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帮助学生学习分子运动理论

帮助学生学习分子运动理论:论教科书应该如何改进

  AAAS“2061计划”初中科学教材评估

• 初中科学教材评估
• 评估的主要概念
教材在教学引导方面的质量评估标准
 帮助学生学习分子运动理论
• 教学引导方面的评估等级

  我们在下文中列举了几个实例,用来说明教材在帮助学生学习分子运动理论的重要概念时应该起到的作用。所列举的五个方面是从“2061计划”教材评估程序中摘取的五大标准,虽然我们对教材的这五个方面是分别进行检验的,但是在介绍关于教材的“完整的故事”时需要全面论及这五方面的情况。与其它任何“完整的故事”一样,只有所有内容都纳入其中,“故事”才有效果。

教材应该帮助教师全盘掌握学生理解力

  在针对这一标准的评估中,只有《物质和分子》被评为优秀。这份独立成册的教材列出了学生学习过程中容易误解的所有概念,并一一作了解释。例如,教师用书中给出了以下信息,解释很多学生是如何理解“分子运动”的:

  “学生在理解分子永动方面也有困难。分子是永动的,虽然有时分子运动是不可见的,比如在象‘冰’这样的物体中的分子运动。许多学生认为,液态水里的分子是运动的,因为液态水在流动,但是冰里的分子是不运动的,因为冰是不动的。学生难以理解分子永动这一概念,首先是因为它与学生的感观相矛盾,其次是因为他们从来没有遇到过像分子那样的小到不会受到摩擦影响因而可以保持永动的物体。

  这段话给出了学生对概念的误解并作了说明,还解释了学生为什么会误解,以及需要改变学生的哪些观念才能使学生理解和相信“分子永动”这一科学概念。

  与此相反,有些教材的教师用书上虽然注出了“易误解”或“易受过去知识影响”的概念,但所提供的信息用处不大。下面仅列出几个其他教材中意在提醒教师掌握学生关于分子运动理论的理解的实例:

学生易混淆的术语:原子和元素
《麦克米伦•希尔科学》,第32单元,第46页

学生可能会将“物质”理解为他们所能见到的东西。
《科学天地》:探索物质和能量,第135页

  这些实例就学生关于分子运动理论的理解为教师提供的信息非常少。第一个例子只是介绍各个术语,第二个例子只是列出误解概念而并未给出相应的解释,甚至没有提到其它一些众所周知的学生对概念的错误理解(如物质是连续的或分子是在物质里面的等)。如果教师(或者教材编写者本身)不了解这些学生易误解的概念,就很难提高教学质量。

教材应提供大量科学现象作为案例

  科学现象是指可以用科学来解释的事件。科学在很大程度上就是用很少的原理或概念来解释现象。要让学生认识到科学的解释力,首先要让他们对什么是科学可以解释的现象有所认识。《物质与分子》和其它3本被评估的教材中提供了令人满意的大量与分子运动理论相关的物理学现象。例如,为使学生更好理解“原子和分子永动”这一概念,《物质和分子》和其他3本教材分别列举了以下这样现象:

  • 当空气被压缩在一个注射器内时,它会对柱塞产生反推力。
  • 气体(如香水)均匀散布在一个房间或容器内。
  • 液体(如食品色素或茶)均匀分布在容器中,而不是沉到底部。

  遗憾的是,没有一本教材提供了帮助学生理解(更难理解的)关于固体内粒子永动概念的现象作为案例。例如,只要花上一段比较长的时间,就可以观察到类似金与铅之类的固体物质之间的微量混合。

  但是,仅让学生观察现象还不够!还要帮助学生理解和体会现象与科学概念之间的联系。

教材应该引导学生进行解释和推理

  在所有被评估的教材中,只有《物质和分子》很好地引导学生解释相关现象并进行推理。

  例如,当学生看到空气可以被压缩在一个塑料注射器内,同时又在书中读到“大量的空气可以压缩在一个小小的容器内”之后,教材会以提问的方式引导学生去思考所见到的现象。下面这个问题就是引导学生对他们通常认为的“分子不会永动”这一错误概念深入思考。

  “我朋友说给单车轮胎打气时,在单车轮胎阀门附近会有更多的空气。你同意吗?为什么?”

  另一堂课上,首先让学生们观察,虽然茶叶袋中的糖粒(用放大镜)看起来非常大,不可能从糖茶袋中漏出去,但甜味却能够“出去”。他们会试图解释糖是如何“出去”的。然后再让他们读教材上的文字说明:

  “你是说你可以看到茶叶袋下的波纹并尝到水中的甜味吗?是的。我们虽然看不见微小的糖分子或水分子,但我们可以品尝到水中的甜味。糖不会消失,只是糖粒分解成了相互分散的、微小的分子,所以我们看不到糖粒了。我们看不到糖粒并不意味着它消失了。水是甜的,所以糖肯定还在。

