小學科學教育概論專業(yè)知識講座

第一章科學與科學教育

第一節(jié)科學的本質

科學一詞起源于中國古漢語，原意為“科舉之學”，英文為science，本義是知識。日本著名科學啟蒙大師福澤瑜吉引用了中國古漢語的“科學”一詞，把“science”譯為“科學”，1893年，康有為引進并使用“科學”二字，1896年我國著名啟蒙思想家梁啟超在《變法通議》一文中使用了“科學”一詞，嚴復在翻譯《天演論》等科學著作時，也用“科學”二字。20世紀后她才廣泛地被人們接受，那么什么叫科學呢？“科學”的來源?一、科學的內涵

在現(xiàn)代漢語大詞典中，科學的解釋為“科學是反映自然、社會、思維等的客觀規(guī)律的分科的知識體系?；蚩茖W是關于自然、社會和思維的知識體系，是社會實踐經驗的總結，并在社會實踐中得到驗證和發(fā)展”。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們對科學的內涵的認識不斷深化，涉及范圍也越來越廣，一般主要包含五個方面，即知識體系、創(chuàng)造活動、社會結構、社會生產力和文化形態(tài)?，F(xiàn)分述如下。你懂科學嗎?（一）科學是系統(tǒng)化的理論知識體系科學作為知識體系，包括概念、原則（定律）和理論。其主要內容有兩個方面，一是客觀事實，如物理學的聲、光、電；化學家發(fā)現(xiàn)的各種元素和化合物；生物中遺傳和變異等現(xiàn)象。二是規(guī)律，如物理學中的能量守恒和轉化定律；化學上的門捷列夫周期律，生物上的進化論等都是概括和總結出來的客觀規(guī)律。所以說科學如實地反映客觀事實，并對事實進行思維加工，揭示出客觀事物內在規(guī)律的知識。（二）科學是創(chuàng)造知識的認識活動科學不僅僅是知識、事實的匯集，科學更是一個“動詞”—求知活動。科學作為認識活動，包括三個基本過程：1、探索即發(fā)現(xiàn)問題，對感知的事物多方尋求答案，解決疑問。2、解釋對客觀現(xiàn)象進行分析作出解答或闡明，提出理論。3、檢驗科學理論是否成為真理，必須對解釋加以驗證，才能真正產生知識。（三）科學是一種社會結構在現(xiàn)代，從事科學研究、探索客觀世界，已是一種社會活動，它涉及眾多的人、許多的工作、不同的國家以及各個部門，這樣的活動已形成一種社會結構。現(xiàn)今來看，科學的社會結構，由科學研究體系、科學后勤部門和科學管理機構等共同組成。研究體系從橫向看包括基礎研究、應用研究、開發(fā)研究；從縱向看包括各類研究組織和各種科學管理部門。各類系統(tǒng)和機構相互聯(lián)系，構成科學社會機構。(四)科學是社會生產力培根說：“知識就是力量”，馬克思說：“科學技術是生產力”，鄧小平說：“科學技術是第一生產力”?？茖W與物質生產活動密切聯(lián)系，擔負著解決人與自然的矛盾的任務，它既是生產力中的一個要素，又是一種社會生產力。傳統(tǒng)科學的表現(xiàn)形式是“生產—技術—科學”，而現(xiàn)今則是“科學—技術—生產”，科學成果轉變?yōu)榧夹g，并加入到生產過程中去，表明科學不斷地轉化，成為人類物質和文化追求的重要要素。因而科學實質上是一種社會生產力。（五）科學是文化形態(tài)科學作為系統(tǒng)化的理論知識體系，是一種特殊的社會意識形態(tài)，它與文化密切聯(lián)系，并成為文化的一個重要組成部分，且是文化發(fā)展的基礎。我們常說某某國家科學發(fā)達，實際是指文化發(fā)展的狀態(tài)，也標志著其文明進程。人們在認識自然和和改造自然的活動中形成的一套科學思想、科學精神、科學方法和科學道德，以及由此建立起來的價值觀念和行為體系都無不是反映其文化形態(tài)。科學能塑造人；科學通過技術革新不斷形成“商品文化”，滿足人們的物質追求；科學是社會前進的不竭動力。對科學的不同認識關于科學目前科學教育界較為流行的觀念是“三位一體”說，即科學的定義包括三個重要組成部分：科學態(tài)度科學探究的過程及方法科學探究的成果（科學知識體系）。至于具體的科學定義現(xiàn)仍然在探討中。二、科學的本質對于科學的本質中外學者眾說紛紜。保加利亞學者T.H.伏爾科夫認為：“科學的本質，不在于已經認識的真理，而在于探索真理”。我國學者認為：科學是人對自然界客觀事實和規(guī)律的理性認識；科學是知識體系；科學是一項社會實踐活動。美國科學教育專家萊德曼（Lederman）的報告中認為科學的本質有以下幾個方面：一是科學思想是不斷發(fā)展變化的；二是科學需要證據；三是科學帶有主觀性，因而科學家應努力識別并避免偏見；四是科學是邏輯推理及人類想象和創(chuàng)造力的結合；五是科學的發(fā)展受社會及文化因素的影響。下面就五個方面作分述如下：（一）科學思想的發(fā)展變化科學本身就是一個不斷探究、生產知識的過程?？茖W理論的形成是在一定時期、一定的社會背景條件下產生，因而具有相對性和歷史性，隨著科學的進步和認知能力的增強，會使科學理論不斷更新，科學理論才能得以完善。例如人類的燃素說、進化論就是科學思想不斷發(fā)展的過程。（二）科學證據科學證據從哪里來，從實踐中來。科學需要實踐。實踐是檢驗真理的唯一標準，所有的科學規(guī)律必須接受實踐的檢驗，不論現(xiàn)在還是將來。任何一名科學工作者都必須重視收集證據，為科學理論提供依據。蝸牛絕食？（三）科學的主觀性和客觀性科學家從問題的提出，到現(xiàn)象觀察及實驗設計，以及對數據的解釋，常常是在現(xiàn)的科學理論指導和影響下進行的，再加上個人的知識背景、國籍、性別、信念和經歷等諸多因素的影響，使之在科學觀察和實驗方式上不同，因而會得出不同的結論。