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【引用】为什么我们要围绕科学概念来组织科学教育呢?(韦钰院士)  

2012-04-06 08:30:39|  分类: 引用参考 |  标签: |举报 |字号 订阅

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The scientific way of forming concepts differs from that which we use in our daily life, not basically, but merely in the more precise definitions of concepts and conclusions; more painstaking and systematic choice of experimental material, and great logical economy. (Einstein, 1936/1950, p. 98)

在科学上形成概念的方法和我们在日常生活中用来形成一些观念的方法不同,它只不过是更加周密地进行概念的定义和得出结论,更加辛勤地和系统地选择试验素材和格外地重视逻辑推理.

                                                                                                                                                                         --------爱因斯坦

可见,准确的定义概念是科学思维的特点。“鸡瘟”似应不属于科学概念。

下面一个例子是我在写“探究式科学教育教学指导书”时翻译的,原文出自于原美国科学院院长,现在《Science》杂志的主编,Alberts博士写的一篇有关小学科学教育的文章。看来对围绕科学概念进行探究式科学教育是大家关心的课题

诺贝尔物理奖获得者美国科学家费曼(Feynman,1918-1988)在回忆他父亲对他的培养时,曾经说到这样一个故事:

有一次一个孩子问我“看见那只鸟了吗?你知道它是什么鸟吗?我回答:我一点都不知道。他说:那是一只褐色的、会发喉音的画眉,你父亲什么也没教你吗?

费曼说:完全不是这样,父亲教了我很多。父亲说:看那只鸟!,它的名字叫斯宾赛鸣鸟(我知道父亲其实并不知道这只鸟的正确名字)。父亲又说:在意大利它叫XXX;在中国它叫XXX;在日本它叫XXX;你可以知道用世界上不同的语言如何称呼这种鸟,但是,学完了这些,你实际上根本不了解这种鸟,你只知道世界上居住在不同地方的人对这种乌有不同的称呼。所以,让我们来仔细观察这只鸟,看看它在做什么?那是我们应该考虑的。(我很小就知道,知道某个物体的名字和知道某个物体之间的差别)

父亲说:比如说,看吧,这只鸟不停地在啄它的羽毛,它是不是一边走;一边在啄它的羽毛?

是!

鸟为什么要啄它们的羽毛?

可能是它们飞行时把羽毛弄乱了,它们啄羽毛,以便把它们的羽毛理顺。

父亲又说:好吧,如果是这样,那么它们只需要在飞过以后啄一会儿,当它们落地一段时间以后,就不应该再啄它们的羽毛了。你知道我问你这个问题的目的吗?

父亲又说:让我们仔细观察一下,它们是在刚刚落下时啄得最多吗?实际上要看清楚这一点,并不困难,比较一下那些刚刚落下的鸟和已经在地上走来走去的鸟,它们在啄羽毛上看不出差别。我说,我放弃我的想法,那些鸟啄它们的羽毛,并不是为了整理羽毛。

父亲说,因为有虱子在咬它,虱子在吃羽毛上沾着的蛋白的屑屑。虱子的腿上常常有一些柔软的物质,更小的生物会吃它,这些小生物不能完全消化这些物质,就会排泄一些和糖类似的物质,细菌就会在其中生长。

最后父亲说,你要知道,哪里有食物存在,就一定会存在以它作食物而生存的,有生命的生物。

费曼说,我现在知道,在那些鸟的脚上,可能存在的并不一定是虱子,在虱子的腿上也不一定有更小的生物,父亲告诉我的,也许在细节上并不准确,但是他却教给我根本上正确的东西。

美国科学院阿伯尔茨(Alberts)院长引证了这段故事以后写道,我们每个人不可能都有像费曼那样的父亲,培养我们孩子的责任,就应该落在学校的身上。

费曼的父亲要他观察的内容,围绕着建立一个核心概念—那里有食物存在,就一定会存在找到它作为食物的,有生命的生物。我们现在有些科学教科书上要求学生观察的内容常常没有明确的目的,似乎越细越好。要观察植物,大多是估计树有多高,多粗、什么形状;观看叶子的颜色、形状、大小等等。要观察纸,就要求学生比较纸的厚薄、颜色、吸水性,再拉一拉,看结实不结实。各人看各人的,越细越好,看完了,各人有各人的标准和感受。天底下的不同种类的树和树叶多的是;纸也各式各样、千奇百怪,我们课堂上能看到的只是“沧海一粟”。这样的观察结束以后,学生就记住了有不同的叶子,有不同的纸,还有什么?

