指向概念進(jìn)階的科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

章榮華

摘? ? 要?? ?為了破解小學(xué)生在概念理解中的障礙，應(yīng)以大概念教學(xué)為基礎(chǔ)，從引發(fā)概念爭議、突破概念難點(diǎn)、深究概念關(guān)聯(lián)、豐盈概念要義、修復(fù)概念盲區(qū)等方面對實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，建構(gòu)符合小學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的教學(xué)思路，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念認(rèn)識的有效進(jìn)階。

關(guān)鍵詞? ?概念進(jìn)階? ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)? ?教學(xué)過程設(shè)計(jì)

“學(xué)習(xí)進(jìn)階是對學(xué)生在各學(xué)段學(xué)習(xí)同一主題概念時(shí)所遵循、連貫的典型的學(xué)習(xí)路徑的描述?！盵1]其中，概念進(jìn)階是重要內(nèi)容之一，它的落實(shí)有利于提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)。個(gè)體對概念的理解一般按照前概念、簡單的事實(shí)性概念、分解概念、核心概念、哲學(xué)概念的序列進(jìn)階，本文主要針對個(gè)體在前三項(xiàng)概念進(jìn)階中的問題，設(shè)計(jì)符合小學(xué)生認(rèn)知脈絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，幫助其克服概念理解上的膚淺，實(shí)現(xiàn)深度發(fā)展。

一、制造矛盾，引發(fā)概念爭議

矛盾情境是學(xué)生形成認(rèn)知沖突的基礎(chǔ)。教學(xué)中，教師要善于利用個(gè)體先前認(rèn)識與現(xiàn)實(shí)的差別、利用學(xué)生間的認(rèn)識差異引發(fā)概念爭議，啟迪主動(dòng)思維，促進(jìn)概念進(jìn)階。

為了幫助學(xué)生建構(gòu)“導(dǎo)體、絕緣體”概念，教材將“鐵釘、木頭、人體、水、木條”等20多種物體接入電路檢測器，通過觀察燈泡的亮與滅，判斷導(dǎo)體和絕緣體，以此幫助學(xué)生建構(gòu)“容易讓電流通過的物體是導(dǎo)體，反之則是絕緣體”的認(rèn)識。事實(shí)上，這樣的教學(xué)是膚淺的，概念是基于當(dāng)下事實(shí)的概括性解釋，教材實(shí)驗(yàn)只能促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)識到達(dá)“能讓電流通過的物體是導(dǎo)體，反之就是絕緣體”這一層級。

怎樣才能實(shí)現(xiàn)認(rèn)識進(jìn)階？設(shè)計(jì)三組充滿矛盾的遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)就是不錯(cuò)的選擇。當(dāng)學(xué)生認(rèn)識到“能點(diǎn)亮小燈泡的物體是導(dǎo)體”后，教師首先讓學(xué)生把“有、無塑料外殼的回形針，粗細(xì)不同的鉛筆芯”接入電路檢測器，發(fā)現(xiàn)只有部分回形針、鉛筆芯接亮了小燈泡，促發(fā)學(xué)生質(zhì)疑“能點(diǎn)亮小燈泡是判斷導(dǎo)體與絕緣體的標(biāo)準(zhǔn)嗎？”接著，用“人體導(dǎo)電球”代替檢測器中的小燈泡，重新檢驗(yàn)“人體、水”，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電球竟然被點(diǎn)亮了，這個(gè)出人意外的結(jié)果再次激活課堂……持續(xù)探究中，學(xué)生了解到導(dǎo)電球“容易感知微弱電流”，認(rèn)識馬上產(chǎn)生質(zhì)變，指出水等物體雖沒能點(diǎn)亮小燈泡，但依然能讓微弱的電流通過，因此“電流容不容易通過”是判斷導(dǎo)體和絕緣體的真正標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步認(rèn)清彼此關(guān)系，教師還可讓學(xué)生用 “導(dǎo)電球”檢測同一棵樹上的干濕木條，其中干木條不顯示導(dǎo)電，而新鮮木條顯示導(dǎo)電，學(xué)生在新矛盾的啟發(fā)下，知道了導(dǎo)體與絕緣體之間沒有界限，只要材料的成分有足夠的差別，就極易彼此轉(zhuǎn)化。