所以科學理論在一定程度上存在主觀性。但科學規(guī)律是不隨人的主觀意志為轉移的，這是它客觀性的體現(xiàn)。因此，為了正確反映自然界的事物、現(xiàn)象之間的內在的、必然的、本質的聯(lián)系，我們必須反復實踐，認真檢驗，才有可能避免偏見。（四）科學的理智性和創(chuàng)造性科學探究是一項創(chuàng)造性的工作。對事物的認識、探討和總結都需要正確的判斷和推理，怎樣分析和解答更需要理智，不是憑空而來，理智的結論是千辛萬苦、孜孜不倦的創(chuàng)造性勞動。蘋果從樹上掉下來，牛頓悟出萬有引力，阿基米德在浴池中浸泡，發(fā)現(xiàn)沉浮定律，這些都是觀察、想象和理智推斷所帶來的創(chuàng)造性活動。如果沒有對事物深刻認識，不會有理智的推斷。圖2、圖3通過觀察，我們推斷它們曾經聚在一起，為什么聚在一起，大家可能有這樣或那樣的推理。所以觀察與推理是科學的基礎?？茖W的推理不是人腦憑空的任意想象，而是對客觀現(xiàn)象的合乎邏輯推理的解釋，同一現(xiàn)象可能有多種解釋。上圖是狗足印嗎?(五)科學影響社會文化科學的產生是由于社會的需要?？茖W研究本身就一種社會活動，科學的結論必然會影響社會，使人們在價值觀和世界觀的認識上會發(fā)生變化。如“地心說”、“日心說”影響了人們對自然的認識，一度成為社會文化的焦點。另外，社會文化的價值取向直接影響對科學的投入，對科學研究方向及方法的選擇，甚至決定對科學解釋或結論的取舍。所科學與社會是互相聯(lián)系相互影響的。第二節(jié)科學教育及科學素養(yǎng)的涵義一、科學教育科學教育與科學的發(fā)展幾乎是同步進行的。18世紀中葉至19世紀中葉，西歐和北美各國都先后完成了以蒸汽機為標志的第一次產業(yè)革命，社會生產力迅速發(fā)展。形勢向教育提出了培養(yǎng)大批合格勞動者的要求。一方面要求“普及教育”和實現(xiàn)“國民教育”，另一方面要求積極改革教育內容，強化科學知識的傳授。19世紀中葉至20世紀中葉，以電動機的廣泛運用為標志的第二次產業(yè)革命，推動了社會生產力和科學技術的進一步發(fā)展。對人才的要求也就更高。馬克思最先明確提出“科學教育”的概念，他指出：科學教育是大生產和近代科學的產物。20世紀中葉，以電子計算機的應用為標志的第三次產業(yè)革命，引起了生產與社會出現(xiàn)革命性的變化。什么是科學教育？學術界對科學教育有不同解釋：科學教育是一種通過現(xiàn)代科技知識及其社會價值的教學，讓學生掌握科學概念，學會科學方法，培養(yǎng)科學態(tài)度，且懂得如何面對現(xiàn)實中的科學與社會有關問題做出明智抉擇，以培養(yǎng)科技專業(yè)人才，提高全民科學素養(yǎng)為目的的教育活動。此定義是從教育角度來說的?？茖W教育是關注科學技術時代的現(xiàn)代人所必須的一學素養(yǎng)的一種養(yǎng)成教育，是將科學知識、科學思想、科學方法、科學精神作為整體的體系，使其內化成為受教育者的信念和行為的教育過程。從而使科學態(tài)度與每個公民的日常生活息息相關，讓科學精神和人文精神在現(xiàn)代文明中交融貫通。這是從社會認識的角度來定義的。科學教育的內容有：科學知識、科學方法、科學精神、科學態(tài)度、科學價值五個方面。二、科學教育目標與科學素養(yǎng)(一)小學科學教育目標凡是目標，都有定向、激勵、調節(jié)、評價功能。我國科學教育采用的是分科教學的形式，體現(xiàn)在小學是自然或小學科學，初中有物理、化學、生物，高中則有物理、化學、生物、地理課程之中。按照國家1995年提出“科教興國”的國策，針對小學《科學（3—6年級）課程標準》，我們的總目標：“通過科學課程的學習，知道與周圍常見事物有關的淺顯的科學知識，并能應用于日常生活，逐步養(yǎng)成科學的行為習慣和生活習慣（掌握和運用知識）；了解科學探究的過程和方法，嘗試應用于科學探究活動，逐步學會科學地看問題、想問題（學會科學探究的方法和技能）；保持和發(fā)展對周圍世界的好奇心與求知欲，形成大膽想象、尊重證據、敢于創(chuàng)新的科學態(tài)度和愛科學、愛家鄉(xiāng)、愛祖國的情感（情感態(tài)度）；親近自然、欣賞自然、珍愛生命，積極參與資源和環(huán)境的保護，關心科技的發(fā)展”（人生觀和價值觀）。此目標分四個層面：第一即掌握和運用科學知識，第二是科學探究，第三是指對科學的情感態(tài)度，第四即人生觀和價值觀。（二）科學素養(yǎng)小學科學教育的目的不在于將每一個人都培養(yǎng)成為科學家，小學科學教育的根本目的是提高公民的素質，培養(yǎng)科學素養(yǎng)，是為了幫助小學生更好地理解和運用科學解決個人與社會的問題。小學科學教育圍繞著的核心是培養(yǎng)科學素養(yǎng)，素養(yǎng)即平日說的修養(yǎng)，即具有一定的知識水平和正確對待事物的能力。小學科學教育培養(yǎng)科學素養(yǎng)科學探究情感態(tài)度與價值觀科學知識生命世界物質世界地球與宇宙科學素養(yǎng)小學生需要什么樣的科學素養(yǎng)？其內容包括科學探究、情感態(tài)度與價值觀和科學知識（生命世界、物質世界、地球與宇宙）三大方面?！犊茖W課程標準（3—6）》具體內容標準科學探究情感態(tài)度與價值觀生命世界物質世界地球與宇宙·認識科學探究·提出問題·猜想與假設·制定計劃·觀察、實驗、制作·搜集整理信息·思考與結論·表達與交流

