在小学水平促进关于光的科学知识和推理能力发展的教育

421第10章在小学水平促进关于光的科学知识和推理能力发展的教育ShirleyJ.MagnussonandAnnemarieSullivanPalincsar当孩子们在外面玩耍或者玩看起来是新奇的材料的时候，他们可能会问这样的问题：它能做什么？它是怎么工作的？它摸上去什么感觉？我能用它作什么？为什么会发生这样的情况？这天生的好奇心和对他们周围世界的探险导致一些人把孩子称为“自然”的科学家。当然这些问题也正是科学家们真正从事的。而孩子毕竟不是科学家。关于世界是如何运转的好奇心使得孩子们从事科学相对容易，他们倾向于观察和思考（见第一章，Box1-1）是把孩子们带入科学殿堂的有力工具。但是在孩子们不经意间从事的观察和推理与科学家们受过训练的努力之间有着大量的不同。我们如何帮助学生发展科学已知的思想和方法？向学生介绍科学文化——推理的种类，观察和测量的工具，依据的标准，以及科学知识生产背后的价值和信仰——是主要的教育挑战。而我们和其他人的工作使我们意识到，孩子们能够成功的承担这样的学习挑战，即使是在最早的最基础的年级里。422学生是如何学习的：教室里的科学光学学习不像数学，数学主题像整数算术是有理数学习的基础，而他们又都是函数的学习的基础，在科学特有主题的选择和顺序上少有共识，尤其是在基础水平上。什么明显的是后面科学学习的基础，是学习从事科学探索意味着什么——学习不经意的研究和科学研究之间的不同。这种学习可以在许多不同的特有背景下完成。在这一章，我们选择光作为我们的中心主题因为它提供了几个好处。第一个好处是实践中的：这个主题涉及的相对简单的概念，孩子们可以在用相对简易的设备的研究中了解。举例来说，我们的身体和太阳造成的影子可以被学习，相似的学习可以发生在普通的手电筒和教室里的材料间。铅笔和纸，可能还有一些测量距离的方法，这些就是数据收集所需要的全部。孩子们也可以用简单的光学盒子来学习光学，（基本科学学习的光学单元）在它里面灯泡被放在纸板盒子里，纸板盒子的开口被建筑用纸遮光板覆盖以控制从盒子里发出光的数量。遮光板的狭缝产生的细光束是学习光的反射和折射所必需的。多样的被不同颜色玻璃纸滤光器覆盖的宽开口使我们可以研究各种颜色光的混合。并且再一次的，铅笔和纸是反映光的路径的数据收集所需的全部。另外，发展关于光的科学知识给我们带来了对我们不能直接体验的世界的样子形成概念的挑战——这对很多科学学习来说是个关键因素。例如，光在传播，而我们没有看到它这么做；当我们在暗处打开手电，并且看到光斑越过了空间，我们推断它传播了。发展科学知识经常需要观念的改变，它使我们达到以新的方式观察我们的物质世界。学生们必须认识到事物并不总是如它们看起来的样子——这本身就是一个很大的观念上的飞跃。光学学习给了孩子们一个可达到的机会来不同的看待世界，并且向他们的现有观念挑战。我们看到我们周围的世界因为光从物体反射到我们眼睛里，而我们并没有感觉到我们看到的是反射光的结果。此外，一些孩子把影子看作物体而不理解影子是由于光被挡住形成的。观念上的发展是必须的，如果他们要理解光源，物体，以及物体投射的影子之间的关系。用手电筒的活动在提供给他们一个关于科学认知方法的强有力的早期经历的同时，也能提供给孩子们一个挑战423日常关于影子的直接观念的机会。因为不经意的对光的观察行为会给人错误认识，但是一个相对可行的光学研究会是具有启发的，光学学习表明了不经意的观察和实验间的差异。由于以上这些原因，光学学习帮助孩子们理解物质世界的关联不是不证自明的，以及从对于世界的观察建立起的科学知识与他们的日常推理是不同的。当把人们如何学习的原理应用于光学学习的时候，相似的有三个主要的教育挑战：（1）给学生们提供机会，发展深入的观念上的对作为目标的光的样子的理解，以及研究和绘制结论的科学标准和规范（关于光学和更普遍的）；（2）帮助学生在原有的知识和经验的基础上建立和发展科学观念；并且（3）鼓励学生提出从事科学实践必须的他们自己思考出来的问题。