高中生物学前概念的调查和分析.doc

高中生物学前概念的调查和分析 浙江温岭中学生物组 冯素媛摘要 科学学习研究表明，学生是带着各种观念和认识(即前概念)走进科学课堂的，其中有些是正确的，能够促进学生的科学学习，但更多的是模糊的、不正确的观念，会阻碍学生对科学概念的理解。在教学中，只有充分了解学生的前概念存在形式和特点，才能根据实际情况设计合理的教学方法和过程。本文主要分析了前概念的特点、前概念对学习的影响，之后利用问卷调查对学生关于生物学的主干知识的前概念进行探查，并对调查的结果进行分析之后得出了结论，提出在教学中进行概念转化的一般方法和步骤。关键词 前概念 科学概念 调查 概念转化1 问题的提出在传统的教学实践中，经常会出现一个概念经过多次讲解和纠正，可是学生却屡次犯同样的错误，于是有的教师就说，学生的脑袋是榆木疙瘩。随着新课程在高中的广泛开展，新课程的理念倡导“全面提高学生的科学素质” 1，教师也在逐渐转变观念，认识到学生的一些顽固的错误其实是有着更深层次的心理学的基础的，学生的概念转变有着科学的教学策略。现代认知科学研究表明：学习并不简单的是教师在课堂上把正确的科学概念呈现给学生，学生就一定能够顺利理解新知识，达到既定的学习目标。澳大利亚墨尔本大学拉姆斯登2等人对中学生的理科学习状况做了大量调查研究表明:许多学生虽然擅长于科学和数学等学科中非常复杂的技能，拥有大量的事实知识并顺利通过了考试，但却无力表明对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。造成这种现象的主要原因是：教师在教学过程中很少考虑学生的己有知识经验并据此教学，认为只要把新知识讲清楚说明白，把知识装进学生的头脑，简单按照自己或课本上的逻辑来对学生的理解做出规定就完成了教学任务。实际上，学生在走进科学课堂之前就已经持有各种观念。我们称之为前概念，有时也称前科学概念。11 前概念的七个基本特征前科学概念有许多特点，直观地说来，一般可总结为下述七个特点：3（1） 广泛性学生对日常生活中有关生物学现象的大量问题都有自己特定的理解，在生物学的各分支中都存在着前概念。它还广泛存在于各个层次的学生中，而且与一般的科学概念并存，不易引起注意。（2）自发性学生头脑中的前科学概念，缘于个体长期大量的日常生活中的观察和经验。这些经验在他们的头脑中逐渐深化、发展，经过感觉、知觉、表象阶段，最终形成概念（图式）。学生在其头脑中形成前科学概念时，完全是自发的。没有人教他们，他们完全凭自己的头脑进行建构。（3） 顽固性近年来的一些研究表明：一旦学生对某些科学现象形成了前科学概念，要想加以转变是极其困难的。为什么学生头脑中的前科学概念如此顽固？由于前科学概念是学生头脑中业已形成的，且长期的日常生活经验与观察又加强了这些概念。虽然在课堂上教师也给出了“正确的”概念，但学生却不会轻易放弃自己的错误概念，因为这些观点在现实世界中确实很好用，并且看起来可以“正确”地解释生活中的一些现象。因此，很多学生只记住在课堂上学习到的“事实”，并在考试中重复使用，但生活中他们又继续使用自己的那些观点。一些曾学过生物学的人，一旦脱离生物学的学习和考试体系，他们学的生物学知识，除了诸如细胞、酶、基因等为数不多的专业术语外，都忘得干干净净。（4）隐蔽性学生头脑中的前科学概念还具有隐蔽性。由于学生头脑中的前科学概念（图式）都是潜移默化形成的，它以潜在的形式存在，平时并不表现出来，但往往在学生运用生物学概念解决问题时则表现出来。例如，对于高中学生来说，背诵“病毒是非细胞结构的生物”是没有问题的，解决一般层面的问题也是没问题的。但当把类似问题变为“SARS病毒的蛋白质的合成场所”的问题时，他们就认为是在SARS病毒的核糖体上合成的，而事实上没有细胞结构，当然也意味着没有核糖体。