和科学概念有关的结构

虽然结构和概念有时可以用作同义词，我们还是想把两者的意义区分开来。这两者都指关系，可是概念指的关系总是抽象的，而结构指的关系可以是抽象的，也可以不是抽象的。一幢建筑物的结构是具体的，这里不能用概念这个词。但是思维的结构却是抽象的，例如我们讲到逻辑时提到的(在逻辑系统中的各种关系模式均可称之为概念；这里这两个词可以用作同义词)。一种分类系统，正如我们刚才所见的，有一个结构──一种关系的模式──但那并不是概念。因此，结构所包含的意思比概念要广，因为它既可以用于具体的事物，也可以用于抽象的事物。而概念则总是抽象的。

科学上的概念有其本身的等级系统。关于宇宙自然界的最高的抽象可以称作概念体系。对如何系统地阐述这些体系和究竟划分为几个基本体系，学者们有不同的方法。可是我们发现，这些概念体系都以宇宙自然界的三个主要方面为中心：泛指的宇宙、质量—能量、生物。这三大概念体系可以陈述为：

1．宇宙处于永恒变化之中；

2．宇宙的总的质量和能量是守恒的；

3．生物处于不断的变化之中。

上述每一个体系都包含着许多概念。每个概念代表着一种抽象的模式，一种抽象的相互关系，在概念的等级制度中有着自己的位置。比如磁性属于电磁的范畴，而电磁又属于电磁波谱范畴，后者又属于质量—能量概念体系(见前第2条)。这些关系可以很方便地表达为概念和从属概念：我们把磁称为电磁这个概念的从属概念；把电磁称为电磁波谱这个概念的从属概念。“概念”“从属概念”这些概念是用来表明在某种特定的上下文中的关系。它们用起来很方便，但并不说明其在自然界等级系统中的任何位置。

《里面是什么?》那堂课所使用的那些材料的“幕后”结构是：通过触觉和听觉可以感受到看不见的物体的存在。该堂课的第一部分处理那些可以摸得到的、透过牛皮纸口袋能发出声音的那些熟悉的东西。从统计上讲，只有一定的可能性能推断出这些东西的存在和特性。同样，塑料口袋里的空气也是看不见的，但是可以感觉到，也可以使之发出声音来。在这里，孩子们开始知道了口袋里面有空气，但是他们推断出了空气是一种物质性的东西──它可以像苹果或土豆一样表现自己的存在。

最后一点事实孩子们没有表达清楚；它是从材料的“幕后”关系模式推导出来的结果。这一结构和看不见的气体也是由物质物质：任何占据一定空间，由原子和分子组成的东西。组成的这一从属概念有关。一个范围更大的概念说：气体是由运动着的微小的物质颗粒组成的。在关于质量—能量这一概念体系下，这一点可以更抽象地概述为：“宇宙间质量质量：某物体所含有的物质的量。和能量的总和始终是一个常数（是守恒的）。”

因为这堂课的第一部分和第二部分的关系模式是类似的，所以孩子们讲起空气时，好像空气也是一件东西，一件物质性的“东西”。如果不使用那些材料，或者没有玛丽·史蒂文斯对她的三年级同学所讲的那种经历，孩子们不会认为空气可以和苹果、土豆一起排列，是一种物质性的东西，一种物质。物质的特性是科学的一个基本概念。使用口袋的经历使孩子们在较小的范围内知道了关于质量—能量这个宏大的概念体系，为将来进一步发展奠定了一个良好的基础。（在第五章里我们就下一步可做些什么提出了一些建议。）材料的结构揭示了一个现象：空气是物质，它能够做（或者能够用以做）固体物质做的事。这是物质特性的一个从属概念。

现在请考虑一下这样一组东西：一盆水、一个软木塞、一小块木头、一颗弹球和一只橡皮泥做的小球。这一组材料后面有什么结构呢？把这些小玩意儿放入水中又会揭示什么关系模式呢？显然，有些东西会浮，有些不会。我们能不能把我们对这种模式的感性认识再提炼一下呢？可以在几个层次上做到这一点。我们将在下两节里对此进行研究。在往下阅读之前，你能想出领悟这一模式的办法吗？

