西方理科教学中学生错误观念的揭示与矫治，本文主要内容关键词为：理科论文,中学生论文,观念论文,错误论文，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。
当代认知建构主义认为，学习是学习者通过原有认知结构与从环境中接受的感觉信息间的相互作用主动建构信息意义的过程。学生认知结构中的错误观念不但会妨碍对新知识的理解和认识，而且会导致学习中新的错误认识和观念。以此思想为指导，近20年来，西方众多理科教学研究者就如何揭示和矫治学生认知结构中的错误观念作了大量研究。其有关思想和做法对改进我国中小学理科教学具有重要借鉴意义。
一、转变错误观念：理科教学重要而艰巨的任务
理科教学的困难之一是揭示和矫治学生头脑中根深蒂固、难以转变的错误观念。在理科教学中，学生的错误观念主要源于日常生活中形成的朴素的前教学观念和教学中对知识的肤浅理解。在学习有关理科知识前，学生已从日常生活中获得了大量朴素的有关自然的观念，这些观念有些与科学观念相一致，有利于理科学习。但是，也有许多观念虽貌似正确，实际却与科学观念相矛盾，甚至完全错误。例如，根据对日常生活中物理现象的观察，许多学生错误地认为重的物体比轻的物体下落速度更快，没有力便没有运动。由于这些错误观念貌似正确且根深蒂固，严重妨碍了学生的理科学习。因此，教师必须进行针对性的揭示与矫治。
此外，不科学的教学所造成的学生对知识的肤浅理解进一步加重和发展了学生的错误观念，矫治这些错误观念常常成了教师更为艰巨的教学任务。
最近20年来，澳大利亚墨尔本大学保罗·拉姆斯凳(Paul Ramsden)等人对大中学生的理科学习状况作了大量调查。结果发现，许多学生虽善长于理科、数学等学科中非常复杂的计算技能，拥有大量的事实知识并顺利通过了学业考试。但当提问进一步触及知识的本质时，他们却无力表明自己所学知识是真正理解的，在他们身上隐藏着对所学知识的极大误解。冈斯通(Gunstone)等运用DOE方法（即演示、观察和解释）对已学有关物理知识的学生进行了考察。演示之一是一个装有沙子的水桶和另一重物组成的滑轮。首先，这两种物体在相同高度保持静止状态，然后移动物体，使水桶的位置高于另一重物，并使之保持这种状态。现要求学生回答：一旦放松滑轮，将会出现何种变化？结果仅54%的学生作了正确回答。
罗克海德(Lochhead)研究也指出，许多大学生并不真正理解九年级的代数。虽然他们能娴熟地使用符号，达到标准行为目标的要求。有些学生虽然能作复杂的物理运算，却不能正确回答诸如力学和电学中基本原理的涵义这类简单的问题。德蒙特(Dermott,M.)发现，甚至学科考试成绩很好的学生也没有从质的高度把加速度理解为
的比率。与牛顿力学的基本思想相反，大学生中广泛流行着“运动便意味着力量”的思想。而最令人不安的是师范生也存在着类似的误解。拉姆斯凳发现，有些学生虽然毕业参加了教学工作，甚至能解一些难度很大的题目，然而他们并没有真正理解物理学原理，没有学会用数学方法思考问题，不能像艺术家一样去观察，一旦面临一些看似简单却涉及知识实质的问题，就不知所措，有时错误还相当严重。
在一个测试中，麦克洛斯基(Mccloskey)等人要求已学过牛顿第一定律的学生回答当小球从紧贴水平地面上的弯管中飞出时的运动轨迹。结果发现，三分之一被试大学生错误地认为，小球飞出弯管后仍将作曲线运动，有些由认为运动的物体将会沿着与原来相同的轨迹运动一段时间。克莱门特(Klement)要求已学过相关知识的学生用箭头标出一块向上抛出的木块在运动的任一时刻受力的方向。结果许多学生认为，一个向上抛出的物体必有一个向上的力作用于它，只有少数学生作了正确的回答：木块在运动过程中，始终只有一个竖直向下的重力作用于它。研究发现，理科学习中学生的这些错误观念常为日常生活表象所支持，非常难以改变，也很难被教师所发现。
