科学教学的建构主义方法，本文主要内容关键词为：建构主义论文,科学论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在学校传授科学之前儿童建立了关于自然现象的概念，这些概念和学校传授的科学联系在一起。在很多情况下，儿童的概念和学校科学有很大不同。在不同国家进行的调查表明了儿童概念的共同性，一些学者的研究正在对儿童期这些概念的形成方式给出有益的说明。深入的研究表明这些概念不仅仅是一些错误的信息，儿童有建构与他们的经验范畴有关的事件和现象的方法，而实质上他们可能有不同于科学的观点[1]。尽管正式的教学，学生也可能把这些观点带进成年。
认识儿童概念形成方式，引导学生形成正确的科学概念，是科学教学的重要目标。本文根据建构主义探讨儿童概念形成的认识论基础，分析科学知识的建构过程，总结科学教学的建构主义方法，以期促进科学教学走向建构主义教学，使学生获得正确科学知识。
一、认识论基础
根据建构主义的观点，下面从心理表征和适应性心理表征两个方面对儿童建立它们周围世界概念的认识论基础进行解释。
心理表征(mental representation)
建构主义的主要观点是人类建构它们环境的心智模型，而且新的经验在与存在的心理模式(mental model)和图式(schemes)的联系中被解释和理解。
建构主义认为人类并不是直接地理解世界，他仅仅拥有对它的内部解释，因为感觉是世界模式的建构。他们不能把这种感觉的表征直接和世界进行比较。[2]
根据心理模式或图式概念人们提出了一些人类认知功能领域的研究。安德森(Anderson)[3]指出阅读的过程涉及读者积极地利用心理结构(mental construction)或图式解释书本上的内容。西蒙关于问题解决的研究，特别是在复杂的和高度化的知识领域象数学或者物理问题的研究，表明问题解决者首先建立一个问题空间表征(problem space representation)，影响着信息编码执行的方式。约翰荪．莱得(Johnson-Laird)[4]关于人类推理的研究表明：人类不是根据形式逻辑的一般原理而是通过走情境(context)中建构问题的一个心理表征(mental representation)作为演绎的基础而进行推理的。
我们的推理和利用我们知识的能力好象十分依赖于知识获得的情境。我们做的大多数的推理表面上并不涉及一般的推理技巧的应用，相反好象我们的大部分推理能力似乎是和特殊的知识背景联系在一起的。
学生关于自然现象概念是心理表征特殊类型的例子；在这种情形中，影响到未来和现象相互作用方式的自然界面貌表征被建构。
适应性心理表征(Mental Representation as Adaptive)
建构主义认为学习者是自己知识设计师。就人类智力加工能力的极限而言的内部限制，和就物质环境与通过语言和其它形式的交流的文化环境的影响而言的外部限制，在学习者设计自己知识的过程中发挥着不同的作用。
我们大多数日常概念知识(commonsense knowledge)是自发的和朴素的。定性的经验规则的日常概念表征是和感觉系统，提供信息的环境和组织指导我们行为的感觉信息的智力结构之间的相互作用联系在一起的。
知识是通过学习者建构的，这个过程涉及一个假说被检验的过程，在这个过程中图式或明或暗地发挥作用，他们和新的刺激的配合被评价，结果是图式可能被修证。
范·格拉斯费尔得(von Glasersfeld)[5]认为决定概念结构价值的因素是它们的经验适当性，它们适合经验的程度，它们作为解决问题的手段的能力。事实由我们和我们经验的方式决定。
这种知识被建构的观点有一个认识论含义仍未被教育者严肃地对待，而且这种认识论含义是知道某些事情并不涉及我们的概念图式和他们所代表的含义之间的一致性，我们没有直接地接近那个真实世界。学习重点不在和外部的真实取得一致，而是由学习者建构对他们有用和相关的模式。这种知识观对我们概念化的教和学有着严重的影响……，它将把重点从学生对老师所讲正确回答转移到学生成功地组织他或她自己经验。