·正確對待科學學習·正確對待科學·正確對待自然·正確對待科學、技術和社會關系（即四個對待）

·生物的多樣性·生命的共同特征·生物與環(huán)境·健康生活

·物體與物質·運動與力·能量的表現(xiàn)形式

·地球的概貌與地球的物質·地球運動與所引起的變化·天空中的星體從科學知識、科學探究過程和情感態(tài)度三方面對科學素養(yǎng)進行解讀。1、學習、理解和掌握科學知識體系及結構人類產生以來，隨著對自然的好奇和科學驗證，不斷地發(fā)現(xiàn)新問題，總結出新成果，形成科學知識。所以科學知識是人類對自然界探索的成果的積累及人類在經驗基礎上對世界的認識的系統(tǒng)概括、抽象和總結。不同分科的科學知識分別構成自身的知識體系，一般科學知識體系主要包括科學事實、科學概念、科學定律和科學理論等方面的內容?？茖W事實:

是指人們運用感官或科學儀器獲得的具體的、可被驗證的科學信息。如“水往低處流”，“魚兒離不開水”等?？茖W概念:

是對科學事實的歸類、概括、抽象和總結。如：“污染”：環(huán)境中混入有害或破壞環(huán)境的物質。又如導體：容易導電的物體；絕緣體：不容易導電的物體等?？茖W定律或科學規(guī)律:

是用來描述兩個或多個科學概念之間的聯(lián)系。如摩擦——生熱，遺傳——變異等?？茖W理論是用來解釋各種科學事實或科學規(guī)律的本質，其目的是回答“為什么”之類問題。如分子動理論（17-18世紀，人們開始認識到熱現(xiàn)象是由物質內部大量微粒運動引起，后來則形成一種科學理論——分子動理論），進化論(適者生存論)等。科學知識體系結構如圖：科學理論科學定律

科學概念

科學事實2、理解科學探究過程，學會運用科學方法中國古代就有“授人以魚”不如“授人以漁”的說法，這種做法是有科學道理的。但得到漁具仍有人饑餓，這是值得思索的。面對著大自然、社會和生命，需要我們去了解和認識的內容太多，人對知識的學習不只是需要傳授一方面，更多的是在前人基礎上靠自己去加工、處理也即不斷探究的過程。因此，科學探究是科學學習的中心環(huán)節(jié)?？茖W探究不僅可以使小學生體驗到探究的樂趣，獲得自信，形成正確的思維方式，而且可以幫助他們理解什么是科學，什么不是科學。我國科學探究的分目標：

知道科學探究涉及的主要活動，理解科學探究基本特征。能通過對身邊自然事物的觀察，發(fā)現(xiàn)和提出問題。能運用已有知識作出自己假想答案。能根據假想答案，制定簡單的科學探究活動計劃。能通過觀察、實驗、制作等活動進行探究。會查閱、整理從書刊及其他途徑獲得的科學資料。能在已有知識、經驗和現(xiàn)有信息的基礎上，通過簡單的思維加工，作出自己的解釋或結論，并知道這個結果應該是可以重復驗證的。能用自己擅長的方式表達探究結果，進行交流，并參與評議，知道對別人研究的結論提出質疑。美國制定《國家科學教育標準》，在科學探究技能上提出了明確的要求，包括8個方面，我們國家與他們的要求是基本一致。3、培養(yǎng)對科學的興趣，樹立科學態(tài)度和價值觀情感態(tài)度與價值觀是科學素養(yǎng)的組成部分，我們在科學教育中，通過對千姿百態(tài)、變化萬千、引人入勝的自然現(xiàn)象的學習，可以改變學生的認識和行為傾向，激發(fā)他們對科學學習的興趣，陶冶愛科學、愛家鄉(xiāng)、愛祖國的情感，并為形成正確的科學價值觀打下良好基礎。小學科學教育情感態(tài)度與價值觀的目標

對待科學學習：保持欲望，尊重事實，敢于設想。對待科學：相信科學，不迷信科學。對待自然：熱愛自然，保護自然。對待科學、技術與社會的關系：充分利用科學技術造服于社會，同時遵守社會道德規(guī)范。

理性態(tài)度(或科學態(tài)度)的培養(yǎng)

小學生情感態(tài)度表現(xiàn)為：兒童天真好奇，遇到新鮮事易沖動，想多觀察和多了解，但注意力不集中。培養(yǎng)和保護兒童對科學的興趣及對周圍世界的好奇心，是幫助他們認識世界、學習并理解科學知識的重要步驟，還有與情感有關的態(tài)度如堅持不懈，正確對待失敗，愿意與他人合作交流，尊重他人的觀念及勞動成果等也都需要培養(yǎng)。理性態(tài)度

