基于概念转变理论的教学设计

陈月 贺小光 陈红君

摘  要：概念转变是对学生前概念进行改造，重构科学概念的过程。采用概念转变的教学不仅可以改变学生错误的前概念，同时也可以极大地提升教学质量。文章以教育教学实践为基础，从理论出发，提出基于概念转变理论的教学模式，并以“物体的浮沉条件及应用”为例，阐述了实际教学中的具体实施过程。

关键词：概念转变;浮力;前概念

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）10-0027-3

1    引  言

学生在进行物理学习之前，在头脑中就已经具备相关知识及思维方式，即前概念。学生脑海中的这些前概念有些是与科学概念基本一致的，有些则是与科学概念完全相反的错误概念[1]。错误前概念会对学生今后的学习起到反作用，如学生习惯根据物体的质量、体积来判断物体的浮沉，总认为重且大的物体会下沉，轻且小的物体会上浮。如何引导学生将这些错误前概念转变为科学概念，是教学研究需要重点解决的问题。“物体的浮沉条件及应用”在教材中占有重要地位，是阿基米德原理的延伸。因此，本文以“物体的浮沉条件及应用”为例，基于概念转变理论及模型，构建学生物理科学概念的有效方法，并阐述具体教学实践过程。

2    概念转变理论

2.1    概念转变的基本条件

在应试教育模式中，学校为提高学生的升学率和教学效率，教师填鸭式的教学方式代替了让学生主动获取知识的过程，特别是概念课教学中，缺少对概念进行理解、探索和接受的过程，而直接变成对概念的熟悉、背诵和应用的机械流程。

在真正的概念教学中，学生如何转变他们的已有概念呢？Posner等人给出了四个关于概念转变的基本条件：（1）不满意现有概念;（2）新概念是通俗易懂的;（3）新概念是合理的;（4）新概念是有效的[2]。其中，对现有概念的不满是概念转变的前提，只有当一个概念不起作用或无法解决现有问题时，学生才会产生改变前概念的强烈动机，或通过呈现矛盾情境，有效地引起学生对之前概念的不满意。对于学生来说，新概念的易懂性、合理性、有效度越高，则概念转变越容易发生。

2.2    概念转变的已有教学模式

Posner等人提出概念转变模型后，一些学者先后提出了多种教学模式，并且进行了大量的实验探讨与实践论证。结果表明，这些教学模式都能在一定程度上对学生的学习起到促进作用，如“DO五步教学模式”“NN三步教学模式”“OF四阶段教学模式”“5E教学模式”等概念转变模式[3]。

以上的几种教学模式，虽然教学呈现形式不同，但其实质相似：首先要激发学生的动机，揭示学生的前概念;其次，呈现矛盾情境，引发认知冲突;最后，引进科学的概念，解决认知冲突，进而实现概念的转变。其中，教师角色起到重要作用，教师不仅要找出学生的前概念，制造认知冲突，呈现新知，更要注重掌握方法，解析学生头脑中迷思概念的成因，以便从根本上消除学生迷思概念对其认知活动的影响与干扰。

2.3    基于概念转变理论的教学环节

笔者通过梳理概念转变学习的基本条件以及教学模式的中心思想，并结合自己的实践经验，总结了基于概念转变理论的教学环节（图1）。

“了解学生的前概念”是概念转变教学的前提，也是教师在备课阶段不可或缺的环节。教师在设计课程前，需要凭借自身经验、与学生沟通或查阅相关资料，了解学生对本节课内容的已有经验以及存在的问题，并据此来设计相应的教学活动;“呈现问题情境”和“引发认知冲突”二者紧密相连，首先以生活中的现象作为切入点，唤醒学生的生活经验，引出学生头脑中的前概念，接着呈现矛盾情境，引发认知冲突，让学生直面前概念与科学概念的矛盾，激发学生的求知欲;“任务驱动研究”与“建构新概念”环节通过师生和生生之间的合作探讨以及观点的碰撞，强化科学概念的形成。“新概念的应用与迁移”通过应用新概念来解释问题，一方面加强学生对新概念的理解，实现新概念的重构;另一方面，教师需要发展学生的科学思维，并纠正其形成前概念时所产生的思维误区，进而起到加深与巩固新概念的目的。

3    “物体的浮沉条件及应用”教学设计

3.1    了解学生的前概念

研究发现学生对物体的浮沉条件会存在这样的错误理解：浮于水面的物体受到浮力，沉在底部的物体不受浮力，所以没有浮上来;单纯从物体的质量判断浮沉，质量大的物体会沉，质量小的物体会浮;从物体的体积大小、是否空心来判断浮沉;认为物体密度的大小是产生物体浮沉的根本原因。可见，学生在判断物体浮沉时，是根据头脑中已有的前概念和生活经验，没有结合阿基米德原理去分析浮力的大小以及产生原因，对影响物体浮沉条件的液体密度与物体密度混淆使用。