（5）反复性学生经学习理解了一些生物学概念，过了一段时间后再遇到类似的问题时，受到先前错误的影响又会对该概念产生糊涂的认识。前概念的反复性和其顽固性密切相关。（6）层次复杂性学生在对事物意义的理解时，总是以自己的知识经验背景为基础，因而不同的学生看到事情的不同方面，表现出不同年龄阶段或同年龄阶段的不同层次的学生，对相同的科学问题有不同形式的前概念。（7）负迁移性学生在对各个生物学知识结构的学习中，先前的知识结构对新的知识结构的建立起着积极的推动作用，但有时也产生一些负面的影响。前概念对后续的科学概念的学习多起负影响。12 前概念和科学概念相互作用后的五种存在形式：4前概念有的是正确的，能够促进学生的科学学习，但更主要的是一些模糊不完整的甚至是错误的认识，经过科学教学之后并非顺利转化为科学的理解，而是和科学观念相互作用后以不同的形式存在。可以归纳为五种。（1）未被改变的观念Sch+ST教学Sch学生教师学生尽管接受了正式的教学，有些学生的观点并未改变。如图1所示(以SCh表示学生的观念，S：表示教师的科学观念，并假设为正确的科学观念)。图l 科学教学没有改变学生的观念例如，学生在接触生物学课程之前，就对动物体有着基本的认识，其中最广泛的一种认识就是将动物体看成一个容器。在调查中，通过对3名5岁儿童的访谈发现，这三名儿童对奶牛的认识如出一辙，他们认为，奶牛是一个盛有牛奶的容器，如果小牛将奶喝完了，奶牛就需要重新去喝一些奶储备在身体中。我们告诉他们，奶牛不是喝奶的，于是他们重新解释的结果就是，奶牛需要将奶粉和水一起喝下去，然后就有新的牛奶产生了。下次再看到一个母亲哺乳的时候，访谈中的一个孩子就说，如果宝宝将奶喝完了，母亲就需要去补充奶粉和水了。在这个案例中，孩子的观点在前后两个情境中没有发生变化，都是将动物体看成是一个容器。（2） 两种能力的结果学生基本上拒绝利用教师的科学观点观察世界，却把它看作必须学习的东西(如为了考试)。因此，学生有两种观念，只是在学习情境之外使用的观念不是学习的科学观念，如图2所示。Sch+ST教学Sch学生教师学生ST 图2科学教学之后，学生在学校中使用科学的观点，在其它情境中坚持自己的观念例如，代谢的场所主要是在细胞内，但是学生普遍的认为动物代谢的场所是在消化道中。所以，在考试时，学生的答案是前者，而解释实际问题时，则是用后一种观点。（3） 被强化的学生观念Sch+ST教学SchST学生教师学生学生在正式科学学习之前的主观看法经常会使他们无意识地应用所教内容，把在科学中严格定义的概念错误地理解为意思完全不同的内容，如图3所示。 图3学生最初的观念被错误应用、并被支持它的科学教学强化例如：关于激素运输的途径，这个问题在绝大多数学生这里都有自己的解释，学生一般认为在内分泌腺体和靶细胞之间存在着一个直接相通的管道，激素是通过管道运输的。而在教师讲解之后，学生知道激素是通过血管运输的，由于对血液循环的误解，于是他之前的直通的管道的观念得到了加强。形成了一个强化后的错误概念。（4） 混合的观念Sch+ST教学STSch学生教师学生在许多情境中，学生学习、理解、评价科学观点。由于这些观念的相互联系是多方面的，但在某一时期仅能学习其中有限的部分，这可能使学生形成未整合的、自相矛盾的观念。在这一结果中，学生的观念是其在科学教学前持有的观念与教师观点相互掺杂的混合物，如图4所示。 图4导致学生的科学观点与教师的科学观点共同存在的混合结果的科学教学关于进化，学生普遍认为昆虫的抗药性是因为农药引起昆虫的变异，而在学习完进化论之后，理解了农药的选择作用之后，他们的观点混合成了：农药引起了变异，之后农药又将变异进行选择，于是就形成了抗药性。（5）整合的科学观念所有科学教育的目的是：学生应该获得他自己理解、赞同且能与其生活、工作环境相联系的科学观念。