理性態(tài)度：是指在發(fā)展科學過程技能、探究及建構科學知識的過程中逐漸建立的對于科學探究的認識及態(tài)度（是對科學理智的思維活動）。其內容主要包括如下。1）注意考察任一信息來源的可靠性及重現(xiàn)性，區(qū)分偶然性與必然性。2）重視事實根據，合理懷疑，不迷信，不盲從權威。3）避免在證據不充分的情況下作出判斷，或將某結論不恰當地進行推廣。4）傾聽和考慮他人的不同觀念或解釋。5）根據新的證據，懷疑、修正自己的意見。以往的書中籠統(tǒng)地提科學態(tài)度，科學態(tài)度就是面對實際問題，能夠遵循事物本身的脈絡，實事求是?？追蜃诱f：“知之為知之，不知為不知，是知也”。這就是科學態(tài)度。本書以理性態(tài)度來詳細說明科學態(tài)度，其意義更深刻。第二章認知科學與科學教育第一節(jié)兒童是知識的建構者一、腦工作、腦研究與教學長期以來，我們多是采用“填鴨式”教學法，“要給學生一碗水，教師必須有一桶水”。這樣的模式使學生的大腦成了蓄水器，知識好比流水，教師通過一些方法使之流入學生大腦。現(xiàn)代研究證明，知識進大腦實際上是一個相當復雜的問題。人腦人腦是由神經細胞組成，每個神經細胞又稱為神經元,神經元又是由細胞體和側枝（軸突和樹突）構成，由突觸互相連接，形成神經網絡。據估計，人腦有1000億個神經元，每個神經元通常與1000至10000個其他神經元相互連接。大腦分為左右兩個半球，中間以胼胝（pianzhi）體相連。左右腦既有分工，又有合作，研究發(fā)現(xiàn)，左腦具有邏輯思維功能，主要分管思考、語言、書寫、計算、判斷、推理。右腦具有形象思維功能，負責操縱感覺領域如認識形體，鑒賞繪畫、欣賞音樂。

左腦的進一步研究發(fā)現(xiàn)，左腦還有不同功能的分區(qū)：額葉（計劃、創(chuàng)造性解決問題）；頂葉（身體感覺區(qū)）；枕葉（視區(qū)）；顳葉（言語聽區(qū)或聽區(qū)）；小腦（運動、平衡）。左腦分區(qū)當刺激到來，通過感覺器官傳向中樞神經，并形成某種神經元聯(lián)系，不同的刺激聯(lián)系的神經元模式不同，如語言刺激就存放于聽區(qū)中，光的剌激就存放在枕葉中。一個人新知識的學習過程，也就是某種對應的神經網絡模式建立的過程。強大的或多感官、多渠道的刺激會存入長期記憶庫中，有利于回憶。目前教育中流行建構主義學說，原因就是神經網絡模式不斷建立的過程。豐富多彩的學生主動學習，有利于建構神經網絡模式，有利于回憶和掌握知識。所以，美國支持學生動手和科學探究內容的教學。腦工作?二、建構主義與兒童科學學習追溯建構主義的歷史，可追溯到18世紀一位意大利哲學家維科所發(fā)表的論文，他有這樣的觀點：一個人只能知道或了解他/她自己建構的知識結構，換言之，每個人總是試圖從感覺器官感受到的混亂信號中尋求模式或順序，從而建構他/她自身對世界的認識和理解。由于個人經歷、背景及其他生理結構的差異，各自建構的知識或對世界的理解也就不同。目前的建構主義，通常是對幾種認知流派的綜合，如皮亞杰、維果茨基、布魯納、杜威流派等。建構主義理論認為：學習是學習者主動建構知識的過程，而不是將課本和教師的知識簡單地裝入學生頭腦的過程。由于學生在學習新知識前，頭腦中已經積累了一定的知識和經驗，而且由于學習者原有的經驗不同，建構方式也因人而異，即使在同一學習情景中接受同樣的信息，不同的學生也會得到不同的意義和解釋，即取得不同的學習效果。因此建構主義的本質就是學生在頭腦中主動地將原有經驗與新信息進行比較、分析、批判、選擇并重建知識結構的過程。在這種模式下，學生是整個教學過程中的“主角”和“中心”，教師是教學活動的組織者和引導者，為學生建構自己的“知識結構”而架橋鋪路。建構主義理論要點1、皮亞杰的貢獻在美國教育界流傳我國的一句名言：“耳聞易忘，目睹為實，躬親則明。”意思是聽過的信息易于忘記，見過的事物便于牢記，惟有親自動手或親身經歷過的事件才是真正理解的東西。皮亞杰通過對生物和兒童的長期觀察，他從生物學的角度提出了學習過程模式：生命體(人/兒童)渴望掌握、了解周圍環(huán)境與物質世界相互作用與社會相互作用努力、主動適應周圍環(huán)境（主動學習者）同化順應組織機構不平衡平衡為了生存通過兩種方式、過程關于學習過程作為主動學習者的兒童，其學習過程可理解為不斷同化和順應的過程。同化包含著對輸入的信息進行識別、處理，使它最大限度地與個體已有的認知結構相適應（同化主動）。其結果是把從環(huán)境中得來的信息經過重組，結合到已有的認知結構中去。順應就是當輸入信息與現(xiàn)有的認知結構不相符合，從而造成不平衡，這時個體必須修改原認知結構以便建立一個新的平衡狀態(tài)（順應從動）。皮亞杰認為順應、同化的過程還包含知覺、學習和動機（或興趣）的成分。當感官輸入和現(xiàn)有認知結構之間具有中等程度的不符合時，個體興趣最大。興趣在兒童學習中有著重要作用，“好奇”和“興趣”是兒童學習的原動力，營造一個使學生保持“好奇”和興趣的環(huán)境，有利于學生建構知識。要實現(xiàn)同化、順應過程，關鍵要看信息輸入是否激發(fā)動機和興趣。

兒童學習過程流程圖新事物新經歷

設問：觸摸不同的物體,會有怎樣的溫度感?用手觸摸金屬、木質表面、泡沫塑料，有何感受？新經歷導致問題的提出：這是什么？為什么會發(fā)生？如何發(fā)生？冷熱差大？將新經歷與已有經驗相比較：能否運用已有知識理論回答上述問題？