 

概念(Concept)是组织起来的经验,是基于事实、事件、特性、感知信息进行分类、推理和抽象出来的知识,它使我们能有效地认知、交流、发展我们对世界的认识。从婴儿开始,人就具有组织经验的能力,对面孔、声音、表情、颜色等等进行分类,形成儿童自己一些概念。来到科学教育课堂的学生并不是一张白纸。这些儿童已经具有的前概念是我们进行科学教育起始的基础。其中有些概念是不正确的,需要通过探究式科学教育来帮助学生建立正确的概念。

科学概念(Scientific Concepts)是指组织起来构成的、系统的科学知识。它来自科学家共同体对世界的认识,同时也帮助科学家组织对世界的观察和发现,它包含的内容是开放的、动态变化的。

科学概念可以是一些自然的语言、如动物、植物、哺乳动物、湿地、水资源等等,也可以是运用一定的语言规则,由科学家建造了更复杂的知识结构的表达,并且和数据、方法、理论和其它概念相连。例如说,“电是一种能量”。

作为一种科学知识,科学概念必须是基于实证研究的,而且是被科学家共同体所接受和承认的。这点和文学作品中出现的概念有根本的不同。在中国不少的教育研究论文中,经常会自己提出许多概念,没有实证,没有体系,别人也看不懂,作为文学作品是可以的,但它不是科学研究论文。科学上对于概念的提出和认定是严格的,必须和一定的理论和体系相关,而且科学知识和科学概念也没有国界。如果科学概念包含的内涵不统一,科学家就无法交流和工作,科学研究这条延绵不断的长河就不能延续。在我们讨论的例子里“鸡瘟”就不是一个科学概念。

科学概念又是分层次的,大的概念中包含了较小的概念。概念和概念之间相互联系,这就构成了我们称之为科学模型、理论、和定律。

但是,另一方面,科学概念并不是已经确定就不可以变化的。由于科学知识是不断在发展的,所以科学概念也可以发展,甚至纠正,但都必须基于科学研究的结果。例如我们对“九大行星”的概念就在去年发生了改变。

科学概念可以分成三类,第一类就直接来自我们对自然界的观察,在我们提出的小学科学教育标准中大多属于这一类。第二类是需要和一定的理论相联系的,人并不能直接观察到,如原子、分子、基因等。第三类是假说,如达尔文的进化论,由于时间的限制,我们还无法直接验证它。

有关科学概念的解释在“探究式科学教学指导书” 中也有不少阐述,例如下面的一段:

科学知识是有系统的知识,科学家在不断进行对自然界以及对人类本身的探究中,形成了对事物的分类,对事物和事件性质、过程的描述和解释。这些对归类事物的本质性的归类描述就是我们通常说的概念、而对概念之间联系的描述形成了通常说的定律、模型和理论。

例如,人类在和自然交往之中,发现了不同类型的石头及其不同的特性和用途。人们给不同的矿石命名,金、银、铜、铁、锡等。根据他们的共同性质,形成了矿石的概念,进而扩大形成了包括泥土、水、风等都是没有生命的物质的分类概念。而人类观察不同的动物和植物等都是有生命的物质。生命和非生命的主要区别在于有生命的物质自己能够自我修复,自我繁殖。达尔文通过观察、比较、研究发现了所有生命物质进化的规律—生存竞争,适者生存。