这是所有教师希望在与学生相互影响后出现的理想结果，如图5所示：Sch+ST教学学生教师学生Ss、 图5使学生的科学观点与教师的科学观点更为一致的科学教学但是事实上，从建构主义的角度来说，这个理想状态是很难实现的，因为每个人所掌握的概念都是与个人的认知结构或者说概念生态有关的，我们的教学只能是通过各种真实情境，来使学生掌握的概念逐步逼近科学概念。13 前概念对学生科学概念形成的影响在生物学课堂的教学中，总存在这种情况：学生带着前概念来到课堂上，教师死板地灌输给学生一些对他们来说毫无意义的概念，这些东西很快被遗忘了，生物学课留给他们的不过是几个专业术语，如细胞、酶、生长素、基因等。这说明传统的科学教学很难将学生那些模糊、甚至错误的观念转化为科学概念。要改进这种传统的理科教学和学习，促进学生对科学知识的深刻理解，就要改变“容器灌输”的学习观，确立起新的概念转变教学观。在实际教学中，应引导学生将新知识和已有知识经验联系起来，丰富发展与新知识相关的正确观念，转变与新知识相异或错误的概念，形成对知识的多角度、丰富的理解，并以基本原理和概念为核心，形成系统化、结构化、网络化的认知结构。这就要求教师必须能够及时了解学生头脑中的前概念，并针对不同的前概念的形式设计不同的教学方法和手段，以便有效地进行概念的转化，使学生形成正确的科学概念。 对学生前概念的探查方法可以有访谈法、问卷调查法、试卷分析法等，甚至在课堂提问和作业中我们也可以发现学生的前概念。教师在教学中，随时随地都应该注意学生透露出来的信息，以及时调整教学行为和方法。2高中生物学前概念的探查21 探查目的生物学基础包括基本的生物学概念、原理和规律。让学生掌握一定的生物学知识既是生物课程所规定的基本任务之一，又是学生具有生物科学素养的基本要求和标志。上一章曾经提到，生物学的发展首先是概念的发展，概念是生物学理论的基础和精髓，根据学习的重演律，个体的认知结构中概念的发展也是个体思维过程的核心，一个科学概念的形成，往往标志着人们观念的改变，生活概念到科学概念的转化，往往意味着个体通过科学建构，完成对生物学科全新的认识。根据芬特等人的研究5，个体在学习生物学之前，存在着广泛的生物学前概念，这些前概念的存在对于教学过程起着至关重要，江苏淮阴师范学院生物系袁维新老师曾提出运用诊断性评价揭示学生的前概念6，他认为，诊断性评价是研究学生的前概念的有效方式；概念诊断性测验是诊断性评价的最有效形式；诊断性评价的效果取决于诊断性测试的设计与实施；诊断性测试题的编制必须以了解学生的认知状况为基础,后者主要通过访谈或概念图等方式收集资料；运用诊断性测试揭示学生的前概念不是研究的真正目的,研究前概念的主要目的在于探索适当的教学策略,促进学生实现概念转变。22对高一学生生物学前概念的调查我们于2006年7月对温岭中学的高一学生进行了一次前概念的调查。之所以选择这个年级，主要考虑的是学生虽然在初中接触过有关的一些生物学知识，但是初中和高中的生物教材编排形式有很大的不同，同时，在初中由于受到年龄、认知能力等因素的限制，学生的生物学科学概念体系并没有真正建立；而且，我们的研究主要是集中在对高中生物学教学中概念转变策略的研究，如果能够在进入高二开设生物课之前，探查到学生在生物学概念方面的一些初始状态，对我们进行教学设计也有着启发和指导意义；在另一方面，这些测试的结果也可以作为我们对学生进行的前测研究，有利于在实验实施的一至两年后，通过后测，获得学生概念转变的直接证据。调查的问卷及方法在参考北京师范大学王磊教授研究的基础上进行设计7，同时又借鉴了香港一些同行和王恬8等的经验，全卷共分两部分，第一部分为判断题(客观卷)，共计三十题，主要围绕生物体的基本组成、生物体的结构、生物的代谢、生物的生殖、生长和发育、生物体生命活动的调节、生物的遗传变异和进化、生物圈、科学实验等内容来设计，学生针对题目所给的说法，选择“正确”“错误”或“不知道”来回答，如果判断为正确，要简要讲出判断的依据，如果判断为错误，则要求讲出正确的说法。