能！否！假定已有知識或理論回答上述問題，然后運用這種已有知識對未來事件或經歷作出預測

尋求驗證預測結果的證據

如果無證據說明預測結果的正確性，則尋求與其他早期經驗相關的知識聯(lián)系，作出新嘗試。

如果預測結果被驗證，則先前知識理論被擴展并用于解釋更多的新現(xiàn)象、新經歷。

人體對物體的冷熱感覺不同除了與接觸物體的表面溫度有關外，與手的溫度等有關！實驗：將手張開，分別向手上呵氣和吹氣，感受是怎樣，如何解釋？2、維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”概念維果茨基的認知理論受皮亞杰的影響，他一方面認同皮亞杰的思想，同時他特別強調學習的社會性，即人的思維的內容和過程都不可避免地受社會、文化的影響（被動——主動）。維果茨基認為，兒童學習的過程是一個不斷將人類社會知識內化的過程，因而教師、家長及社會因素對兒童的成長至關重要。“最近發(fā)展區(qū)”？維果茨基對建構主義理論的貢獻就是提出的“最近發(fā)展區(qū)”的概念，即兒童的獨立思維和操作能力與他人(如教師、家長)協(xié)助下能達到的水平之間的差距。兒童學習的過程，也就是其“最近發(fā)展區(qū)”不斷上移的過程。教師的任務是思考如何在兒童的“最近發(fā)展區(qū)”內對兒童的學習給予恰到好處的幫助和支持。教育對兒童的發(fā)展能起到主導作用和促進作用，但需要確定兒童發(fā)展的兩種水平：一種是已經達到的發(fā)展水平；另一種是兒童可能達到的發(fā)展水平，表現(xiàn)為“兒童還不能獨立地完成任務，但在成人的幫助下，在集體活動中，通過模仿，卻能夠完成這些任務”。這兩種水平之間的距離，就是“最近發(fā)展區(qū)”。

3、科學教育中的概念轉變模型（CCM）帕斯納和他的同事從認識論的角度(1982)，提出一種基于建構主義理論的幫助人們認識兒童的概念發(fā)展與轉變過程的概念轉變模型。帕斯納將學生頭腦中概念的建構及其聯(lián)系比作一個動態(tài)的生態(tài)體系，概念的轉變過程必須在這個概念生態(tài)系中進行。根據此模型，兒童學習科學的過程可看作是一個由新概念替換舊概念的過程，與科學史中科學概念和理論體系的建立發(fā)展過程相類似。概念轉變的條件（1）學生必須對原有概念首先產生不滿，由不滿而產生“思變”的欲望。（2）新的概念必須在學生看來是明白的、可理解的。（3）學生能夠運用新的概念解決問題，并以此解釋原有概念所能解釋的所有現(xiàn)象。（4）學生能夠運用新的概念解決更多的問題，并以此解釋其他更多的、學生原有概念不能解釋的現(xiàn)象或事件。例如“呼吸”這個概念：生命有機體與外界進行氣體交換的過程，即氧氣進入，二氧化碳排出的過程。更深的概念為：生命活動中一切可以放出能量的化學反應的總稱。概念轉變與學習的關系所謂概念轉變過程實質就是學習過程，就是學生原有概念改變、發(fā)展和重建的過程，就是學習者由前科學概念向科學概念的轉變過程。為了促進學生實現(xiàn)概念轉變，就要進行概念轉變教學。為此，教師必須充分了解學生相關學科的原有知識經驗背景，了解學生有哪些錯誤概念，并充分運用學生的原有概念創(chuàng)設教學中的認知沖突（情境），以此作為引發(fā)學生進行概念轉變學習的契機。因為要轉變學生的錯誤概念，僅僅告訴學生“正確”的概念是無效的。只有在激勵性的情境中，在學生的前概念與科學概念的激烈碰撞中，才能解決前概念與科學概念之間的矛盾沖突，實現(xiàn)由前概念向科學概念的轉變。概念轉變的教學模式以CCM理論為基礎的教學模式遵從如下順序：一是采用不同診斷方式獲得盡可能多的關于學生的已有知識水平以及各種可能的錯誤概念方面的信息；二是運用該信息設計具體教學過程；三是通過學生自我評估和教師評價相結合的方式檢驗測學生是否實現(xiàn)了從前非科學概念到科學概念的轉變。“CCM”的優(yōu)缺點該模式通過實踐證明，其優(yōu)點是：它在增進學生對科學概念的理解及提高學生對科學的興趣等方面有顯著效果。不足為：它教學時會遇到困難，因為很難做到學生一致的認知沖突（活動和實驗結果與學生原有知識相矛盾），也有人認為此模式對學生學習科學過程的解釋過于簡單化和理想化，對學生的學習動機等因素缺乏考慮。該模型經修改后，它強調了學生學習過程中情感因素、學習態(tài)度等方面的重要性。另外，把學生新概念的構建與科學家建立、發(fā)展科學概念相等同來看是不妥當的。第二節(jié)兒童思維發(fā)展的主要階段及特征皮亞杰是一位生物學家，對認知學術界的主要貢獻之一在于他率先對兒童的智力、思維發(fā)展特點進行了系統(tǒng)的研究，他將兒童的思維發(fā)展劃分成四個階段：感覺運動階段（0—2歲），前運演階段（2—7歲），具體運演階段（7—11歲），形式運演階段（11歲以上）。