根据建构主义的观点，我们可以把科学中知识建构过程分为三个方面：个人建构(personal construction)，个人间建构(interpersonal construction)，和科学知识的大众建构(public construction)。
二、个人建构的儿童概念
建立在个人活动的基础上
儿童从生活的早期已发展了他们周围的自然界的图式(scheme)和概念(idea)。当它们丢下、推动、拖拉和抛出物体时，他们经历了发生的事情，而且用这种方法他们建立起了与物体下落和运动方式相关的概念和期望。类似地，关于他们周围世界的其它方面的概念通过经验建立起来，例如，有动物、植物、光和阴影，火和玩具。一个9岁的儿童注意当留声机关掉以后几秒钟声音才消失，“一定有几英里长的线，”他说：“供电流通过，因为声音花那么长时间才停止。”这个男孩已经接收了非正式科学教育，而且已经发展了电流与发声有关的概念，它流过导线而且它流得非常快。
儿童建立的关于自然现象的许多概念起源于他们的感觉经历。一些概念或者知识图式，虽然影响儿童和环境的相互作用，不可能通过语言被精确地表征，例如，一个玩球的年轻的小孩已经建立了球呈现的抛射物轨道知识图式使他或者她把他或她自己处在一种抓住一个球的位置。只有很久以后，在物理课是有正式的机会表达和分析这些概念。然而因为早期的生活当抛出和抓住球体时使小孩有效地相互作用的一种知识图式已经存在。
儿童概念里的共同特点
儿童关于自然现象概念的研究表明，并非个别现象，很可能在能描述的儿童的概念里有共同的发生特点。这些概念通过一系列的建构才变得适应于广泛的经验。
一个被广泛研究的领域是儿童的光和视觉的概念。儿童如何理解他们如何看到东西？他们把光和视觉联系在一起吗？如果是，如何？如果你问一个年轻的小孩这个房间里有光吗，你能预言他／她会说什么吗？例如，5-6岁儿童把光看作是源或效果；他们也可能把它看作灯泡或墙上的小玻璃，再后来，儿童看到在光源和效果之间的一些东西，你合上开关而且整个房间充满了光线，光线能使你看到东西，再后来，在基本的表象之间，一些儿童开始光行进的概念。当你考虑光行进的速度，小孩自发地提出这一点的事实是一个有趣的观点，他们会提出光从一个源出发，行进和碰撞一个物体，而且因为物体被照明，你能看到它。然而，他们也很少清楚什么在睛眼和物体之间行进。一些儿童用眼睛和物体之间的视线术语做一种联系。对于观察者体现一种积极作用的模型，我们看见物体或瞥见物体。
根据文献典型的物理教科书从一个物体发出的光路图和在眼睛的方向上行进的一些光路图是一种被相对少数的初中学生坚持的观点。这幅图画已被在一些国家做的研究所证实，这些国家包括瑞典，新西兰和英国。
在这个发现中一个重要的特点是不同国家儿童所使用的概念模型的相似性。安德森(Andersson)和卡尔奎斯特(Karrqvist)，瑞马达斯(Ramadas)和德瑞伍尔(Driver)使用“光和视觉的作用”的问题探测学生的推理。这个问题是：“（一幅图画）一个小孩坐在一个黑暗的房间里不能看到任何东西，当房间里的灯拉亮时她看到面前小桌上的一本书。问：她现在如何能看到这本书？仔细地解释在书和她的眼睛之间发生了什么。”两个国家15岁的儿童两种典型的反映在下表中被比较。
在光和视觉的作用中学生提供的共同想法的反应频率。
学生百分数
想法 ───────────────
英国
瑞典
n=456（人）
n=166（人）
光线从书本到眼睛
3130
某种东西从眼睛到书本9 4
某种东西在眼睛和书本
之间来回运动7 5
从光源到眼睛的光（可能
被反射回书本）有助于观看
2 0
光仅仅是有助于看得更清楚
124n
视觉系统（眼和脑）发挥作用 1913
和黑暗相反有助于看见2 0
当灯拉亮时视觉看得更远
1 0