第二部分为绘图题，要求学生就两个生物学基本概念绘出简图进行解释。第三部分为问答题，共有三题，针对本地的实际情况及生物学学科的特点进行设计，要求学生对环保知识、生物学职业的了解、生物学课堂教学及生物学教师的期望进行简答。调查对象为本校高一的四个教学班，共收回有效问卷194份。 23统计分析 初步统计结果表明，高一学生在系统学习高中生物学之前就已经拥有较强的前科学概念， 对多数生物学核心知识，如生态学与生物圈知识，环境污染和保护等概念表现为前科学概念与科学概念的一定程度上比较一致，而在比较抽象的知识如光合作用和呼吸作用、遗传和变异等概念的认识上，则和科学概念的相异性比较十分显著。从第二部分问答题回答的情况看，大多数学生对环保知识有一定的了解，能说出治理汽车尾气排放、治理水体污染、进行垃圾分类等环保措施，仅有9.5%的学生不能说出。对生物学职业的了解，有18.2%的学生说不知道或不能回答。对生物学课堂教学及对生物学教师的期望，有61.8%的学生希望能多做实验、多动手实践，有70.3%的学生希望生物学教师能幽默风趣、态度和蔼，使生物学课上得生动活泼。此外，笔者还比较了学生高一学业成绩与调查问卷客观卷的一致性及关系。结果显示，客观卷的一致性与学业成绩有极显著的相关，表明学生先前的知识、经验及思维方式等在学习过程中起着重要的作用。 为了进一步探究学生前科学概念对生物学成绩的影响，2007年4月，笔者又对接受调查的部分同学就部分问题进行了回访，了解到在生物体的结构和功能方面，学生对客观试卷的回答有了显著提高的正确率，在主观题目的回答上，如果可以利用简单的术语来回答的，普遍正确率较高，但是一些关于生物微观结构构造和代谢具体过程联系起来的题目，学生的回答仍然体现较高的相异性，例如，关于激素的运输，回访中高达85.8%的学生都认为，可能是在产生激素的内分泌腺体和靶器官之间有一个直接连通管道，激素就是通过这个管道运输到靶器官的。在回访的同时，我们也选择了一部分普通高三学生（N=150），对一些生物学的关键概念进行了探查。表1显示了我校不同年级学生对五个生物学关键概念的前概念的形式和相异率。表1生物学五个关键概念在高一、高二、高三的相异率序号科学概念前概念主要形式相异率高一高二高三1植物吸收水分和矿质元素是两个相对独立的过程植物同时吸收水分和矿质元素，两者完全一致822%530%223%2病毒是非细胞结构的生物病毒是没有细胞膜的细胞结构863%706%385%3同一个体的的不同细胞遗传物质相同，细胞结构和功能的不同是因为基因的的选择性表达同一个体的不同细胞结构和功能的不同是因为细胞中的遗传物质不同902%621%350%4昆虫抗药性的形成是因为农药对昆虫进行了选择，导致抗药基因频率的增大昆虫抗药性的形成是因为农药引起了昆虫的变异952%493%152%5激素通过血液运输激素从内分泌腺运输到靶器官是因为有一根管道直接相通942%858%632%图6 生物学五个关键概念在高一、高二、高三的相异率从表格和柱状图中可以看出，各个概念从高一、高二到高三相异率依次下降，这说明我们的传统教学还是有一定成效的，但是，从高二和高三的某些概念来看，前概念对学生知识的建构起到了很大的干扰作用，所以，导致一些重要概念即使在学习了两年的高中生物学之后，仍然和科学概念之间存在着很大差异。24调查结论这次调查证实了学生头脑中存在相当多的前概念，而且这些概念以各种我们意想不到的形式存在着，所以在教学过程中，进行一定方式的诊断性前测是有必要的。这种诊断可以以传统的测试方法进行，也可以以小范围的访谈法进行，还可以以问卷调查的方法进行。在具体的教学过程中，我们也可以通过设置情境、小组合作等方法，探查出学生的前概念之后，再根据具体的前概念的存在形式进行随机的转化。一般来说，生物学概念转化最常用的方式可以概括为以下三步：设置一定的情境使学生充分暴露或者意识自己的错误概念，引发认知冲突通过学习活动来建立新的