这些科学概念和科学概念之间的联系涉及的范围不同,有的涉及范围小,有的涉及范围大。对涉及范围小的,我们称它们为特定的概念,而涉及范围大的称为普遍的概念,或大概念。当然这种“大”和“特定”的分类是相对的,而不是绝对的。概念越大,就越抽象,学生掌握就越困难,所以儿童的概念的建立一般从简单到复杂,从初级到高级,从特殊到一般。需要一定的顺序,需要和儿童认知和情感的发展规律相符。在教师进行探究式科学教育时,应该了解儿童所具有的原有的概念(有时是想法)。这些原有的概念可能是正确的,也可能是错误的,要从儿童原有的概念出发,搭建“脚手架”,帮助儿童改善和获得新的概念。在探究式科学教育中常常运用概念联系图来明确教学的目标和不同课案之间的联系。

大家还可以讨论,课标中哪些是科学概念?选择是否合适?它们之间的联系是什么?如何分层建构的?儿童的前概念是什么?如何能搭建脚手架来帮助儿童建立正确的科学概念?科学概念在儿童发展和科学教育中的重要作用是什么?以及如何更好的运用它,如使用概念图(Concept Map)和模型(Model)。应该如何画概念图?等等。我相信有许多朋友在这些方面会有很多心得和经验,能够和大家分享,并把讨论引向深入。

 

 

实际上,围绕概念来组织科学教学,并不是这次修改科学教育标准中新提出来的方法。在小学自然课的标准中,列出的主要知识点就是科学概念的一种表达。原来新教改制定的标准中,也体现了应该围绕科学概念来进行科学教学的理念。东南大学叶善专教授曾经详细对比过这三个标准内容中涉及的概念,在物理、生物和地球科学三个大的领域,这三个标准之间并没有太大的差别,只是这次课标修改稿中希望把科学概念提得更明确和准确一点,并增加了分级。在领域方面,增加了技术和设计的领域。

按概念来教学,也不是科学课所特有的。在我们熟悉的数学教学中一直是这样进行的。数学的教学中一定会让学生逐步建构一些概念,如整数(正数、负数、零)、分数(真分数、假分数、带分数)、正方形、长方形、三角形、平行四边形等等。学生在掌握这些概念以后,才能了解和掌握不同的运算规则和定律。

为什么我们要围绕科学概念来组织科学教育呢?.

因为这样做符合我们人认知发展的特点,是我们有效认识世界的途径。 在缤纷繁杂的大千世界里,我们无法记住所有的事物和事件,我们需要将它们类比、分类、归纳,推理,找寻其规律和联系,组织成为系统的知识。

过去,人们以为儿童并不具有形成概念和学习概念的能力。近几十年来,关于儿童概念发展的研究方面,至少有近万篇论文已经发表。这些研究结果告诉我们:婴儿在不会说话时,已经开始对面部和语音进行分类,1-2岁可以接受某些概念,2岁半左右可以运用归纳的方法,学前儿童已经能够具有抽象推理的能力,并形成他们自己的概念。当然,这些概念的形成和概念涉及的领域有关,有些领域概念的形成先于其他一些领域,而且和儿童成长的环境有关,表现出儿童之间存在着个体的差异。儿童形成的概念很可能是不全面和不正确的,我们需要及早地帮助他们建构正确的概念,以利于他们进一步的学习。总之,在小学科学教育中,围绕概念来组织科学教育不仅是可能的,而且是必要的。

近几十年来的研究,,证明以下一些观点是不正确的:

1. 概念的作用只是为了组织经验。

2. 在儿童发展中存在认知能力发生突然变化的质变时期。

3. 七岁的儿童才具有接受抽象概念和推理的能力。

4. 儿童概念的形成都必须从具体的感知信息开始。

我们原来小学科学课取消一、二年级的科学课,在国家标准的案例中出现像“鸡瘟”这样的案例,可能和不了解有关儿童学习理论的最新进展有关。

在小学科学中围绕科学概念来组织教育,对提高儿童的学习效率,促进儿童发展是十分重要的。因为这种教学方法不仅可以让学生有效地组织和记忆知识,而且有助于他们鉴别、类比、和推理。有些经验他们可能并没有遇到,但是可以运用已经建立的概念去理解,去扩展,学会运用核心知识和模型来“触类旁通”。可以说,概念是儿童建构更复杂能力的基石。

