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1．科学教育中几个重要领域的儿童观念
在科学教育中对儿童的科学观念进行研究的传统可谓由来已久。早在20世纪30年代，皮亚杰就用“临床访谈”的研究方法调查儿童关于“世界”(1929)，“物理的因果关系”(1969)，“运动和速度”(1970)的观念，并在其他很多科学话题方面研究了儿童的观念。这些调查的起因是源于这样的认识：儿童的科学观念在科学教育中扮演重要角色。
从20世纪70年代起，对于儿童的科学观念的研究真正风行起来.如前文所言，芬特和杜伊特在他们著作的参考文献部分列举了1100多条这一领域的研究。起初，研究者的调查和研究重点只是儿童关于一些主要的科学话题的观念，如热、光、能量、力、化学反应、光合作用等等。也同时寻求在传统的教学干预下转变儿童的“前概念”。然而，借助对儿童的科学观念的研究，探讨科学教学的认识论基础、科学课程的编排及科学教学中的教学策略等科学教育的核心问题是以后才开始的。但无论如何，上述研究的基本假设都是儿童科学观念对科学教学有着极大的影响。
1．1光
在古斯尼对法国儿童的调查中，为了得到儿童关于“眼睛是不是光的接受者?”这一问题的答案，研究者拿出一只点燃的香，指着发光的一头问儿童：“它发光吗？”(以调查儿童是否认为视觉与眼睛对光的接收有关)，大多数被调查儿童(12~15)岁认为点燃的香并不发光，或者它即使发光，发光的距离也很近，远不如火炬等物体的光发射得那么远(因为香发出的光只能照得到离它很近的物体，而火炬等发的光则可以照得很远)，可以这样说：只有儿童能感觉到光带来的明显的效果，否则他们意识不到光，也不承认眼睛是光的接收者;还有的儿童认为我们要借助光以便能看到物体，而光不一定要到达眼睛(例如：有了光我们才能看到一只盒子，光的作用就是照亮物体使我们能看到它们)；另一部分儿童认为在看到发光的物体(香或者火炬)时眼睛是光的接收者，而我们能看到普通的物体(书本或衣服)是因为“视力”可以到达该物体，因为：我们能看到近处的书本或衣服，是因为视力可以到达对方，而我们看不到十五公里远的衣服和书本则是我们的视力还达不到它们。很明显，在这种情况下，儿童不把眼睛看成是光的接收者，而是把眼睛看成是主动的作用者。
图1展示了拉马多斯和德瑞芙对英国儿童，以及安德森和卡奇维斯特对瑞典儿童在对光的问题进行研究时使用的问题。表1对两个国家巧岁少年的回答进行了比较。不难发现，两国儿童所使用的概念模式是非常相似的。
表1在“光和视觉，任务中学生提供的最普通的想法
对上述三个国家儿童的观点进行归纳，可以发现：所有的儿童都把光看作是产生视觉的必要因素;但大多数儿童只是认为光能照亮物体，或者光能笼罩住物体和观察者。而在“看”物体时，眼睛与被看到的物体之间没有任何联系。另外对德国儿童(尽管有的儿童已经在校学习了光学的有关知识)关于“光”的观念的研究也显示出类似的结果。
英国的科学过程及概念探究(SPACE)研究报告对儿童的调查表明，关于眼睛在看东西时的作用，他们的观念存在着显著的相似性。尽管有些儿童己经过了认为如果他们隐藏起来或闭上眼睛那么物体就不存在了的年龄段，他们还是会把看的过程描述成他们的眼睛发出了光，这种光使得物体显现出来。图2中一个10岁儿童的绘画向我们展示了当灯被打开时人怎样能看到直立在桌上的瓶子。
图2“起积极作用的”眼睛
在一个由26名9到11岁孩子组成的班级中，有8个孩子画出了从眼睛到瓶子的箭头记号，有4个画出了从瓶子到眼睛处带有箭头记号的灯光，还有两个孩子像图3那样画出了双向的箭头.剩下的儿童(12名)的图画表明眼睛和瓶子之间没有任何联系。然而，他们的回答让人毫不怀疑他们已经做出了自己的解释，而这种解释与物理课给出的解释并不相同。
图3一个10岁儿童关于眼睛是如何工作的观念
把眼睛看成是积极的中介者而不是被动的接收者或许是可以理解的，因为这符合“看”的主观经验。当我们选择看什么东西时我们确实感觉到了我们眼睛的转动，就好像在这一过程中我们是积极的中介者，从接收者到物体的箭头也确实象征了视线。