孩子们也许会说，重的东西会沉下去，轻的东西会浮在水面。这是这一模式的一部分，这些物体和水的关系的一个部分。如果我们再加上一小块比那个软木塞和木块都轻的橡皮泥，我们就得想出一种新的模式来。如果我们想揭示一种更广泛的关系，我们可以再加上一只乒乓球、一团和乒乓球同样大小的泥球、一团揉成拳头一样大小的铝箔、一块石头，以及一块切成同那块石头大小和形状都一样的海绵。这样就会揭示另一个现象：同样大小的东西，重的下沉，轻的浮着。如果要孩子们想办法让那块橡皮泥浮起来，他们最终会把它捏成一个船的样子。形状变了，可是重量没有变；大一些的孩子就会探寻一种新的模式!如果我们把上面讲的材料都交给孩子们，就会发现许多新的模式，孩子们会提出许多表达他们的发现的说法，作出许多有创见的回答，而这些又会提出新的问题。这些材料使孩子们都融入了进去，在许多层次上对他们表现出意义；这些材料揭示了一连串相关的模式，但是使阿基米德大伤脑筋的，要他判定希隆国王的王冠是不是纯金的问题阿基米德(Archimede,公元前287—前212)古希腊科学家，发现杠杆定律和阿基米德定律。希隆是古希腊西西里的国王。希隆王冠是一件稀世珍宝，有人说是纯金的，有人说含有银或其他金属，众说不一。当时的国王要阿基米德设法作出判断。阿基米德思考了好几天，终于想出了一个办法。他将与王冠同样重量的纯金放入水中，记下排水量，然后又将王冠放入水中，发现后者的排水量大于同重量纯金的排水量，这说明了王冠里含有密度比黄金小的金属。仍没有得到解决。这一经历将成为使人努力从事科学的一种激励。

与“浮”这个概念有关的模式，可以用一个问题表现出来──什么材料在什么流体中会浮?──其答案可以广泛适用于各种情况──密度小的物体会浮在密度大的流体上。(密度指单位体积物体的重量。)

因为这一概念关系到物体的密度和流体的密度，在某些情况下必须提供不同的流体。如果我们准备几个煮鸡蛋、一罐清水、一罐很浓的盐水，这些材料就会迫使孩子们去考虑流体和放在流体里的东西之间的关系。也可以用许多不同原料(如木头、铝、塑料、铜等)做成的同样大小的小立方体，装在小瓶里的水、食盐水和油；还可以准备一架天平和一些中空的立方体容器，以便用以比较各种物体和流体的密度。

物体之间相互关系的模式所体现的概念引导我们去选择更复杂的材料，以促使孩子们进一步思考。在本书里，我们将根据孩子们的进步，依次让孩子们使用各种材料，在不同的概念层次讨论材料结构的方方面面。

浮这个概念是一种物质特性的表示，和关于空气的那次经历属于同一个概念体系。沉和浮还有另一个因素：东西为什么会沉呢?宇宙飞船在绕地球的轨道上飞行时，飞船舱里的任何东西都不会沉。我们需要有重力！从这一观点看，浮的概念可以归纳入宇宙处于永恒变化之中这一概念体系之下；永远变化的因素之一是物体之间的万有引力。

因此，材料必须组成和概念有关的结构。它们还必须有吸引力，这样才会给孩子们提供一种参与进去的经历；当然，这就意味着有些相互作用现象的模式，必须是在孩子们的发现能力范围之内。(本书第三章和第六章都谈到了形成概念的能力的遗传性。)

要创造出成功的学习情境，为孩子们选择材料还要考虑到另一个因素。例如，在沉和浮那次活动中，除了刚才提到的东西外，再给孩子们一个气球。孩子们会干什么呢?他们把气球放在水盆里，人靠在气球上，这样水就会溢出来!使水流到地板上成为一个更有趣的经历，从心理学来说，比那个使阿基米德光着身子跑过亚历山大城的大街，大喊“我想出来了!”的问题更有趣。但从课堂管理来说，我们发现在这一活动中最好不要用气球。

用短截的吸管来进行表面张力的实验也许是合适的，特别是在用肥皂水作为实验材料之一时。但是吸管和肥皂水会使人想起吹泡泡──确实，那也是表面张力的一种形式，但放在孩子聚会时，这会有意思得多!

因此，选择材料时既要以它们和重要的科学概念有关作为基础，也要照顾到它们对孩子们可能具有的心理上的含义。

在选择材料时，你怎样发现可能会引起转移目标的活动呢?一个办法是从孩子的角度来看看这些材料。但是在最后选定之前进行一下实际实验还是必要的。可以拿这些材料在某个小组的孩子中试试看，或者更勇敢些，在你班上试试看，但是心里要明白也许达不到这一结构所包含的目标。

选择合适的有结构的材料要求懂得科学，要求同孩子间有通感，还要求对这种教学法有相当的实践经验。这是很费时间的。好在全国的出版社和联邦提供资金的一些机构都在研究发展新的教学大纲，在生产各种各样的材料。这些材料中，有许多都可以用来让孩子们进行自由探究。很快，你也可以根据自己的经验提出修改和改进，甚至提出新的方案来。你也许会设计出新的成套的材料来，从而对别的教师作出贡献。