一幅图画进入了眼睛 2 5
无反应
1629
两个国家的学生反映模式的相似性表明环境的共同特点支持一些特殊的概念。换句话说，儿童的科学概念不是天生就有的，他们也不是唯一地依靠文化影响，但是也是靠个人经历现象被形成。学生的概念靠物理环境形成的思想从儿童关于地球是一个天体的概念发展比较研究中得到了更强的支持。
由努斯巴姆和诺维克(Nussbaum,Novak)[6]进行的关于空间中地球的儿童概念的研究揭示了五个概念或提法的次序，这个概念序列如下图。
他们从地球是一个上下绝对参照系的平面（概念1）开始通过中间概念〔地球是一个上下绝对参照系的拱形球面（概念2），地球是一个上下绝对参照系的圆形平面（概念3），地球是一个球面和作为参照系确定上下的地球（概念4）〕发展成地球是一个球体和作为参照系确定上下的地球（概念5）的概念。麦里和豪伍(Mali& Howe)[7]在尼泊尔重复进行这项研究，证明了同样的概念序列。
三、知识的个人间建构
人们认为关于世界的学习并不是在真空中发生的。儿童通过语言和文化可得到对他们有用的思考和想象的方法。象“关住门别让凉气进来”或“露珠正在掉下”通过隐喻表达自然界现象的方式。儿童的个人知识图式和通过文化可得到的图式之间的动力学联系已被科学教育家，心理学家和人类学家探讨过，索罗们(Solomon)[8]提出了意义的社会建构理论。这个理论表明具有共同意义的物体只有通过社会交流而存在，因而概念被改变，探索和加强。
个人的概念是否被班级的其它人证实和分享，交往在形成知识建构的过程中发挥着作用。在下面例子中，一组13岁的儿童被邀请建立一种模式解释伴随着和状态变化相联系的活动冰、水、蒸汽的性质。一次最初的讨论后，分子的概念被小学生引进和采用，一组开始注意束缚的问题。[9]
S1.水变成冰？我认为它可能加强束缚。
S2.呀，事实上那不太清楚。
S3.科斯，今天，我们实际上并不做类似于那个的实验。我们只不过是在进行融化。
S2.我们不能肯定，我想我们或多或少地清楚物体如何从固体到液体到气体的，但是不是从气体到液体到固体的。
S1.沸点是在气体中束缚全部消失。
S2.那么束缚恢复如何恢复？
S1.我想反过来一样，当温度升高时，它破坏束缚，当温度降低时你知道它恢复束缚。
S3.但它如何恢复束缚？它用什么使束缚恢复呢？
〔如何恢复束缚的问题继续折磨着哪个小组〕
S2.如果原子间被束缚，一个原子不能变成一个束缚把其它的原子结合在一起，可能吗？
〔在这一点上，一个观察者在课堂里调停〕
A1.人如何想像束缚？
S4.象两个原子间的一根线。
S1.不，不是的，他〔指教师〕给我们解释了磁，磁学，束缚大概是某种力。
S4.静电或象静电的一些东西。
S2.呀，那使他们在一起，而且我猜想如果水受热，那么它不会被磁化，而且当它冷却时它磁化更多。
〔小组似乎采用了是由于磁力产生的束缚的概念，而且他们回去考虑这如何能说明当一种物质受热时束缚如何变化〕
S4.当水受热时，他们振动加剧，破坏束缚然后变成气体，走得很远…但是束缚如何恢复呢？〔加重语气〕
S2.当水开始冷却时，他们振动减弱。
S1.啊哈，当他们冷却时，束缚将增加以致他的们不能到处移动，不是吗？
〔注意这里明显检查一致性，被检查的概念明显地是由于在低温时很强的束缚分子将不能剧烈振动。然而，这个概念就象下面的小孩讨论显示的一样仍然保留这样的问题在低温时如何变得越来越强〕。
S2.呀，但是问题是如何使束缚回恢。
S4.放慢振动。
S2.放慢振动。
〔在这一点上小孩有一个不同的解释，老师建议那个力一直存在〕
S4.我猜想它一直存在，但是，呀，它没有可能象夹子，抓住分子，你知道而且把它们保持在一起，好，分子振动放慢的地方，你知道，分子可能和其它的分子连在一起……
S3.慢的物体更容易保持在一起。
讨论的结果取得了相当大成就。学生把分子一直在运动和运动随着温度增加的知识联系在一起，用分子间的力一直存在解释形成和打破束缚的出现。这个例子明显地表明：学生如果被激发和给予机会，能把这些概念和从前经验联系在一起提出他们的想法。