图4代表了更低年级(7~9岁)儿童的回答。整个班上的27名儿童中除4人外其余的都画出了光线延伸到了眼睛和瓶子上，但瓶子和眼睛二者之间并无联系。儿童对这一情
形的解释并未考虑到为了能看到物体，有必要让灯光投射到物体上又被物体反射，或者被物体发散。皮亚杰的早期著作表明9岁和10岁儿童并未把夜晚的黑暗和缺少阳光联系在一起。而是把通过把黑暗描述成夜晚来“解释”它，而夜晚的来临是因为人们感到累了需要睡觉。
因此，儿童对被看到的物体和看物体的人之间关系的理解取决于他们对各种日常观念的联系以及他们对存在于这些观念内部的规律性的注意：
●当太阳消失时天空就变得黑暗
●投射到物体上的光线越多，这个物体看起来就越亮
●如果你想在黑暗的房间看到东西，你就要用灯来照着它而不是照着你的眼睛，等等。
图4一名8岁儿童关于“我们是如何看见”的观念
不难发现，在各个研究中，儿童的观念都有很大的相似性，儿童往往以自我为中心来解释周围的各种现象，通常情况下他们的观念与目前公认的科学观念不同:他们没有考虑到光线必须投射到物体上，然后经物体反射，才能被眼睛所看到。
1．2电及简单电路
来自法国和新西兰的研究者对儿童在接受科学教育之前有关电及简单电路的观念进行了调查。他们要求8至12岁的儿童利用几段电线和一节电池设法让一个灯泡亮起来，结果很多儿童无法完成这一任务，典型
的连接方式如图5所示。
对于尚未接受科学教育的儿童来说，在电学方面知识贫乏是可以理解的；但令人担忧的是，一些研究者对瑞典的即将初中毕业的中学生进行了大样本的抽样调查，对于同样的问题，他们的调查结果与上文几乎没有区别。调查结果显示:绝大多数儿童将灯泡看成是一个单向的接收器。看来，儿童在接受科学教育前以及接受科学教育的过程中自始至终认定电池是电源的提供者，而灯泡是电流的接收者。他们认为电流，能量，电压等贮存在电池中，然后流向灯泡供其消耗。在这一过程中，电池很显然被看作是主动的给与者，灯泡被认为是被动的接收者，或者干脆也把灯泡看成是主动的索取者：它从电池中索取所需能量。德国学者对13至15岁的儿童的调查表明，85%的被调查者(已修完电学的入门课程)赞同以下叙述：在每节新电池中都存有一定量的电流……电池中的电流会在一段时间内被用电器消耗殆尽。
图5儿童对电路观点的4种典型例子
英国的SPACE研究报告也清楚地表明，儿童要么简单地认为电池和灯泡之间只需要一根电线进行连接，要么有些较为复杂但仍然无法使灯泡变亮的错误观念(图6) 。
通过对以上两个科学课的重要主题的儿童观念的考察，我们可以发现：每个儿童关于某一科学话题的观念并不是独一无二的，在不同国家的调查有着相似的结果说明儿童的科学观念也不是仅仅依赖于文化的影响，而同时也受个体与现象之间的互动的影响，生活中儿童与现象之间的互动，使儿童建立了与之密切相关的概念图式。来自尼泊尔的研究者将本国儿童对于地区的概念所做的调查结果与美国儿童的调查结果进行比较后，做出了以下评述：“重要的不是尼泊尔的孩子在获得概念方面慢，而是这些观点的发展在差异如此之大的文化背景下所具有的相似性。”既然如此，对儿童科学观念的基本特点进行总结，并根据儿童的科学观念设计教学是应该而且必要的。
2．儿童的科学观念的基本特点
在众多的研究文献中，研究者或文献作者都或多或少地对儿童观念的特点进行了评述。根据温•哈伦对儿童观念的特点的总结，并参考《儿童的科学观念》一书中作者的判断，本文总结了儿童的科学观念具有以下特点：
①儿童往往将自己对事件或现象的推理和理解建立在可观察得到的一些特点上。在上文中，儿童认为光必须强到能产生可感觉到的效果，这时的光才是存在的，他们拒绝相信光是存在于空间的实体。同样，在生活当中，当糖溶解到水中时，他们会认为糖消失了，而不是像科学所理解的那样：糖依然存在，只不过以我们看不见的分子的形式存在罢了。
②儿童的科学观念具有片面性。儿童只关注事物的部分方面，不能对某种情况进行综合考虑；他们往往用系统中某一或某些组成成分的特点，尤其是一些显著特点，来解释某一现象，而不是从系统各组成部分的相互关系方面进行解释；此外，儿童还认为，只有改变了的才需要解释，而不变的则无需解释，它们就是“事物本来的样子”
