促进学生科学概念理解的教学设计摘要：促进学生科学概念理解的教学设计应遵循建构主义教学理论，以学习者为中心，通过对各种过程和资源的设计支撑学生的建构活动，按照“研究教学内容的知识脉络分析学生的认识脉络设计建构概念的问题提供学生解决问题所需的证据”这一基本思路完成教学设计。此外，在进行教学设计时，要重视学生认识方式的建构，创设形成概念认识的学习情境，以及提供多样认识建构的学习活动等。关键词：科学概念 教学设计 建构主义 科学概念的学习使学生更加本质地认识事物与现象，促进科学知识的系统化与结构化，帮助学生发展逻辑推理能力，提高学生的科学素养。因此，在教学过程中，应设计符合学习规律和学生学习心理的多样化教学活动，尽可能地启迪学生思维，增进学生对科学概念的认识建构与理解水平，避免对科学概念的机械记忆。但是，已有的研究表明科学概念教学的效果往往不是很理想，学生对科学概念的认识不能达到较高水平。导致这一现象的主要原因在于教师在教学过程中没有让学生进行科学概念的建构过程。为了实现学生对科学概念认识的深层次理解，教学设计的思路与策略是什么？本文结合案例进行了理论分析与实践探讨。一、促进学生科学概念理解的教学设计理论怎样的教学设计能够促进学生的科学概念理解？要想回答这个问题，首先要清楚如何才能促进学生的科学概念认识。建构主义的教学理论认为，对学习内容较为深刻的理解和掌握是通过学生主动建构来达到的，而不是通过教师向学生传播信息获得的。学习者在一定的情景下学习，或利用自己原有认知结构的有关经验同化新知识或通过“顺应”、改造、重组原有的认知结构来同化新知识，理解、掌握学习内容，达到对新知识意义的建构。建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，也就是说，既强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者。学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。因此，教学设计强调以学生为中心，强调教学环境的设计，强调利用各种信息资源来支持学生的自主学习和协作学习，强调学习过程的最终目的是完成知识的意义建构。基于建构主义教学理论，学生的科学概念学习是建构性的，学生是科学概念意义的主动建构者，教学设计的目标在于通过对各种过程和资源的设计支撑学生的建构活动。因此，可以按照以下思路进行科学概念的教学设计：首先分析教学内容的知识线索，确定教学的知识脉络；然后分析学生的已有认识与科学概念间的差异，确定教学过程中学生的认知脉络；之后分析活动线索和STS线索，结合学生的已有知识和探究能力，确定教学过程的问题线索；最后确定是否需要为学生提供解决问题所需的证据，以及以哪种方式向学生提供。具体如下图所示：图1 促进学生科学概念理解的教学设计思路二、促进学生科学概念理解的教学设计策略1重视认识方式的建构研究表明，在学生科学概念的学习中，在纷繁复杂的学生个人概念背后确实存在着认识方式这一上位因素。科学概念和其相应的认识方式是相辅相成的，要想达到对科学概念的高水平理解，需要建立起相应的认识方式。所谓认识方式是超越了科学概念本体，位于具体概念上位的概念，指的是学习者在思考和处理科学问题时，所表现出来的倾向于使用某种思维模式或是从一定的认识角度来认识或解决问题的信息处理对策或模式。重视学生认识方式的建构，更具体的说，就是改变原来科学概念教学中存在的过多关注具体概念辨析和概念的识记，忽视科学概念的认识功能和指导作用，导致学生记得具体的科学概念，不会应用概念分析、解释问题或现象。因此，概念理论教学要重视学生观念的建构，重视概念在学生认识中的作用，即从具体知识的教学转化为关注认识方式的教学。