和同伴的讨论在知识的建构的过程中可以发挥一些功能。它可提供一个讨论会。从前模糊的概念能被变得更清楚而且有利于反思和检查。它提供一种情境，在这种情境中个人必须弄清楚他们在和其它人讨论的过程中他们自己的概念。他也能为每个人提供一个机会，根据其他人的想法得出一个答案。
四、作为大众知识的科学建构
建构主义认为个人通过他们自己的智力活动，经历环境和社会作用，建立和重建他们周围世界的图式。作为大众知识的科学的性质和地位相关的观点，也是被个人和社会建构。科学概念和理论不仅是从个人和现象相互作用中产生，而且在被科学团体确认之前也要通过一个涉及科学的主要社会机构交流和检查的复杂过程，这个建构科学知识的社会维度已经导致科学团体分享涉及概念、模式、习惯和程序的世界观。这个世界是由象原子、电子、离子、场和流体、基因和染色体组成。它被象演变和测量与实验程序这样一些概念组织起来。这些通过科学文化和社会机构被建构和传播的概念，不会通过他们自己调查被发现，学习科学涉及进入科学文化。
如果把知识建构单单看成一个个人过程，那么这类似于传统上已被看作的发现学习。然而，如果学习者要进入科学的知识系统，知识建构的过程一定会超过个人经验范围，学习者需要的不仅是接触物理经验，而且也需要接触常规科学的概念和模型。挑战在于帮助学习者建构他们自己的这些模型，理解他们的应用，而且在这个范围内，能够应用他们，如果教学要引导学生学习常规科学概念，那么教师的介入包括通过提供适当的经验和形成儿童可接受的概念和必不可少的科学规则是必不可少的。
下面我们举一节16-17岁学生研究背景辐射的课题的例子来阐述学生对特殊的科学规则的入门。教师(T)摆放了一台盖革计数器，在把放射源放进试管前，让学生(S)观察计数器已经计数的事实。
T：现在为什么正在计数？
S1：因为环境？
T：呀，某些地方和不同的源，辐射一直朝我们来，这个辐射源是什么？
S2：太阳，恒星。
其它人：来自空间
T：它来自我们周围的任何物体呈？
〔没有人回答〕
呀，来自建筑物，岩石，甚至你的身体，所有这里加在一起产生了所谓背景辐射，而且它到处都发生。
S3：那个数以不寻常的间隔发生？那是随机的吗？
T：嗯，你认为呢？其它人注意到了苏珊听到的吗？
S4：呀，那个数是随机发生的。
T：你用随机表示什么？
S5：嗯，你不能确定什么时候它会发生。
T：现在，我想测量背景辐射而我不肯定如何做，戴武，你做哪种测量？〔暂停〕我如何给定一个数字告诉那个背景辐射？
S6：仅仅计数
T：如果我们做它，我们能得到1000，它意味着什么？〔没有回答〕我们还必须测量什么？
S：测量每秒或每分钟多少次？
T：然后求平均？
S：是的
T：嗯，我们来做，好！我们应当使用多长时间？
S（一起）：一分钟。
T：让我们试着来吗？克瑞克，告诉我什么时候开始——而且在一分钟里多少次。〔暂停〕，9〔大多数同意9〕。
T：如果我们再测量，你的预言是什么？
S（一起）：9
8
10
11
T：这次安将计时，告诉我什么时候开始〔暂时〕而且计数是什么？
这次是11，如果我再做它，我会得到什么？
S（一起）：13
11
9
T：让我们再做，你准备好了吗，安？
T：现在是12。
T：如果我再做它，我们能得到12吗？
〔大多数学生说不〕
T：我们一直测量的是辐射密度，它是每单位时间的计数——时间单位以秒计——那么——它是每秒计数的数字——这单位被叫做贝克勒尔。〔教师写在黑板上，贝克勒尔＝数／时间〔以秒计〕
T：什么是衬底辐射密度？它是12/60等于0.2贝克勒尔。〔在黑板上： 12/60=0.2贝克勒尔〕
在这个序列中，教师首先允许学生直接体验计量背景辐射的实验。一个学生观察出它好象是随机的，而且这种观察是用仪器检验和证实，最终，当学生有一些盖草(Geiger)计数器记录的比率的测量经验，教师介绍了术语辐射密度和单位becquerel，两者都是小学生不能从经验中发现的常见知识，但是那需要通过可靠的资源来引进。