例如，儿童会选择铁的容器而不是木制的或塑料泡沫容器来存放冰块，他们的理解是：铁是硬的，并且铁本身是凉的。他们根本不去考虑冰块和容器以及与周围空气之间的相互关系；再如，科学家把燃烧现象看成是燃烧着的物质和氧气的相互作用，而在儿童看来，一种物质或一个物体燃烧与否只取决于该物质自身的特点。
③儿童具有直线形因果思维方式。儿童会假定一个原因，该原因会按时间顺序产生一系列后果。这种思维方式会使儿童难以理解两个体系之间互动关系的对称性。例如，看到一个容器正在被加热，儿童会把这一现象认为是热源正在向容器提供热量；而从科学的角度看，这种情况是对称的：热源和容器在互相作用，前者失去能量的同时后者获得能量。而在上文有关电及简单电路的观念调查中，很多儿童认为电池只是提供能源，而灯泡是消耗能源的。此外，在科学家看来可逆的过程在儿童看来并非如此。例如，儿童能够理解吸收能量后固体可以变成液体，但通常很难理解液体变成固体的情况。
④儿童的“一般”概念。儿童使用的概念所包含的内容往往比科学家使用该概念时包含的内容更广。例如儿童在解释简单电路时，往往用一个概念(如电，电流或功率)，但这一概念兼具电流，电荷以及位差等若干个科学概念的特点.在有些情况下，儿童会无意识地从一个含义转换到其他含义上。
下面的例子可以证明这一结论：两个11岁男孩，提姆和里克正在做有关弹簧受力时延伸程度的简单实验。他们用在木钉上缠电线的方法自制了一个弹簧。弹簧的一端固定在夹钳上，另一端钓着一个塑料杯(图7)。
按照实验要求，他们一边往杯里加滚珠，一面研究弹簧的延伸情况。里克每次往杯里加一个小珠，加完后就测量一次弹簧的新的长度。提姆在旁边观察，突然他打断里奇“(弹簧)离地面有多大距离?把弹簧往上拉一下，看它是不是没有发生变化。”提姆把弹簧从夹钳中拿出，把它高高提过实验台，又测量了一遍长度。很明显他对测量结果前后相同感到很满意，他继续做实验。过后，但他被问道为什么那么做时，他解释说他开始以为这杯滚珠往上提时，重量会增加。为了解释他的推理，他拿起了两个弹球，把其中一个举得高于另外一个：“这个高高在上，它所受的地心引力更大——我的意思是地心引力相同但引力施加到高处的那个弹珠上的力量更大。越高处的物体受到的地心引力越大，因为，就像如果一个人站在那，有人向他扔过一颗鹅卵石，石头只会把他弄疼而不会伤到他。但如果我从飞机上扔石头，石头下降速度会越来越快，当这个石头打到他的身上，他就死定了。”
提姆有关重量的观念似乎包含潜在的能量的概念，这一观念导致他做出这样的预测：当弹簧离地面越远，会被重物拉得越长。当他分析使手推车在斜坡的不同位置保持不动所需要的力时，他用了同样的观念框架，预测到在斜坡的高处保持手推车不动比在斜坡低处保持手推车不动更费力。
这个例子不但表明学生的非正式观念是如何影响他们在科学课上的行为，也表明，在某些情况下，非正式观念不仅仅是对特定任务的特殊反应，它们也可能是应用于很多情况的一般概念。
⑤儿童的科学观念具有情境性。在科学家看来可以用同一种方式解释的现象，儿童往往有多种解释。同样属于光的反射的现象，儿童却会根据他们是否能在表面看到光斑而做出截然相反的叙述。在下面这个12岁学生在科学课上的所作所为也说明了一个事件可能有多种解释。
两个女孩正在做一个实验，在这个实验中一个浸入式加热器被放在相同重量不同材质的金属块中(图8，1为加热器，2为温度计，3代表金属块)。她们要按照工作表的要求画出每种金属块被加热时的温度一时间图。该实验的目的是阐明不同金属的热容不同。两个女孩选择了铁块和铝块来做实验，快下课时，教师让她们看她们绘制的图表，比较图表并对不同之处做出解释。下面是她们的交谈：
学生1：我们已经为铝块绘制了图表。
学生2：好，铝块并不是——嗯——它——
学生1：别忘了加热器要穿过那，不是吗?要能到有温度计的地方。
学生2：能到那。
学生1：快点，我们还要把东西放好。
教师介入了讨论。
教师：实验表明了什么?
学生2：不同的——嗯——不同的材料，还有我明白了热量是如何在金属中传播的。
教师：你发现了什么?