概念理解人们如何学习的理论告诉我们，理解的学习需要对中心概念周围的知识进行组织。因此，当我们以易于使用的工具和大量对于光的行为的观察的机会来学习光时，如果教室活跃的对于这一章的描述只是简单的一套经验和观察，它将很难给学生们留下深刻的知识。许多个人行动的经验（例如看到木头反射的光又被镜子所反射）不能确保学生理解关于光的概念，进而使他们可以在广阔的多样的环境中预测光的行为。因此，这一章教师最主要的任务是引导学生观察，推理，理解，直到核心观念被领会。什么是我们认为的观念上理解的中心？根据上面的建议，抓住日常的观察和推理与科学的观察和推理之间的不同，不仅仅是光学教学步骤的中心，也给进一步的对科学的学习打下了极为重要的基础。显著的观念包括以下几点：●科学团体对于理解，交流思想以及解释世界如何运行的标准和日常标准是不同的。科学要求仔细观测，包括正确且精确的记录，以及建立符合事实的模型。●观测的模型作为知识主张被声明。424●主张由可以明显证实或证伪它们的性质来评判。●猜想只有经过检验，才可以取得主张的地位。●主张是挑战的题目，而不被认为是新的科学知识，直到科学团体接受它们。这些理解，是未来一切对科学的学习的基础。还有一些我们希望学生掌握的关于光的主题的核心观念。不过，这些将根据年级水平和投入这个主题的时间数量稍作调整。这些观念包括以下几点：●所有物体（我们日常生活中接触的）反射和吸收光，一些物体还可以传播光。暗的或黑的物体主要吸收光；浅的或白的物体主要反射光。物体反射的光和它所吸收的光之间存在着相反的关系：更多的反射光意味着更少的吸收光。●光在物体上的反射遵循一种特殊的方式：光的入射角等于光的反射角。●我们实际看到的是被物体反射的光。我们要看到物体，必须要有一个光源。照明的光源要么能够产生光（例如太阳），要么能够反射光（例如月亮）。●当一个物体挡住了一个光源，就形成了一道影子。阴影是黑暗的，因为没有光能够到达那里再反射到我们眼睛里。物体到它所挡住的光的光源的距离，决定了它影子的大小。物体影子的形状取决于其对着光的角度，所以物体的影子可能会有多种形状。物体的颜色就是他所反射的光的颜色。不同颜色光来源于白光，它可以被分成多种颜色。物体的颜色取决于它反射和吸收白光中特定颜色光的范围。其他概念——例如自然光既是波又是粒子——超出了小学生需要理解的范围。但是教师需要知道这些中心概念来有效的解决可能出现的问题，就像我们将在这章的稍后讨论的那样。425原有知识学生们把许多关于光的原有观念带到教室。它们中的一些，改变起来相对简单。例如，一些学生相信影子是一个物体，但是这个观念不是根深蒂固的，简单的光学实验可以提供令人信服的反面的证据。其他科学上的错误观念并非都这样容易被简单的实验所改变。一个非常普遍的信念是光只被有光泽的物体反射，像镜子和有光泽的金属。这完全不会使人惊讶；有光泽物体的反射是相当的明显，而观察无外在光泽物体的反射需要一个工具（例如，一个简单的装置像一张纸恰当的放置来显示反射光，或者一个更复杂的装置像一个电子测量仪来测量光的能量）。事实上，自然光困扰了科学家几个世纪。我们理解它所面临的挑战部分在于光的行为和作用并非简单的由我们的感觉所决定。光对于我们来说传播的太快了，以至于我们看不到它的传播，并且我们观察到的光，像日光和星光，传播了极遥远的距离，却并没有提供它到达我们这里所花费时间的直接的证据。科学家们已经测得光有压力作用，但这不属于我们可以感知的范围。我们看到东西是由于光反射到我们眼里，但是我们没有办法直接体验它。我们一般认为颜色是物体的固有特性，因为我们不能体验实际上发生的事情：我们看到的颜色是物体反射光的颜色。此外，把握这个概念需要理解白光由被物体不同程度的吸收和反射的多种颜色的光组成。如果没有被反射，我们看到黑，如果全部被反射，我们看到白，这与我们把彩色颜料混合在一起获得深色的经验是相反的。最后，说明自然光十分复杂最强有力的证据可能是科学家们用两种差别迥异的模型来描述光：粒子和波动。