初中生对水循环前概念的研究外文翻译资料

初中生对水循环前概念的研究

作者：Orit Ben-zvi-Assarf Nir Orion

单位：The Science Teaching Department, Weizmann Institute of Science, Rehovot, 76100, Israel ntorit@weizmann.ac.il

The Science Teaching Department, Weizmann Institute of Science, Rehovot,

76100, Israel nir.orion@weizmann.ac.il

文摘：本研究探讨初中生对水循环的认知。研究样本包括以色列六所城市学校的1000名初中生(7-9年级)。数据收集基于一系列专门为本研究开发的定量和定性研究工具。调查结果表明，学生理解各种水——生物——地质过程，但大多数学生缺乏对动态和循环的系统认知。此外，他们对水循环的描述还不完整，包括对水循环有着许多前概念和误解。所研究的大多数样本人群都知道水循环的大气部分，但忽略了其地下水部分。甚至他们认为在水循环中包括地下系统的地下水是静态的。调查结果反映了科学课程中处理水问题的传统学科方法。这项研究也意味着需要进一步研究初中生的认知能力，以应对循环系统思维，以及探索可能发展或激发这种能力的活动。

介绍

目前的研究调查了初中阶段课程单元的发展，其中水在环境背景下的主题，即“地球系统内的水循环”被选为主要概念。

Kali, et al.(2003)建议与水圈有关的环境议题应在水圈与地球系统其他组成部分之间的关系范围内提出。例如，水循环是一个复杂的系统，为了使学生有意义地理解地球，他们必须了解地球各生态圈之间的关系：如(A)水和大气圈和地球圈（如通过海水溶解和沉淀的化学风化）；（B）水圈和大气（例如蒸发和冷凝）；以及（C）生物圈和大气(例如蒸腾)。

根据建构主义方法，有意义的学习过程包括根据现有的思想和信念解释新信息(Driver and Oldham，1986)。此外，我们最初的许多信念和看法与公认的科学观点有很大的不同。因此，在过去的几年里，我们对科学教育进行了大量的研究。几十年来，专注于识别这些“误解”或“替代概念”(Greeno，Collins和Resnick，1996)。此外，这种方法还表明，任何课程开发工作都应该首先进行一项发展前研究，以便找出与特定学科相关的任何误解、先入为主的观念和学习困难。

下面的文献综述将讨论学生对水循环看法的研究，这些研究涉及到三种可能的框架来源：(A)源自教学方式的替代框架，（b）从认知方面得出的替代框架和（c）从教学的角度得出的替代框架。

源自教学方式的替代框架——文献表明，学生们把水循环过度简化为水从云到海，再回到云的往复过程。例如，使用SED的储备网格方法的Fetherstonhaugh和Bezzi(1992)在报告中说到，学生描述地下水为“不运行或移动”和“在不透水的岩石中捕获的水”。同样，Agelidou等人(2001)在报告里提到，大多数学生在他们的研究中认为地下水和地下湖泊是静态的。

毫无疑问，上述替代框架的一个主要来源是理解隐藏的现象和过程(发生在地下)所需的抽象层次。似乎学生的地下水心理模型是由他们对上层水系统的实际经验所决定的。Marques和Thompson（1997）研究了葡萄牙中学生对地球科学其他方面的看法，得出了类似的结论。他们发现，为了解释“水的深度和质量变得更大，朝向海洋中心”，学生将碗的相似性结合起来。马奎斯和汤普森建议学生使用与他们自己的经验相关的外部可观察的特征解释隐藏的过程和现象。Marques和Thompson建议学生使用与他们自己本身的经验相关的知识点来解释隐藏的过程和现象。 Agelidou等报道了类似的结果。 （2001）认为，当试图构建水循环的有效表示时，经验主义造成障碍，因为循环的复杂概念并非基于经验事实。更具体地说，他们认为这个障碍也可以解释为什么大多数学生产生水循环方面的缺陷，例如缺乏对地下水，大气中的水和活生物体中的水的理解。

认知驱动的替代框架——Kali, et al.(2003)认为学生对地壳运动和循环性质的理解，是受他们思维中组合能力的影响。循环思维是能够感知物质在地球系统内部和地球系统之间的转变，是一个循环过程的一部分。在循环过程中，物质的能力总是守恒的。这种感觉还包括循环是没有起点或终点的(Gudovitch，1997；Kali，等人2003)。然而，大多数已发表的关于学生对水循环看法的研究，并没有考虑到水循环动力系统的性质。

Orion(2002)和Gudovitch(1997)指出了在地球系统的教育方法中所涉及的认知方面。这些认知方面包括高阶思维技巧，例如系统循环思维在不同地球系统内部和之间对过程的大小、比例和速率的看法。同样，Agelidou等人(2001)利用学生感知慢过程种遇到的困难，这些过程在未被肉眼捕捉到的空间间隔中演变，这也就解释了为什么大多数学生在他们的研究中没有觉察到水引起的侵蚀的结果。学生们对水循环的认识表现在他们的描述一个循环的例子中，它指的是时间周期--生命周期和季节周期--而不是物质方面的周期。Boschhuizen和Brinkman(1995)研究了另一个15-17岁学生的样本，他们报告了类似的发现。他们的研究表明，只有不到10%的学生将概念循环和地球循环练习在一起，如水循环、气候变化或碳循环。这些结果表明，大多数学生进入初中是没有形成有效的心理模型，这使得他们只能够处理环境中一部分的循环。