学生1：嗯——热量更容易穿过铁，比它穿过——嗯——
学生2：铝。
在这个事例中，两个女生进行了实验并收集了资料，然而从她们的交谈中似乎可以看出她们并不是从某种金属温度每升高一度所需的热量这一角度来解释两个图表的不同之处，而是从金属的相对传导性的角度来进行区分的。
⑥儿童的科学观念根深蒂固。有些观念长期存在并显著影响到很多情况下儿童的思维活动，如上文所说，这些观念来自于儿童的直觉和直线性思维，而且甚至在儿童接受了科学教育之后它们仍旧存在，这需要引起教师和课程设计者的重视。
既然儿童的科学观念都来自于儿童有限的经历，来自于儿童的直线性思维，也就是直觉，那么其中一些观念必然与公认的科学观念不同，因为公认的科学观念是“与直觉相反的”。此外，尽管科学课会影响儿童的知识，但“儿童思维的基本方面很难改变”。毕竟，“儿童为解释他们的经历而形成的另类观念是经过很长时间才得以确立，因此这些另类观念并非是一两节科学课就能改变得了的”。那么，改变儿童的某些不够科学的观念就是科学课的当务之急。
建构主义在理解儿童科学观念方面的重要贡献在于，它认为儿童已有的科学观念在他们理解教师讲授以及教材呈现的知识方面扮演重要角色;学习科学过程中所遇到的很多困难都源于儿童对所学的现象，所教的科学概念和原则的已有观念。这些观念与科学概念之间往往存在一定差距，甚至是背道而驰。儿童根据已有观念理解教师讲授和教材呈现的内容时，常常造成误导。而且，建构主义也承认：放弃已有的科学观念对儿童来说并非易事，因为这首先就意味着承认自己长期拥有一种错误观点。
传统的科学教学要么受洛克的“白板说”的影响，认为教师只管向儿童灌输科学知识；要么承认儿童在接受科学教育之前对一些科学话题已经拥有了自己的观点，但它对待儿童科学观念的方法是，不管儿童有什么“前概念”，科学教学只管用“科学概念”取代儿童的“前概念”，这实际是一种弃儿童的科学观念于不顾的做法。建构主义提醒我们，儿童不是空着脑袋进入科学课堂的，要尊重儿童的这些科学观念，因为他们在许多日常情境中形成的观念(不论对还是错)对于学习和掌握科学概念都是非常有价值的；但与此同时，科学教育要让学生领悟到:对同样的现象可以有不同观点，每种观点都有自身的价值和优势。科学观点在很多情境下比自己的观点更有说服力，更恰当。这实际上是一个促使儿童的科学观念向公认的科学观念转变的过程。前言部分提到的观念转变理论为儿童科学观念的转变提供了理论指导，就教学实践而言，探究式教学是促进儿童科学观念发展的主要手段。
学习感悟：儿童的观念都有很大的相似性，儿童往往以自我为中心来解释周围的各种现象，通常情况下他们的观念与目前公认的科学观念不同:他们没有考虑到光线必须投射到物体上，然后经物体反射，才能被眼睛所看到。每个儿童关于某一科学话题的观念并不是独一无二的，在不同国家的调查有着相似的结果说明儿童的科学观念也不是仅仅依赖于文化的影响，而同时也受个体与现象之间的互动的影响，生活中儿童与现象之间的互动，使儿童建立了与之密切相关的概念图式。儿童往往将自己对事件或现象的推理和理解建立在可观察得到的一些特点上。儿童的科学观念具有片面性。儿童只关注事物的部分方面，不能对某种情况进行综合考虑；他们往往用系统中某一或某些组成成分的特点，尤其是一些显著特点，来解释某一现象，而不是从系统各组成部分的相互关系方面进行解释；此外，儿童还认为，只有改变了的才需要解释，而不变的则无需解释，它们就是“事物本来的样子”。儿童具有直线形因果思维方式。儿童会假定一个原因，该原因会按时间顺序产生一系列后果。这种思维方式会使儿童难以理解两个体系之间互动关系的对称性。儿童的“一般”概念。儿童使用的概念所包含的内容往往比科学家使用该概念时包含的内容更广。儿童的科学观念具有情境性。在科学家看来可以用同一种方式解释的现象，儿童往往有多种解释。同样属于光的反射的现象，儿童却会根据他们是否能在表面看到光斑而做出截然相反的叙述。儿童的科学观念根深蒂固。有些观念长期存在并显著影响到很多情况下儿童的思维活动。儿童不是空着脑袋进入科学课堂的，要尊重儿童的这些科学观念，因为他们在许多日常情境中形成的观念(不论对还是错)对于学习和掌握科学概念都是非常有价值的；但与此同时，科学教育要让学生领悟到:对同样的现象可以有不同观点，每种观点都有自身的价值和优势。科学观点在很多情境下比自己的观点更有说服力，更恰当。
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