众多研究表明，在日常教学中，尽管学生掌握了大量事实材料，在某种程度上提高了学生课堂作业的成绩，但相当多学生认知结构中的错误观念仍未得到有效揭示和矫治。因此，揭示和转变观念，成了理科教学中一个重要而艰巨的任务。
二、观念转变学习：一种改进学习的新观点
在教育史上，关于改进学习的思想主要有两种观点。一种强调教学方法，认为只要获取“有效学习”的有关因子，不管教什么内容，我们都能确立起一般的教学原理，并把它运用于任何内容的教学中。如果有了这些原理科学，那么就能较好地改进学习。另一种观点则强调思维和学习技能，认为学习技能是可迁移的，只要掌握了这些技能就能改进学习。
我们并不一般地反对上述观点，但是必须看到目前许多有关学习技能和教学方法的研究所存在的两个倾向。第一，不顾教学内容和背景得出有关教学方法和技能的教学效果的结论；第二，根据学生回忆水平测量学习效果。这种研究倾向事实上暗示着这样一种教学观，即认为学习本质上是运用各种技能收集和记忆信息，教学则是传输收集和记忆信息的技巧。与上述脱离学科内容和学习背景强调教学方法和技巧的观点不同，近年来西方理科教学中兴起的“观念转变学习”观对改进理科学习颇有启发。
观念转变学习观(Conceptual change learning)认为，学习就是学生原有观念的改变、发展和重新建构，是学生前教学观念向科学观念的转化过程。教学中，有些学生虽然正确解答了测验题目，但一旦用深层提问去考察其知识的真实性时，就常常暴露出与其原来正确解答不相一致的错误观念。这种现象说明，学习并未真正发生，教学是不成功的。总结西方学者的有关研究，观念转变学习观主要有以下五个基本思想。
（一）学习是转变观念
观念转变学习观认为，学习是个体探究、理解、感受客观事物及其概念形成过程的质的转变，而不仅仅是个体拥有的知识总量的变化。教学的主要任务是帮助学生像科学家那样去理解各种事物，转变或加深对周围世界的认识，让学生获得探究具体学科领域的学习方法。
（二）学习是内容和过程的统一
观念转变学习观认为，学习过程（如何学）和学习内容（学什么）是统一的整体，我们不能离开具体学科内容或教学背景去谈所谓“完善”的“基本学习过程”或传授所谓改进学习的各种方法，也不能离开传授的教学内容和学生学习的具体方式去比较教学方法的一般差异和学习技能的普遍意义。
（三）教师必须了解学生的学习现状、典型的学习过程和策略，并据此改进自己的教学
学习是学生改变自己观念的过程，教学就是发现学生已有的观念并帮助学生的观念得到发展。为此，教师必须充分了解学生相关学科知识的现有观念、概念模式和学生对教育背景的知觉情况，充分运用学生的原有观念创设教学的矛盾冲突。要转变学生的观念，仅仅告诉学生“正确”的概念是没有用的，应使学生在一个激励性的情景中去解决他们对学科内容的现有观念、思维方式与新的教师期望的观念、思维方式间的矛盾冲突，因为观念转变需要学生对新旧观念的积极综合和相互作用。了解学生的概念模式，不但要了解学生掌握的学科知识（观念的“内容结构”），而且也要了解学生掌握的该学科特有的研究问题的方法论知识（观念的“句法结构”），并设计各种方法引发正确观念的产生。
（四）教师必须了解学生对问题的态度和看法
观念转变学习观认为，学生的学习行为和思想与其学习背景及其对这个背景的知觉密切相关。因此，要改进学习，教师就应了解学生对学习的基本态度和看法。
（五）必须进一步密切教育研究与教学实践的关系
观念转变学习观主张把教育研究的结构作为教师教学的根据，教师应进行广泛的课堂行动研究来达到理论与实践的结合。
三、错误观念的揭示与矫治策略
为了改进理科学习和教学，近年来，西方学者非常注重运用现场研究、个案分析、行动研究等与课堂实际密切相关的方法，以揭示和矫治学生认知结构中的“错误观念”。从而促进了学生观念的转变和发展，初步形成了理科教学中颇有特色的观念转变教学策略。
（一）深层会谈—诱导法
