思维过程,提高了根据实验数据进行科学推测的能力,并且在这一过程中建构了“流水具有等时性”的反例概念:“像这样的一个滴漏装置,水流的速度并不相等,时间并不相同。”

三、分辨正反例现象,形成科学新概念

概念形成是指学生在对大量同类事物的不同事例进行观察的基础上,通过分析、比较等思维活动,抽象概括出同类事物的共同本质特征,构建概念的过程。概念的构建需要多层次地进行,要经过一个反复的过程,经过多层次的比较、分析与综合,才能真正发展学生的思维结构,让学生真正理解概念。反过来,如果学生只是知道了概念的名称和定义(字面上的),那他头脑中关于概念的印象便会很模糊、不准确或者根本就没有任何印象。这就需要学生对科学概念的正反例现象都能有清晰的认知,使学生能一接触科学概念,头脑中便会出现这一科学概念的具化现象,甚至能够产生一幅会动的画面。所以,在推测与验证的思维过程中形成科学概念,也必须通过清晰的正例和反例现象的分辨,让学生对科学概念的属性有了一个很清晰的认知地图,从而形成概念化,并创造出新的范例。

当学生形成“流水具有等时性”的反例概念后,如何引导学生完整地形成“流水具有等时性”这一新概念呢?“像我们今天这样的水钟能准确地计算时间吗?”对于这一问题,在前面的思维推测与验证的过程中,学生已然明白,这样的水钟并不能准确地计时。水钟要准确地计时,水流的速度必须要一样。而此时,要想让学生对“流水具有等时性”概念有一个清晰的认知理解,必须通过问题引导,使学生对其正例现象也要清晰化,通过正例现象与反例现象的区分,加深对新概念的理解。

课例:

师:要想使水流的速度一样,你们认为用什么办法可以解决?

生讨论交流

生:往里面不停地加水,水流下来的速度就一样了。

师:真是一个好办法。只要让水位都保持在同样的高度,水流就以固定的速度往下流了。同学们请看。(出示水钟图)

师:古人制作的水钟是不是以这样的方法让水以固定的速度往下流的呢?

生观察水钟图后,交流。

这是建立在前三次有结构有层次的思维之上的又一次理性的推测。这一次的推测是严密、细致的逻辑思维过程,这就犹如解一道几何证明题,经过一步步系统的逻辑推理后,就要达到证明的结果了。此时,也是引导学生在其头脑中形成“流水具有等时性”的正例现象,从而达到形成“流水具有等时性”这一完整概念的目的。学生在前面推测与验证的探究活动中,已然明白,造成水流速度不一样的原因是水位的高低不同,而要想使水流速度相同,只要保持水位的高低就可以了。学生的理性推测在古人制作的水钟图上得到了证实,正因为是保持了水位的同样高度,使水钟的水流速度相等,从而可以进行计时。当学生思维进行到此时,看着水钟图,学生脑海中就会出现这样的一幅会动的画面:水钟上的水位永远都保持着同样的高度,而滴下来的水流速度永远都是相同的。至此,在正例现象与反例现象的相互作用下,“流水具有等时性”概念在又一次的推测与验证思维过程中得以形成。

推测与验证的过程,也是一种“学习”过程,它不仅取决于观察结果,也取决于学生已有的经验与知识,在课堂教学中,教师有意识地引导学生将“老”的经验与知识与“新”的经验有机地结合起来,在严密细致的推测与验证思维过程中形成新概念,获得新知识,使他们的知识层次有一个更大的飞跃。

 

参考文献:

[1]张红霞.科学究竟是什么[M].教育科学出版社,2003,12.

[2]郝京化,陈华彬,梁玲.小学科学教育概论[M].高等教育出版社,2003,10.

[3]郁波,走进课堂-小学科学新课程案例与评析[M].高等教育出版社,2003,9.

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