这个例子以简单的方式表明了科学课的共同特点，概念、模型、测量方法和科学规则的引人。在这个情况下，当学生熟悉了现象后再引入这些；因此术语辐射密度和贝克勒尔和学生经验联系在一起，学生愿意采用和使用。
在一些例子里，教师(T)通过仔细地为他们的问题搭脚手架形成学生(S)对被接受的科学观点进行推理。现举例如下。
在关于物态和沸点变化的一堂课里，一班13岁的学生正进行着熟悉的活动，在燃烧器上加热一烧杯水，以一定的时间间隔记录水的温度。
T：对于温度你期望什么？
S1：当水受热时，温度升高，当水蒸发时它大约100℃。
S2：水应当在100℃蒸发，因此它可能会溅出这个量具。水蒸发时，温度大约100℃左右。
〔过一会〕
T：嗯，什么发生？
S2：温度停在103℃，前面两个实验在继续。我们没有记录它。
T：那是你期望的？
S3：我认为它会一直保持上升，但是它停在103，它不会上升。
T：为什么你认为它将仍然保持上升？
S2：它会的，本生灯仍然在加热水但是它不会变得更热。
T：那么，你如何解释？
S2：我不知道。
S1：我不知道，它正蒸发着蒸汽。
S2：那可能正带走热。
S1：当你感到蒸汽时，它是热的。
T：当你说：“带走热”时，你的意思是什么？
S2：那么，蒸汽包含着这么多的热，而且水正在挥发足以把水保持在同一温度和它开始沸腾时的温度。
这个熟悉的课堂活动向学生呈现了一个因为他们缺乏温度和加热过程区分的矛盾事件。在这种情况，和一个成年人的讨论使它们超越了他们令人吃惊的观念（沸腾水的温度仍然在一个恒定的值上，尽管仍在加热）而且有助于他们建构一个可能的解释。
五、建构主义教学方法
综上所述，科学教学的建构主义方法可以概述如下：一种体现个人和个人间建构知识的方法，承认大多科学是一种社会加工的产物，学习科学要求学生被激发进入科学文化（一种不同于常见文化的文化）。
科学教学的建构主义方法可分为科学知识观、学习观、课程观、教学观来进一步阐述。
科学的知识观
科学知识应当明确地和深信不疑地被看作是个人和社会建构的。理论需要被看作是临时性的，不是绝对的。这和在其它教学方法中把科学知识描绘作客观的，没有疑问的和一成不变的（常常出现在教科书或正式的讲义中）的观点相反，而是把科学知识看作是通过个人的经验探索发现的，一种相信用原始的处理方法或发现学习完成科学教学的方法。实际上，已经证明在发现教学法中隐藏着虽然使用要求的程序，学生不能发现被设计的目标的问题。
学习观
不是把学生看作被动的信息接收者，建构主义观认为学习者积极进行意义建构，把他或她从前的知识运用于新的情境，而且如果必要，改变那些知识结构。
课程观
传统上，课程被看作“要教的那些内容”，一系列传给学习者的知识和技术，根据建构主义，我们可能需要重新考虑这种观点。不是把课程看作基本上由外部环境因素决定的（例如，由学科结构、社会价值等因素），它也需要考虑学习者带进学习情境的——他们的目的和概念。
如果这样做，什么样的经验和概念在促进某些学习结果中是有效的问题变成了一个开放问题，作为促进特殊学习结果的学习活动和相互作用的课程不是预先决定的单子，而是真实的研究和探索目标。
教学观
从启发的观点看，教师是知识的提供者，从发现的观点看，教师是经验的提供者，从建构的观点看，所有这些功能都被结合在一起，教师需要提供必要的经验使学生的科学理解与事件和现象联系联系。然而，自己的经验并不定够。学生利用相关的感官。如果学生的理解要转到接受科学，那么权威，通常是教师的参与和安排是必要的。从这些观点看，教学也是一个学习过程，在任何为教和学的中心，经验是一种重要的关系，也就是说在这种关系中教师和学习者同样质疑其它人的概念，重新解释他们，改编他们甚至拒绝他们，但是并不事前考虑他们。在这种意义上重要的是，我们需要知道那些概念的起源，他们的根，他们被插入的框架。