因为日常经验加强的观点与科学理解有着相当大的差异，培养观念上的转变需要帮助学生注意结论是怎样由他们观察到的现象推理得到的。由于这个原因，本章我们建议的教学方法是提供给学生很多机会来提出和检验对知识的主张，以这样的方式来检查足够多的他们自己的或是其他人的推理。不过，再一次的，老师的任务是评论性的。正如我们将看到的，对学生起作用的原有观念可能导致他们简单的注意力不集中，很快的解散，或者不相信他们没有期望看到的东西。426认知之后小孩子们，甚至很多成年人，设想事物是它们看起来的样子，不需要进一步的质疑。光被物体反射仅当它们是有光泽的，也许看起来是正确的，而且不需要进一步的质疑。然而，科学是怀疑的学问——即使是一些看起来显而易见的事情——因为解释自然是科学活动的中心。因此寻找为什么有光泽物体反射光的解释必须包括对为什么无光泽物体不反射光这一问题的解答。当然，这样的研究将产生可以驳倒只有有光泽物体反射光这一错误观念的证据。于是，孩子们从事科学，就意味着从事全新的质疑事物的方法。甚至意味着要求他们质疑我们中的大多数日常生活中不会质疑的方面。这意味着怀疑我们从对原有观念进行证实的证据中感到的特有的信心，并且自问在哪些方面证据是不完善的，可能会被另外的证据所反对。发展这样的思维方式，是科学教学的主要教育挑战。通过探究来学习光学头脑中装着上面的原则，现在我们转变为以教室中的研究行为或是基于探究的讲授来学习科学。我们相信，学生们直接观察现象的研究会起到若干重大作用。首先，当学生们做光学实验并且观察到他们不曾预期的现象，这种差异的经历会直接挑战他们错误的或者部分发展的观念。如果学生们要发展对光的科学的观念，他们需要许多机会来观察和讨论光在未曾预料到的方面表现出的行为。被设计持续数周的，允许学生们使用许多不同工具的探究能够提供这样的经验。当学生们进行把他们对于世界的理解与科学家们的想法统一起来的工作的时候，重复研究的过程这样的机会允许他们在新的背景下问相同的问题，以及在日益增加的理解的背景下问新的问题。在成功设计的引导性探究教育中平等重要的参与给了学生科学研究行为规范的第一手经验。但是探究是一个对时间和资源要求很高的活动，并且学生的研究并不总是得到支持目标知识的观测结果和经历。因此，我们把第一手的研究和第二手的研究结合起来，在第二手的研究中，学生们以假想的科学家的笔记本来看看她是在哪探究的，这样可以获得更复杂的工具的支持。这样第二手的探究提供了共同的研究经历，这种共同的经历允许教师把注意力引427导到科学家们从事的导致中心观念发展的推理过程的步骤上来。此外，它让学生们看到，当科学家们从事相似类型的探究时，更复杂的工具，更多的条件控制以及大量的样本数量对于那些具有普遍成立的信心的结论是相当重要的。通过有指导的研究进行的启发式的科学教学为了帮助理解我们教育演变的讨论，我们介绍启发式教学——一个思维工具——对小学老师进行有指导的探究教育的策划，实施和评估提供支持。启发式教学（见图10-1）[译者注：图略]，它与其他基于研究的步骤并通过研究进行的基础科学教学有着许多共同的特征，以各个阶段来表现周期性的教育。图10-1中全是大写字母的单词指出了阶段，带有箭头的线表示从一个阶段到另一个阶段的发展。汇报在这种教育观念中是最关键的阶段；这是一个各个学生的小组把他们研究的结果报告给他们的同班同学的机会。学生期待着报告他们的知识主张，他们在研究期间收集的论据使他们对为那些主张制造并提供证据感到有信心。这种期待给了学生的研究活动以责任，而这在简单的要求学生观察现象时是往往会缺乏的。为了建立一个主张，学生们将需要精确且正确的数据，并且图略图10-1有指导的探究性科学教学周期图428为了给全班一个有意义的主张，他们需要理解引起研究的问题和使他们的研究找到答案的方法之间的关系。从一个阶段引到另一个阶段的多重线表明科学研究活动的两个基本重点：产生描述这个世界如何运行的知识（外圈），以及产生和检验解释他们关系的理论（内圈）。汇