階段及特征（1）階段1：感覺運動階段（隨意表征）處于這一時期，兒童的思維是高度感性化的，他們的認知主要是通過感官得到感性知識，如觀看可得到顏色及形狀信息，通過觸摸可得物體軟硬程度信息，通過品嘗獲得風味等信息。他們不能有意識地進行模式設計或排列，對事物的解釋或表達是隨意的。階段及特征（2）階段2：前運演階段（相似性分類）處于這一時期的兒童的行為通常發(fā)生在大腦對該行為的思考之后。如大小不同的蘋果放在一起讓他選擇一個，結果如何？當然是大的，這是思考后的選擇結果。再如將一堆顏色、形狀、大小不同的卡片放在一起，讓一個4歲的小孩進行分類，其結果如右圖。說明這一時期的兒童尚未對匹配或分類形成完整的概念，因此他們在解決問題的過程中，往往一次只注意到一個變量（大?。荒芾斫狻笆睾恪钡母拍?。總之，這一時期的兒童的認知機能以相對具體性、自我中心性和刻板性等為特征。階段及特征（3）階段3：具體運演階段（一致詳盡的分類及多重分類）這一階段對物體分類的能力的主要特征是：6-11歲能根據某一種共同的特征對所有物體進行分類。如將顏色進行歸類。隨著年齡及經驗積累，8-11歲兒童能根據一種以上特征或特性進行分類，從而具備多重分類的能力。此時他們認識到物體固有的特征，而且從知覺定向占優(yōu)勢的水平過渡到較大程度的思維靈活性為特征的認知水平。如溫度升高，糖溶解度加大，反之認識到溫度降低，糖則析出。兒童逐漸顯示出認知運演的可逆性，同時對變量和守恒概念有一定的理解。見書35頁圖。階段及特征（4）階段4：形式運演階段（運用邏輯思維及推理的復雜分類）此階段表現(xiàn)在：一是搞清從屬關系。大約在11歲，兒童開始思考物體群之間的關系和上位概念。物體之間不是孤立存在的，小集合歸屬于大集合，大集合之上還有更大的集合。此階段兒童的思維活動具有演繹推理的性質，學生能夠在較為一般的事物與較為具體的事物之間進行邏輯推理。如：所有的植物都是生物，所有的松樹都是植物，因此，所有的松樹都是生物。但是，生物并不都是松樹。這里植物是松樹的上位概念，而生物又是植物的上位概念。生物植物松階段及特征（4）二是對物體進行橫向及縱向的多重分類和再分類。到14歲左右，他們的思維方式變得更加靈活，能夠根據一種或幾種特征對物體進行分類，并將物體按多種不同的方式重新分類。他們認識到每一種分類由目標來決定，同時根據現(xiàn)實和表象特征思考可能的或假設的東西，并從其中選擇與事實最接近或最合理的假設。如將書按大、中、小，按厚、中等、薄，以及按小說、非小說進行歸類。階段及特征（4）三是搞清事物或概念關系進行分類。到16歲，學生能根據事物或概念之間的本質聯(lián)系及其邏輯關系進行橫向、縱向的分類和再分類。他們同時認識到，某一排列只是多種可能性的一種，認識更加深化。認知科學研究表明，兒童的思維發(fā)展都要經過從簡單到復雜、從具體到抽象、從非本質表征到本質表征的認識過程，這一發(fā)展順序不因人的社會文化背景的不同而改變。概念圖物質組成成分為分子/原子純凈物(同一種分子)混合物(兩種或多種分子)溶液非溶液溶質溶劑懸濁液乳濁液單質(同一種元素)金屬非金屬化合物(兩種或多種元素)堿酸鹽第三節(jié)學習動機與科學教育人為什么學習？為了100分，為了得到表揚，為了考個好學校，為了掌握知識，都不全對。關于學習的動機或動力在哪里，世界上的研究理論不少，這里我們一起來了解和討論。一、馬斯洛的人本主義理論皮亞杰認為學生生來就具有好奇心，由于好奇而驅使他們不斷探究和學習新知識。從教學的角度講，當教學內容正也處于或略高于學生認知發(fā)展水平時，學生學習的興趣及內在驅動力最大。維果茨基也認為教師要了解學生的最近發(fā)展區(qū)，才能為學生提供適當的指導與幫助。在實際教學中，學生對特殊或一般學業(yè)不感興趣很常見，更不說構建知識。學生學習的動力因素是多方面的，人本主義馬斯洛作為代表其學習動力說認為，課堂或書本學習都不是人生的第一需要。他將人的需要分成從低到高多個等級，當低級需要如生存、安全感、在團體中的親密感、自尊心等得到滿足后，高級需要如智力發(fā)展、藝術欣賞、自我實現(xiàn)等才會受到重視。一般來說，某一層次的需要相對滿足了，就會向高一層次發(fā)展，追求更高一層次的需要就成為驅使行為的動力。即需要理論。需要其實大多情況下是盲目的，但需要是客觀存在的。教師的任務之一是了解學生的需要，發(fā)現(xiàn)學生的特殊興趣，并將它與學習聯(lián)系起來，同時教師要努力創(chuàng)造安全、愉快的學習環(huán)境，鼓勵學生在知識的海洋里探索?！靶枰碚摗倍嗟吕纳鐣J知學習理論班德拉對兒童或成人通過觀察而進行學習的模式作了長期的專門研究。按班德拉的理論，觀察式學習(理論)主要包括以下幾個過程：（1）注意過程，即學生注意到待學習或示范言行；（2）大腦內部信息處理和記憶過程；（3）行動過程，即將通過觀察學到的東西通過言行表達出來；（4）動機過程，即學習者決定是否注意示范言行的部分或全部，對觀察到的示范言行如何處理，是否付諸實踐等。如“螞蟻能否食用”的觀察，模仿秀的出現(xiàn)等。體現(xiàn)出別人能做的，自己也能做到，關鍵是什么？班德拉同時強調，影響學生學習動機的因素主要包括學生對自身能力的自信程度以及對行為后果的預測。如果一個人的自信心越強，對成功所抱的希望越堅定，其學習的熱情也就越高漲。我們可以通過以下幾種途徑來增強學生的自信程度：（1）努力為學生提供成功的機會，讓學生親身經歷成功的喜悅；（2）讓學生注意到同輩或自己類似的人物的成功的例子；（3）通過“個別”談話，重視學生的“閃光點”，并及時給予肯定；增強學生的自信（4）為學生提供輕松愉快的學習環(huán)境，避免過于嚴肅、緊張。三、威那的歸因理論在對情感、信念深入研究后，發(fā)現(xiàn)學生的學習成果主要受兩個方面因素的影響：成敗歸因及目標定位。威那的學習動機理論認為（歸因理論）：每個人在經歷了任何學習方面的成敗后，往往試圖分析或總結成敗的原因。即“失敗是成功之母”。常見的成敗歸因：個人學習能力的高低、努力程度、學習任務的難易程度和個人運氣的好壞。如高考，對不同的人其成敗歸因各不相同。目前，認知科學的學者們根據學生的學習動機和目的把學生分為兩類：一是以理解、掌握知識為目的；二是以取得高為目的。學習態(tài)度、動機與行為的關系以理解、掌握知識為目的學生是以取得高為目的學生以自我提高為樂成敗歸因為自我努力程度選擇挑戰(zhàn)性學習任務堅持不懈，知難而進，正確對待成敗