观念转变学习观认为，改进学习的关键之一是教师首先必须了解学生的知识现状和对教育背景的知觉情况。在此观点指导下，传统的会谈方法得到了充分的重视和改进，并形成了一个“新的研究领域”。从20世纪70年代开始，西方理科教学研究者对学生在教前、教中和教后学科知识的变化情况进行了深入调查研究。与以往的测验不同，这种调查研究重视学生的反应，并用独特的方法诱导学生显露自己的思维过程和知识的内在结构。诱导的方法是就有关概念、事件、物体和实例等学生感兴趣的知识领域，采用“演示—观察—解释”法、“思维过程展示”法、概念图绘制等技术与学生进行会谈。所有这类研究都记录学生的详细回答，并鼓励学生对之作出详尽的解释。
与传统研究不同，深层会谈—诱导法在对学生的回答作出评价时不是简单地把会谈资料转换成分数，而是采用下列三种转换方式对之作出诊断性的分析。
(1)指出学生严重的知识空白点，或把学生的回答进行分类，并弄清各类回答的具体数量和原因模式。
(2)根据学生的回答，推测学生头脑中对教学具有干扰作用的错误观念，即具有内在一致性的各种“选择性观念或结构”。斯特赖克(Strike)等提出了观念转变的四个条件：①学生必须对当前的观念产生不满足感，即当前的观念不能解释新的事件或不能解决当前遇到的问题；②学生必须最低限度地理解新的观念；③新的观念必须是科学的；④新的观念必须是富有成效的，能解决其它观念所不能解决的问题，从而使学生认为有必要花费时间和精力去学习。韦斯特则在总结大量研究成果的基础上把纠正选择性观念的教学过程概括为三个阶段：①意识阶段，即明确叙述和鉴别学生的选择性观念；②失平衡阶段，即原有稳固的观念体系被大量的例外、矛盾所打破；③观念改组阶段，即消除冲突的观念体系，新的观念体系建立起来。
(3)根据会谈结果编制学生的认知结构概念图。所谓概念图，即指在教学中把两个以上概念之间的关系通过连接词以图解的形式表示出来，所形成的概念关系图。概念图绘制的基本步骤如下：①向学生介绍有关概念的内涵，帮助学生澄清概念的本质及不同概念间的内在联系；②运用合理方法帮助学生从有关材料中抽出特定的概念，识别这些概念间的关系，并用连接词加以连接；③以图解形式将概念的层次等级关系具体形象地表示出来，构成概念图。学生绘制的概念图的质量反映了学生的知识掌握情况和存在的知识缺陷。目前，概念图绘制已经超出了了解学生知识结构的范围，被广泛用于检查和评价学生对知识的掌握情况、课文预习、复习等教学领域，并与计算机技术结合在一起，在教学中发挥更大的作用。
（二）错误观念转变三步教学法
错误观念转变三步教学法最初是由纳斯鲍姆(Nassbaum)等人提出的，其基本内容包括：
(1)运用谈话、实验等方法，揭示学生的前教学观念。纳斯鲍姆曾运用谈话法研究过八年级学生的前教学观念，问题是：当一个密封长颈瓶中一半的空气被抽出以后，瓶里的空气会发生什么变化？他请有关谈话学生在黑板上画一幅瓶中剩余空气的图形，并作出描述和解释。这种方法能使教师清楚地揭示学生有关烧瓶中剩余空气状态的前教学观念。
(2)引进与前教学观念相冲突的新观念，引发认知冲突。根据斯特赖克和波斯纳提出的观念转变四要素理论，对现有观念的不满足感是产生观念转变的关键。因此，利用引发认知冲突的方法来促进观念转变，对矫治学生错误观念十分重要。引发认知冲突的方法很多，教师既可通过师生合作学习中的讨论和交流，交换师生间对同一问题的观念的不同看法，使学生在认知冲突之中，接受新的正确科学观念。也可设置专门的教学情景，使学生处于某种认知冲突之中，从而激发其克服错误观念的强烈动机。
(3)鼓励学生对新观念进行评论，并形成对有关问题的新的观念图式。在提出经验性的证据并加以讨论之后，教师应给学生提供同化新观念的支持和帮助，并对现有的观念作详尽论述，使学生对情景中的问题所持有的观念进行重新建构。这里，教师必须精心选择实例，以便通过实例分析消除学生头脑中错误的选择性观念，建立起科学的观念。