  糖是怎么从茶叶袋里出去的呢?茶叶袋的细孔虽然远远小于一颗糖粒,但远远大于糖的分子。当水分子冲撞固体的糖粒时,糖粒就会迅速分解成分子并与水分子混合在一起。这些微小的分子是可以轻易穿过茶叶袋细孔的。”

  最后,再给学生提出下面的问题,以便在正式讲解概念之前,了解他们关于分子运动通常会有什么样的误解(如认为分子不是永动的,只有分子构成的物质运动时分子才运动):

  “如果将这杯糖茶放一个晚上,糖是会浮到杯子的顶端,还是沉到杯底,或者是在水中均匀分布?请试着用分子的理论来解释。”

  任何其他教材都没有《物质和分子》一书中这样的有特点的提问,因此在这方面的评估结果都不太好。

  当学生开始理解某个概念时,要为他们提供各种各样的机会来应用所学的概念。

教材应该提供各种实践让学生运用科学概念

  针对绝大部分被评估的物理学概念,在提供充足的且多样化的实践活动方面,《物质和分子》一书在所有教材中获得了最高的评价。其中包括要求学生描述并解释身边各种现象的这种比较新颖的实践活动。要解释现实生活中的现象往往需要不止一个科学概念,这就在复杂性上增加了学生解释现象的难度。例如下面这些(从书中各处摘出的)问题就要求学生从主要运用“分子运动理论”这一个概念,扩展到同时运用这一概念及相关概念。

  • 画图证明水分子是如何运动的。
  • 冰里面的水分子会不会运动速度减慢直至静止?
  • 如果希望一种物质溶解得更快,,应该把它混进热水还是冷水?为什么?
  • 请解释:你在房间的另一头,为什么仍能闻到开口瓶内的醋味?进入你鼻子里的到底是什么?醋分子是怎样进入空气并到达你的鼻子的?
  • 食物用塑料薄膜包装后放入冰箱(或盛汤的砂锅在炉子上煮热——未煮沸,砂锅盖着锅盖)时,水会蒸发然后凝结。水蒸汽从哪里来,又在哪里凝结呢?水分子如何从蒸发的地方到凝结的地方呢?

  相比之下,其他教材没有提供或是只提供了很少的实践活动,而且提供的通常也只是如下例所示的类型:

    随着温度的增加,物质粒子的平均_______增加。
    (A)动能(B)势能(C)比热(D)质量
    《格伦科物理科学》,第148页。

  类似的所谓实践活动还出现在这本教材的134-135页上。这种填空只需抄抄课本就行。唯一一本提供了几个还算不错的实践活动的教材中,也没有将这些实践活动贯穿于一系列科学概念中,而这种连贯性正是物理学分析的基础。

  但如果学生不了解实践的目的,实践又有何益处?(设想一下在你从来没有看过正确的蛙泳姿势时要你练习蛙泳)!因此,“2061计划”中有一项标准,检测教材是否向学生演示了如何应用科学概念,而不是让学生自己去勾勒关于科学概念的正确解释。

教材应该说明如何应用知识进行实践

  在这个方面,只有《物质和分子》一书获得了较高的评价。教材中首先向学生展示如何解释科学现象,然后,在学生们天马行空地解释整个世界之前,用简短的科学阐释对他们进行指导。
该教材的编排顺序是:(a)宣布实践开始;(b)逐步进行实践;(c)提供判断实践质量的标准。

  “蒸发是怎样发生的呢?让我们试着用分子理论来解释。你知道分子在液态水中是不断运动的,同时水分子间的引力使分子聚集在一起。但是你可能不知道,分子在水中移动速度各不相同。一些分子运动得非常快,而其他分子移动速度要慢得多。

  如果一个快速移动的分子到达水的表面会发生什么?逃逸!它将摆脱其它分子对它的强大吸引力,从而在空气中变为一个水蒸气分子。如果所有的水分子都这样逃逸,那么这些水就会“干涸”。液态水变成水蒸气浮在空中,使空气更加潮湿。”

  学生在教材前面部分读到的很好的科学解释(如下所示)有两个特点:(教师应把这两个特点作为衡量自己和他人进行科学解释的标准):

  “你已经了解了一些关于科学解释的知识。要对科学现象作出正确的解释,经常需要提到分子:需要提到分子运动的方式以及分子在固体、液体和气体中排列的方式;需要清楚正在讨论的是哪种类型的分子;需要分辨正在发生变化的是什么物质,以及它是如何变化的。”

  换言之,一个很好的科学解释应该至少能对以下两个问题给出回答:
  一个关于物质的问题:哪种物质在变化以及它是如何变化的?
  一个关于分子的问题:物质内的分子发生了什么变化?
     当学生刚刚开始练习解释科学现象时,就提醒他们注意科学解释的相关标准,并询问他们认为自己的解释是否达到这些标准的要求。随着学生对教材的学习逐步深入,就可以减少提醒他们注意标准的次数,这样一直到学生能够自己完成对相关现象的科学解释。在这一方面,没有任何其他教材像这本教材一样令人满意。

  请继续阅读:《教材在引导方面的质量等级》 (原文)

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