運用、尋求有效的學習方法以高人一籌為榮成敗歸因為自身能力或外界因素只有當對自己的能力充滿信心時才選擇挑戰(zhàn)性學習任務；否則盡量避免挑戰(zhàn)性學習任務知難而退，懼怕失敗

滿足于機械記憶，不求甚解教師的任務就是要幫助學生建立以理解、掌握知識為目的的學習態(tài)度?，F(xiàn)今專家們建議學生宜采用以下三種學習模式：一是有意義的學習；二是有一定自主權的學習；三是自我比較學習。有意義的學習是指學生在明確意識到學習任務與自身或日常生活的相關意義的情況下進行的學習。例如對紙廠排污河道的觀察，可得出污染狀況的結論，有利于增強環(huán)保意識。有一定自主權的學習是指學生對學習任務有一定的選擇自由，并能在一定范圍內參與教學決定。如提供不同難易程度的問題，交由學生自選擇完成。自我比較學習是指學生自己對學習內容、學習態(tài)度、學習動機、學習方法和能力，以及學習環(huán)境進行縱向和橫向比較，從而肯定自己或找出不足的過程。三種學習模式第三章以探究為中心的科學教育教學理論和實踐第一節(jié)“動手—動腦”的教學思想一、“動手—動腦”的提出及要求“動手—動腦”是美國及許多國家小學科學教育的基本教學思想。基于兒童的認知特點及實踐研究。美國標準指出學科學是一種主動學習的過程，學生在“做”中“學”；我國的標準中要求教師要鼓勵兒童動手動腦“學”科學。由此，可看出“動手—動腦”對科學教育來說有著重要意義。二、為什么要倡導“動手—動腦”的教學

心理學研究表明，對于兒童來說，技能的形成需要反復的模仿練習，而知識的獲取主要通過感性經驗的積累。兒童時常依靠動手操作來認識和理解世界，但其認識和理解范圍常局限于可感知的具體事物。小學生不能僅靠教師言語抽象地描繪來認知，而應當有親身的體驗和具體操作才能理解科學概念及內涵。所以對待兒童就要采用兒童思維發(fā)展所適應的方式進行教學才能貼近學生，達到教學目的。這就是重視“動手—動腦”的根本原因。美國通過對小學生的考察，得出的結論是：“如果應用實驗性科學教學方法，教師可期望學生在科學過程技能及創(chuàng)造力方面有實質性的提高；在感知覺、邏輯推理、語言發(fā)展、科學知識和數學方面有中等程度進步；在對科學教育及對教學課程本身的態(tài)度等方面也有一定的進步，而對那些相對成績差的學生幫助會更大?！苯鼛资陙?，我國在小學教學中教師們大多數仍習慣于教師講學生記、考試背定義的模式。顯然，這與科學教育是不相吻合的。因此，需要教師轉變教學觀念，但是將科學概念和原理轉化成為適合兒童特點及可接受的言語是很難的，困難的原因主要體現(xiàn)在三個方面：1．教師喜歡用自己學習理解的方式及水平來講授；2．教師在處理概念、學科結構時很少考慮學生的認識及心理過程；3．教師的講授易深化，容易造成學生認識模糊。動手動腦的教學困難三、重視“動手—動腦”1．“動手—動腦”的關系我們強調采用“動手—動腦”的教學方法，“動手”只是一種手段，“動腦”才是目的。“動手”、“動腦”的關系如右圖。動手動腦動手不動腦不動手動腦不動手不動腦高低高低動手動腦思維發(fā)展2．“動手—動腦”的教學模式1）“動手”模式學生全部按教師的要求進行動手操作，幾乎沒有什么思維過程。此模式對學生的作用不大。2）“動腦”模式此模式是教師講解為主的方式，對學生抽象思維的發(fā)展有利，也是較有效的教學模式。3)“動手—動腦”從動手操作和思維發(fā)展來看“動手動腦”是最理想的模式。就科學課來談，此模式的教學方法富有兒童情趣和符合兒童的認知規(guī)律，最有利于思維發(fā)展。教學中教師一定要言語動作應力求形象、直觀、生動有趣，同時要注意引導兒童得出自己學習的結論。小學生在思維上要求直觀性和具體性，這是教學中值得注意的，但我們的目標不要一味照顧小學生直覺的思維方式，即遷就其需要，而是要將他們低級的具體形象思維方式引入到高級抽象邏輯思維階段，這才是我們對其思維培養(yǎng)的根本目的。第二節(jié)“發(fā)現(xiàn)法”教學思想和課程結構論一、發(fā)現(xiàn)法布魯納是美國著名認知派心理學家。是構建主義理論的支持者和倡導者，他率先將皮亞杰等學者的兒童認知發(fā)展理論應用于兒童教育中，主張用“發(fā)現(xiàn)法”進行教學。他認為，學生的學習活動就是一種發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)法也叫“假設法”、“探究法”、“解決問題法”、“引導發(fā)現(xiàn)法”。發(fā)現(xiàn)并不限于尋求人類尚未知曉的東西，確切地說，它是包括用自己的頭腦親自獲得知識的一切方法。即發(fā)現(xiàn)不同于科學家的發(fā)明，而是學生憑自己的力量對人類文化知識所做的再發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)法中教師的作用教師只是學生尋找信息中起指導和顧問作用，而不是充當說明者。師生怎樣做？教師：提供材料，作出指導和引導，當好顧問。學生：收集信息，自主思考，尋找證據，發(fā)現(xiàn)和總結規(guī)律。所起的作用就是：提高學生智慧的潛力，激發(fā)學生學習的興趣，培養(yǎng)學生學習的內在動機，同時也幫助學生形成探究的態(tài)度，發(fā)展探究的能力。例如：提供蝴蝶成蟲、蛹、幼蟲、卵組合圖，讓學生發(fā)現(xiàn)變態(tài)。應用發(fā)現(xiàn)法可以幫助和促進學生學會探索解決問題的方法，學會活用和有效組織信息，并養(yǎng)成靈活而執(zhí)著地追求態(tài)度，從而使他們成為“自主而自動的思想家”。發(fā)現(xiàn)法的不足之處是：費時、費力，另外，發(fā)現(xiàn)法對教師學生的要求較高，一般小學高年級才采用，就我國和狀況，很難成為課堂教學中的主要方法。1．學科結構20世紀60年代，布魯納提出以學科基本結構為中心的課程改革思想。他指出：不論我們教哪一個學科，務必使學生理解學科的基本結構。什么是學科的基本結構？學科的基本結構就是學科的基本概念、基本原理及其內在規(guī)律。他說：“掌握某事物的結構，就是能夠理解它是如何與其他許多別的事件或知識有意義地聯(lián)系起來的。簡單地說，學習學科結構就是學習事物是怎樣互相關聯(lián)的。如物質與元素，氧化與還原，化合與分解等。二、課程結構論