现在提出的探究式科学教育和原来自然课的教育都是围绕概念来进行,那么两种教育方法有什么不同呢?在自然课教学中,比较常用的是演绎式的(Deductive)教学方法。教学中一般由教师讲解概念,也可以给出一些实际的例子,或是让学生动手实验。希望学生掌握概念以后,能够举一反三地运用概念解决问题。而现在提倡探究式的方法来进行科学教育,是一种归纳式的(Inductive)教学方法。让学生从自己身边的事实出发,逐步建构出概念来,亲历概念形成的过程,以在掌握概念的同时,学会探究的方法,培养他们探究的能力。期盼他们不仅能将结论举一反三,而且能将探究概念的能力,如提出问题、设计实验、进行观察和实验、收集数据、进行解释等等,扩大到探究其他的问题上。

这里特别要强调的是,这种探究应该在教师引导、组织和支持下进行,在一个学习的集体中,通过交流和讨论来实现,不是只靠儿童自发的闭门造车。这也是“鸡瘟”这个教案对探究式教育理解错误的地方。对这一点我们还需要进一步讨论。

下面我们试着列举一些例子,看围绕概念和不围绕概念来组织教学有什么不同。

例一:养蚕

养蚕是普遍在幼儿园和小学中采用的案例,很有中国特色。有的教学中,让学生详细地观察和记录蚕脱了几次皮?每次相隔多少时间?每次脱皮时,蚕有多长?蚕在结茧时是怎么进行的?甚至观察蚕结茧时用了什么样的架子?这些架子是什么材料?是什么形状?等等。当然培养学生仔细观察的能力是好的,可是这些具体的过程和知识学生可能记不住,也难运用到理解生物的共同特点上。如果我们从了解生物的基本特征:生命周期和生存条件着眼,让学生重点在观察如何从卵开始,蚕经过一个生命周期,从新产卵,延续后代。有条件和时间还可以观察蚕维持生存所需的条件。这样,学生可以通过这个实例,体验到生物都有一个生命的周期,需要一定的生存条件,需要繁殖后代。这些科学概念的形成有利于学生理解其他的生物。

例二:沉与浮

学生很喜欢水,也喜欢把不同的材料放在水里,观察他们是沉还是浮。这类案例在幼儿园和小学的科学课和教材中经常可见。

物体在水里沉与浮,涉及密度的概念。密度的概念是很重要的,又是很难建立的。看过“居里夫人的科学课”这本书的朋友,可以发现,居里夫人花了很大的精力在帮助学生建立密度的概念。

在现有的教科书指导下,很多课堂里让学生用橡皮泥来做沉与浮的试验。先让学生把一团橡皮泥丢到水里,看橡皮泥沉入水底了,教师让学生把橡皮泥打成扁平形状,橡皮泥就可以浮在水上了。这实际上在加强学生一个错误的前概念—物体的形状决定沉浮。

如果教师了解学生这种错误的前概念。为了帮助学生纠正不正确的概念,拿一根火材和一根粗的铁钉让学生实验,看看那根会沉?结果粗的铁钉沉了,似乎因为火材比铁钉细,所以粗的铁钉沉入水里了。如果教师针对学生的这种错误概念,再请学生用一根细的缝衣服的针和火材一起丢入水中,学生会发现,即使是缝衣针比火材细,缝衣针还是沉入了水里了。老师不妨再拿一个很大的塑料衣架和细小的缝衣针一起丢入水里,学生一定对形状反差这么大的两个物体在水中沉浮的情景留下深刻的印象。所以,围绕科学概念正确的组织教学,有利于学生形成正确的科学概念。

这个例子也说明,认为只要是有探究的过程,只要学生动手,就是探究式科学教育,是对探究式教育不正确的理解。也说明只靠学生自发的自我探究,自我发现,并不是有效的学习方法。这就是“鸡瘟”教案中值得讨论的地方。

有的教师反应,掌握科学概念有一定的困难。我们认为利用概念图可能是一种好的方法,可以帮助教师和学生掌握科学概念,建立科学模型,还可以用于学生的评测。

                                                                                                            (此文为韦钰院士发布在“小学科学教育”网站)


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