表1 关注具体性知识的教学与关注认识方式的教学的区别关注具体性知识的教学关注认识方式的教学教学注重对具体性知识的学习和思考，具体性知识的记忆和浅层次理解是教学和学习的最终目的。教学也注重对具体性知识的学习和思考，但最终目的是把具体性知识作为载体和工具来帮助学生观念的建构和形成。内容的选择主要是覆盖大纲及教材中的大量具体学科知识内容，局限于对这些材料的组织和呈现，几乎没有选择性。内容的选择是以居于学科中心的观念为核心，综合考虑大纲和教材以及其它教学资源，选择那些能形成和体现这些基本观念的具体知识内容进行组织和呈现。教学过程旨在记住这些知识，多采用讲授式，“老师站着讲，学生坐着听”。教学过程旨在发展学生的综合思维和深层理解力，多采用让学生去主动发现问题、分析问题和在活动中去主动探究、去主动发现，与同学、老师交流、质询等多种方式。教学内容的分析缺少对知识层次结构和知识之间关系的分析。教学内容的分析是以观念为核心，主要分析知识的层次结构和知识之间相互联系教学活动围绕对具体性知识的讲解展开，缺乏情景的创设、问题与活动。教学活动围绕对观念建构这一目的创设的丰富情景和一系列问题和组织的探究性活动展开。教学活动要求各种具体操作技能性训练。教学活动要求运用多种技能的复杂行为表现。可见，关注认识方式的教学过程是一个关注学生深层思维技能，有效培养学生批判性、创造性等综合思维的教学过程。在教学过程中，教师通过各种途径积极引导学生运用超越事实的思维方式对所学知识内容进行思考。因此，科学概念教学不仅承担着具体科学概念的教学任务，还应该承担建构和发展学生认识方式的任务。例如，在教学过程中，可以让学生通过分析“物质进入水溶液中将发生哪些变化？”、“溶液中存在哪些微粒？”、“哪些微粒能发生反应？”等问题，培养学生的微粒观和动态观；可以利用稀释前后盐溶液的pH数据分析稀释对盐类水解平衡的影响，使学生学会用定量的观点分析问题。2创设形成科学概念认识的学习情境一些教师在进行科学概念的教学时，抛开具体的概念认识情境，就某一具体概念进行纯粹的启发讲解，导致学生知道具体概念的含义，但是不清楚这个科学概念存在于哪个具体的科学领域或科学主题，也不清楚为什么要学习这个科学概念，它能够解决什么问题或者解释哪种现象，自然当应用这个概念时，学生不会想到它。这样的概念教学完全脱离了概念认识的学习情境，学生对概念的认识停留在具体含义上，尚未达到理解水平与迁移应用阶段。因此，教师在进行概念教学设计时，要创设概念认识的学习情境，从实际问题的解决需要，从自然现象的解释需要，从社会问题的分析需要等出发，在解决问题或分析现象的过程中建构科学概念，实现对科学概念的深层次理解，认识到科学概念的应用领域，从而实现概念认识功能与解决问题功能。在创设学习情境时，教师要运用各种直观手段，使抽象的科学概念形象化。教师应认识到科学概念的形成是由特殊到一般、由具体到抽象、由现象到本质的认识过程，是在这种由感性认识到理性认识的不断循环所进行的归纳、演绎等逻辑推理过程中逐渐产生的。因此，在教学设计过程中应注意将有关理论具体化、形象化、直观化，有利于启发学生的思维，完成由感性认识向理性认识的飞跃。常见的直观教学手段有采用实验等手段进行教学的实物直观，又采用图像、数据、多媒体课件、录像等直观手段进行教学的模象直观。如，在探究温度对化学反应平衡的影响时，可以分别将NO2N2O4平衡球放入冷水和热水中，使学生通过观察、对比实验现象，获得感性认识。而研究压强对化学平衡的影响时，可以给出在不同压强下，同一反应体系达化学平衡状态时各种物质的浓度，使学生通过分析数据，进行探究，获得结论。 3、提供多样认识建构的学习活动在进行科学概念教学设计时，为了促进学生的概念理解，需要设计多样认识建构的学习活动。讨论活动在科学概念学习中具有非常重要的作用。让学生参与对观念意义的交流，其中包括对疑点，假设以及论点的提出与评价，可以增进学生原先的科学概念理解。