2．強調學科結構的理由布魯納強調教學中要注重學科結構的理由如下：（1）學生懂得了學科結構，就容易理解掌握整個的學科學習內容。如英語中，單詞，句型與結構規(guī)則的掌握就有利于學英語。（2）學生懂得了學科結構，就可以更好地記憶學科知識。他說：除非把一件件事情放進構造得很好的框架里，否則，很快就會忘記。（3）學生懂得了學科結構，能夠促進技能和知識的遷移。因為掌握了基本概念和原理，就可以用之舉一反三，觸類旁通。（4）學習了學科結構能夠縮小“高級”知識和“初級”知識之間的差距。雖然學科的基本概念和基本原理有高低、難易之分，但根本性質是一致的。如果不掌握學科結構，學生很難將學到的知識推廣開來，更難以解決難題和激發(fā)智慧。他還指出：獲得的知識如果沒有完滿的結構把它們聯(lián)系在一起，那是一種多半會遺忘的知識。3．遷移布魯納課程結構的理論是建立在教育心理學的“遷移”這個概念上的。遷移”就是已經獲得的知識、技能，甚至方法和態(tài)度對學習新知識、新技能的影響。如掌握英語的輸入法，再來學習五筆輸入法，它們之間有無影響？影響有兩種，我們把學生已有的知識和技能如果對學習新知識和技能起一種幫助和推動作用的影響稱為正遷移，反之對新知識、新技能的學習起阻礙作用的影響稱為負遷移。布魯納認為學生學習過程中會發(fā)生兩種遷移，即特殊遷移和普遍遷移。特殊遷移是指學習者在掌握某一種技能后，其經驗和知識在其它方面運用中能得到技能的轉移。如會騎自行車的人，很容易學會開摩托車。普遍遷移是指學習所知的基本概念和基本原理對學習新知識所有的影響，它是一般原理和態(tài)度的遷移。學生在掌握基本概念和原理后，就容易理解和解決遇到新知識及新問題。要實現(xiàn)一般原理和態(tài)度的遷移，必須精通學科的基本結構。特殊遷移和普遍遷移課程結構理論核心思想總之，布魯納的課程結構理論核心的思想是：如果你理解了知識結構，你可以獨立前進，你無須與每件事物打交道，只要掌握某些原理你就可以推斷事物。如建筑物的結構原理等。搞清結構有利于使學生這樣的“新手”變成“專家”。但并不是只要將知識結構傳授給學生后，就能有效的學習。有效的教學是考慮到學生的認知結構與所學新知識的結構之間建立起有意義的、實質性聯(lián)系，這樣學生才有可能真正理解所學內容并加發(fā)應用。第三節(jié)“學習循環(huán)”與科學教學施瓦布從科學及其科學探究的本質的角度提出了以探究為中心的教學思想——即學生學習的過程應與科學家進行科學研究的過程相一致。他認為，在以探究為中心的科學課堂里，學生不是被動地接受書本知識和科學理論，而是尋求科學理論或規(guī)律建立的證據；教師的任務不再是簡單地傳授知識，而需考慮如何提問、如何尋求證據評估學生的探究學習成果。為了做好探究式的科學教學，美國人找到了一種模式，就是“學習循環(huán)”?！皩W習循環(huán)”正好與探究為中心的科學教學結合起來，下面我們就來了解它們是如何結合的?！皩W習循環(huán)”，起源于美國20世紀60年代“科學課程改進研究工程”，現(xiàn)今美國小學科學教學中廣泛應用。幾十年來的實踐和研究證明這種學生自主探究和教師講授相結合的教學方法在小學