从教学环境中衍生的替代框架——与学生对水循环中的地球圈成分认识不足形成对照的是，八年级和九年级的大多数学生在调查问卷中指出，蒸发是一个可以熟悉和理解的过程。此外，Bar(1989)和 Travis(1991)研究了5至15岁的以色列学生对水循环的大气成分的看法。他们发现在人们11岁左右时，凝结和蒸发的感觉是同时形成的。

Fetherstonhaugh和bezzi(1992)报告说，初中生在理解蒸发过程的自然背景下表现出了困难，并认为“当太阳出来时，就会产生水蒸气”。BAR(1989)和Travis(1991)认为，理解相变的物理概念，取决于对水和空气的保存能力的发展，同样，Johnson(1998 A)和Johnson(1998 B)建议，学生理解水的状态变化的基础应该是理解“粒子模型”，它强调物质的微粒性质。Bar和Galili(1994)和Johnson(1998年)都表示，尽管一些学生确实了解物质的粒子模型，但他们仍然很难解释自然蒸发的过程，在现实中，赫德(1998)认为，学校的大部分科学课程都是描述性的，侧重于法律、理论和被认为是独立学科的概念。相比之下，“现场”课程使学生们有了参与自身发展的感觉，并认识到他们运用所学知识的能力。

目的

本研究的目的在于揭示学生使用的替代框架，以了解水循环的各个方面。更具体地说，我们定义了以下两个研究目标：

1.了解初中生对人与水循环关系问题的以往知识和理解。

2.探讨学生对水循环性质的认识。

方法

样本——研究的样本人群包括来自六个不同以色列城市学校的30个班级，大约1000名初中学生（7~9年级）。

这个样本中的所有学生总体上了解了水的一般情况，以及在小学里，水循环是一个关键概念。然而，存在的模块主要强调地面上的子周期，在物理上（如蒸发，凝结和降水）一些教科书还涉及水的环境或生物方面。然而这些主题并未纳入水循环框架。另外，这些模块主要是基于文本的，并且只包括一些实验室或室外的实践活动。

研究工具与数据分析——数据收集是基于专门为这项研究开发的一系列定量和定性研究工具。为了检验学生在水循环方面的前概念知识和理解，采用了放大式分析方法(Gudovitch，1997)。用定量研究工具对一个大样本进行定量研究以获得的总体图，来了解学生知识和认知的总体情况。后来，定性研究工具被用于较小的样本，是从较大的样本中随机选择。目的是了解学生的知识“误解”或“替代概念”，也验证了定量工具。

本研究采用了五种研究工具：Likert型问卷、开放式问题、绘图、词联想和访谈。这些工具的开发和分析的详细描述出现在BenZviAssarafamp;Orion(2005)中。

Likert型问答——为这项研究专门开发了四种不同的问卷。在所有的学生中，学生们被指示以1-5的等级来列出他们的声明清单。由于各种表述有不同的数字，为了便于比较，它们被标准化为100％的等级，并且在本文中展示出来。

地下水动态自然问卷（GDN）：了解学生以前对地下水系统的动态特性及其与人类环境的关系。

循环思考问卷（CT）：识别学生以前对水圈循环性质的认识和地球系统内物质守恒的看法。

全球量表问卷（GM）：确定学生以前对水循环各个组成部分数量的看法。

评估学生知识问卷（ASK）：识别学生以前的看法。

绘图分析(DA)——在目前的研究中，学生们被要求画水循环图。他们被要求从一个给定的水循环阶段和过程的列表中尽可能多地纳入在他们的图纸中，使用Rennie和Jarvis(1995)和BenZviAssarafamp;Orion(2005)编写的编码框架对学生的图纸进行了分析。

词汇协会（WA）——在目前的研究中，学生们被要求写下他们熟悉的水循环的所有概念。这些概念后来根据BenZvi Assarafamp;Orion进行了分类(2005)。

访谈——对40名学生进行访谈，一旦他们的问卷调查被分析，所有学生都必须阅读他们自己的答案，并说出他们是否仍然同意他们的图纸或他们对调查问卷的回答，并详细解释他们的答案。

结果

由于在研究工具的评分中没有显著差异，我们将不同年级的数据合并成一个样本。以下是五大指标下的数据分析，从访谈内容分析中得出的结论。

学生对水循环各组成部分的认识——这一发现表明，大部分学生都有一个不完整的、幼稚的、对水循环的看法，存在着许多误解。图1出示了典型的附图，其中学生只考虑水循环的大气成分(即蒸发、凝结和降雨)，而忽略地下水成分(图2)。对177幅图纸的分析表明，即使学生熟悉相关术语，还是有70％的学生也没有将地下水确定为水循环的一个组成部分。不到10％的学生包括了生物圈的组成部分，如人类，动物和植物。同样，少于10％的学生包含了反映人类与水循环之间相互作用的组件，如耗水量，住房，水井，污水和水污染。

对单词联想问卷的分析显示，最常见的概念是发生在大气中的概念，即雨，云和蒸发。不到三分之一的学生提到与水循环的一个或多个其他组成部分有关的概念，如地球圈，生物圈，状态变化和地球现象，如气候和天气以及环境因素。

学生对水循环动态性的认识——对学生图纸的分析表明，67%(占整个样本的50%)的学生将地下水描述为静态的、次级的--- 水面湖。此外，他们认为地下水是一个不相连的系统，其中的水与周围的岩石没有任何关系。此外，只有三分之一的学生画出了水运动的垂直动力学模型，而其中大多数描述为地下河流(图3)。对45次访谈的分析表明，只有21%的学生认为穿透岩石的雨水可能水平地向海洋移动。

通过对地下水动态自然调查问卷(GDN)的分析，发现只有25%的学生构思了科学的地下水资源模型。 在多孔岩石中的移动(表1第1项)