3.2    呈现问题情境

教学流程：教师利用自制教具演示“章鱼”的上浮和下沉（图2），学生发现瓶内的“章鱼”像是被施加了魔法，它的上浮和下沉完全被教师控制。让学生描述观察到的现象。

设计理念：教师演示一些奇妙、有趣的物理现象，能够充分吸引学生的注意，激发他们学习物理的兴趣。

3.3    引发认知冲突

教学流程：教师演示实验，让学生观察现象后独立思考。

實验1：将体积相同的一个小铁球与一个小木球分别放入水中，让学生认真观察。学生观察到小铁球在下沉，小木球在上浮，最终小铁球沉在水底，小木球浮在水面上。

学生们可能回答说木球比铁球轻。

接着进行实验2：将一枚大头针与小木球分别放入水中，观察现象。

学生观察到大头针下沉后，很明显与自己刚才所提出的猜想相反。学生将继续思考，又提出新的猜想，物体的浮沉条件是由物体的密度决定的，铁的密度比木材的密度要大，因此无论是铁块还是大头针，都会下沉到水底。此时，教师会继续追问，如果将一块钢板放入水中，钢板就会下沉，为什么用钢板制成的船只能在水上自由航行呢？学生陷入思考之中。

设计理念：用演示实验让学生对生活中的物理现象进行直观感受，引导学生运用已有知识来解决问题，施以矛盾情境后，学生无法用头脑中的已有知识来解释这种现象，认知冲突便产生了。

3.4    任务驱动探究

教学流程：教师运用二力平衡知识引导学生对物体进行受力分析，引出学生猜想：物体的上浮或下沉是由物体所受合外力的大小决定的，也就是说由物体受到的重力与浮力共同作用的结果。根据此猜想组织学生分组讨论、制订计划、进行实验探究重力与浮力的大小关系对物体浮沉的影响。在实验开始前，教师强调需要把不能直接测量的物理量“浮力”转换为可测量的实验变量——“液体的密度”。学生按照教师提供的实验器材进行实验。教师引导学生分析物体密度与液体密度的大小关系以及物体的受力情况，如表1所示。同时，让学生观察实验现象并将表格补充完整，派一名代表进行汇报。

设计理念：通过团队合作，加强学生之间的合作意识与交流能力，不同观点的碰撞更容易引发和解决认知冲突，强化科学概念的形成过程。

3.5    建构新概念

教学流程：教师在学生实验结果的基础上，系统地阐述物体浮沉的根本原因、浮力的定义以及压力差的概念等，让学生理解物体的浮沉不能只看某一方面，要综合考量，并引导学生运用阿基米德原理来解释影响物体浮沉的条件。同时，教师给学生展示潜水艇的工作原理，让学生动手完成“让橡皮泥漂在水面上”的实验，使学生头脑中产生改变物体浮沉方法的新概念。

设计理念：研究表明，学生的概念往往是碎片化的或强烈依赖于问题情境[4]，因此，科学概念的建构需要教师引导学生一步步实现，以达到以核心概念为中心的概念结构网络，将已有概念与新概念建立联系。

3.6    新概念的应用与迁移

教学流程：让学生用所学的概念解答“浮沉章鱼”中所蕴含的原理，让学生用概念图、思维导图等方法建立新概念与已有概念之间的联系。并且布置课外任务，让学生查阅潜水艇的相关资料，结合本节课知识，设计一款“潜水艇模拟器”来实现其在水中的上浮和下沉。最后，教师分析学生最初头脑中根据物体的外观形状来判断物体浮沉的错误点或许在于仅凭借直观感受，没有真正理解上浮和下沉的缘由。

设计理念：通过学习，学生对新概念已经了解，是否真正掌握可以通过实践来检验。而且前概念具有反复长期性，教师若想让学生从根本上掌握新概念，还需对学生错误前概念的产生原因进行分析，避免之后的学习中出现类似的错误。

4    结束语

在传统的课堂上，教师常常忽略了学生之前的概念，导致错误前概念和科学概念同时出现，造成学生认知结构混乱，不利于学生接受知识和发展思维。概念转变教学是在了解学生前概念的基础上，通过呈现问题情境，引发认知冲突，进而建构新概念等一系列教学过程来解构学生的迷思概念，建构科学概念，并且进行应用，完善自己的认知结构，发展概念思维。这也符合物理学科核心素养的要求，即培养学生的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。

本文采用概念转变教学理论，以“物体的浮沉条件及应用”为例，详细描述了此教学理论在实际教学中的具体应用过程，体现了概念转变教学理论对于物理教学的重要性。概念转变教学能够使学生深入理解物理概念，促进学生元概念意识的发展，学生通过体会概念的发展过程，建构新认知结构，进一步提升了其物理核心素养。

参考文献：

[1]蔡铁权，姜旭英，胡玫.概念转变的科学教学[M].北京：教育科学出版社，2009.

[2]Posner G J，Strike K A，Hewson P W，etal.Accommodation of a scientific conception： Toward a theory of conceptual change[J].Science Education，1982，66（02）：211-227.

[3]李愈婧.学习科学视域下概念转变的教学应用研究[J].山西师范大学学报（自然科学版），2015，29（S1）：124-126.

[4]Andrea A， diSessa. Toward an Epistemology of Physics[J].Cognition and Instruction， 1993，10（2-3）：105-225.

（欄目编辑    邓   磊）