（三）利用计算机模拟技术矫治错误观念
随着计算机应用的日益普及，许多研究者开始利用计算机模拟技术来促进学生转变错误观念。由于计算机模拟的直观可视性，它不但有助于消除学生原来的错误观念，而且也提高了理科教学的可接受性和学生学习的积极性。下面是巴巴拉·怀特等人利用计算机模拟进行牛顿力学教学的一个实例。
怀特等人设计了系列难度渐增的有关牛顿力学的计算机模拟实验，以帮助学生理解牛顿力学中有关力、速度、加速度等概念及相关原理。在这些模拟实验中，他们要求学生通过键盘从不同方向施加一定大小的冲量，控制计算机屏幕上以黑点表示的物体的运动，黑点运动的轨迹以虚线形式记录下来，屏幕上的“数据十字显示器”则自动显示X和Y速度合成的瞬时值。
模拟实验一：首先出现的是一个没有摩擦力或引力的单维计算机模拟微型世界(microworld)。在这模拟世界中，要求学生从左边或右边实施固定大小的冲量去控制“黑点”（物体）的运动。通过实验和观察，学生发现，如果冲量与黑点运动方向一致，那么就会增加其速度，反之，就会减弱其速度。从而使学生发现：任何时候，对一物体施以冲量，就会改变它的速度。
模拟实验二：接着向学生呈现的是一个没有摩擦力或引力的二维微型世界。这里，学生可以从上下左右不同方向对“黑点”施加冲量。通过认真设计的问题解决活动，学生们发现，水平方向揭示的定律同样适用于竖直方向的物体运动，进而认识到黑点运动的两个合成成分是互相独立的，如果向上或向下施以冲量，那么，该黑点的水平速度是不受影响的。最后，学生们获得了理解矢量合成知识的牢固基础，理解了水平与竖直速度是怎样结合起来决定该黑点运动的速度和方向的。
模拟实验三：在这一模拟实验中，对黑点施加冲量的频率加倍提高，同时每个冲量的大小减少一半，直到以极小的时间间隔施加很小的冲量。其目的是通过这一极限过程使学生理解持续力作用的概念，引导学生把持续力作用（如引力）想象成一个个连续不断施加的许多很小的冲量，并把从上述两个模拟实验中学到的知识运用到对持续力作用的理解中去。例如，教师要求学生思考：当一个球往上向空中抛出时，会发生什么情况？通过计算机模拟，学生知道，引力正持续不断地把一个不断渐增的冲量向下施加到该球的竖直速度上，从而使球上升的速度越来越慢，并最终停止、转向，加速向下掉落。通过对这种问题的分析，学生们逐渐理解了在质量和力不变的情况下加速度和F=ma的涵义。
模拟实验四：最后呈现的是一个引力正在发挥作用且学生可以通过键盘从上下左右各个方向对该黑点施加冲量的微型世界。这里，在没有其它力作用的情况下，运动保持竖直方向加速度和水平方向速度恒定的特征。现要求学生思考并在计算机上模拟这样的问题：从水平方向同时撞击两个置于桌边的球，一个撞得轻柔些，另一个撞得猛烈些，哪个球先落地？在这一模拟实验学习中，学生综合运用和理解了前述几个模拟实验中获得的有关知识，使学生有关力的观念发生了的质的变化。
为了有效转变和发展学生的观念，怀特还把每个模拟实验的教学过程分为四个阶段：
(1)动机形成阶段。用启发性提问激发学生的探究欲望。如在模拟实验一的教学中，教师向学生提出这样的问题：假设用力撞击一个置于没有摩擦力的水平桌面上的球，当该球向前运动时，再用同样的力从相反方向击球。那么，第二次击球对该球运动会产生怎样的结果？有些学生认为该球这时会朝相反方向运动，有些认为它将停止运动，还有些认为它仅仅使球的运动速度减慢。这样，学生便产生了探明正确解答的强烈动机。
(2)展开阶段。学生利用计算机模拟技术解决问题和开展实验。
(3)观念形成阶段。通过计算机演示和实验，使学生掌握有关物体运动的定律。
(4)知识迁移阶段。运用有关定律、法则分析动机形成阶段提出的问题及学生的不同回答，并把这些定律、法则运用于实际生活情景之中。
上述利用计算机技术改变和发展学生观念的方法，不仅有助于消除他们原来的错误观念，还能激发学生的学习兴趣，加深对新观念的记忆和理解。