如果学生对某领域的科学理论或观念把握有误或是错误的，那么最适当的纠正方法是引出他们的想法，然后使这些想法面对矛盾的证据。这样学生不仅在自己谈论和思考一些现象方面有所进展，而且会在叙述这一领域中的一些特征的方式上变得更趋一致。同伴间的交流能够帮助学生对概念的理解与建构，能够使学生进入高认知水平，使他们形成和发展关于科学现象的有意义的认识及观念。设置问题和动手活动在科学概念学习中也非常重要。设置什么样的问题或活动能驱动学生思考？问题应该是学生感兴趣的社会问题或与学生的日常生活比较接近或者学生对其具有一定的模糊认识，涉及到学生的已有经验的问题。比如在学习化学科学中“物质的量”概念时，利用曹冲称象的故事设置问题情境，如何利用宏观物质的质量确定微观粒子的质量，从而使学生明白引入“物质的量”的重要意义。运用活动把对概念或理论的认识外显，如用最大的放大镜观察到的水的内部情况这些都可以大大降低抽象程度，使其形象化。总之，为了实现学生对科学概念的高水平认识，教师在进行科学概念的教学设计时，要考虑学生的认知脉络、科学概念的逻辑脉络、建构科学概念的问题与活动，支持学生概念理解的相关信息，以及利于学生建构理解的学习情境等，综合分析这些因素，从而促进学生理解科学概念，实现科学概念对学生认识的发展作用。三、教学设计案例原电池是化学科学中的重要概念，关于原电池的工作原理是学生学习过程中的难点。现以“原电池的工作原理”为例，说明如何进行促进学生科学概念理解的教学设计。通过对课程标准和教材的研读，整理出“原电池的工作原理”这一学习内容的知识脉络，即：图2 “原电池的工作原理”的知识脉络图学生通过高一化学“化学反应与能量变化”这一部分内容的学习知道化学能不仅能够转变成热能，还能够转变成电能，但不知道如何实现化学能与电能的转化。因此，根据学生的已有经验，将“电池（原电池）是将化学能转化成电能的装置”作为学生认识发展的第一步。由于向学生展现的原电池为最简单的铜锌单液原电池（如图3），学生会很自然地自主发展对原电池工作原理的认识，认为“电解质溶液中要发生氧化还原反应才能形成原电池，电池工作时电极材料要参加电极反应”。针对学生的这一观点，利用实验事实让学生发生认知冲突，突破对原电池工作原理的认识，建立更加科学的概念，即：形成电势差（原电池）后才发生电极反应，电极材料不一定参加电极反应；同时引导学生提出问题：“原电池是怎样工作的？”。最后，通过教师讲解帮助学生了解原电池的工作原理，建立科学概念。上述对学生的认知脉络的分析可以用下面的流程图表示：图4 “原电池的工作原理”的认识脉络图确定了教学设计的知识脉络和学生的认知脉络后，在根据具体情况设计如下问题，作为本节课教学的问题线索。图5 “原电池的工作原理”教学设计的问题线索图具体教学环节如下：借助实验和微观图示，引导学生初步认识原电池原理1提出探究任务：（1）研究Zn与CuSO4溶液反应中的能量变化；（2）若该反应能够释放能量，在教师引导下设计实验将反应释放的能量直接转化成电能。2师生互动，设计、实施实验方案。3请学生根据原电池工作的微观图示分析原电池的工作原理，根据实验现象（电流表指针的偏转方向或与干电池进行对比实验）确定原电池的正、负极。教师小结：1原电池的负极及其电极反应；2原电池的正极及其电极反应；通过设置驱动性问题和探究活动，引导学生转变已有概念，建构科学概念1质疑：（1）你认为构成原电池的条件是什么？（2）请你通过实验确定下列装置能否产生电流？是否是原电池？2学生交流实验结论及发现的问题3质疑：指出上述原电池中的正、负极，并写出1、3的电极反应方程式发展、完善概念理解结合拓展资料，启发讲解：原电池中电流产生的本质原因参考文献1王磊.科学学习与教学心理学基础.陕西师范大学出版社，20022肖红.高中生化学和新概念学习中认识方式的研究，2005