只要教學(xué)設(shè)計(jì)緊緊圍繞矛盾、分歧展開，就能打破學(xué)生的認(rèn)知平衡，驅(qū)使學(xué)生做出行為、認(rèn)知和心理上的努力，在思維迭代中形成新的解釋。

二、簡化過程，突破概念難點(diǎn)

感知覺活動(dòng)的泛化會制約學(xué)生概念理解水平的發(fā)展，因此，“一英尺寬，一英里深”的格局是科學(xué)教育的追求，其特點(diǎn)是以大概念為軸心，刪繁就簡，在簡約而不簡單的設(shè)計(jì)中突破概念難點(diǎn)。

擺長是懸點(diǎn)到擺的重心之間的距離。為了幫助學(xué)生理解，教材安排了三個(gè)小活動(dòng)：先讓學(xué)生用一組擺繩一樣長、擺錘（木條）長短不同的擺測量擺動(dòng)次數(shù)，認(rèn)識到擺長不單指“擺繩長”，而應(yīng)是“擺繩、擺錘的總長”;再次引入一個(gè)金屬圓片，將其固定在30厘米長的木條末端，觀察擺動(dòng)次數(shù)，探究擺次增加的原因;最后引導(dǎo)學(xué)生將金屬圓片分別貼在離懸點(diǎn)10厘米、20厘米、30厘米處的木條上，繼續(xù)研究擺的次數(shù)，使學(xué)生認(rèn)識到擺錘的重心會影響擺的總長。

此設(shè)計(jì)因過于強(qiáng)化學(xué)生實(shí)證意識的培養(yǎng)，過多強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)次數(shù)、實(shí)驗(yàn)操作標(biāo)準(zhǔn)（精細(xì)的移動(dòng)圓片位置）和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的重要性，影響了對重心概念的關(guān)注。

此時(shí)，重構(gòu)實(shí)驗(yàn)比重，對實(shí)驗(yàn)服務(wù)概念的發(fā)生與發(fā)展過程很重要的。因此，實(shí)驗(yàn)可圍繞“擺長是什么”的問題展開，通過觀測“擺繩長度不同，擺錘相同”“擺繩長度相同，擺錘長短不同”“擺繩、擺錘（“T”型）長短相同（如圖1）”三組擺的擺次變化，聚焦“重心”，實(shí)現(xiàn)對擺長的理解從“擺繩長”發(fā)展到“擺的總長”，直至認(rèn)識擺長的本質(zhì)是“懸點(diǎn)到重心的距離長”。

與教材相比，設(shè)計(jì)“擺繩、擺錘（‘T型）長短相同”的擺是很巧妙的，它表明“擺的總長一樣，擺的快慢也會有所不同”，完全打破了前一次實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識。學(xué)生很快將注意力聚焦到了正掛（“T”形）和倒掛（“■”形）的擺錘上，他們用手拎起擺錘，發(fā)現(xiàn)“T”形擺錘上面重，“■”形的擺錘下面重。在學(xué)生用圓點(diǎn)標(biāo)出“重”的位置后，教師指出這就是擺錘的重心，它會影響擺的總長。接著，教師讓學(xué)生標(biāo)記擺長，在對比中看清了“重心”與擺長的關(guān)系。為了判斷學(xué)生對“擺長”概念是否真正理解，教師還可以呈現(xiàn)教材中“金屬圓片位置不同的擺”，讓學(xué)生運(yùn)用概念開展新一輪的假設(shè)與驗(yàn)證。

三、再度實(shí)驗(yàn)，深究概念關(guān)聯(lián)

科學(xué)是在懷疑中發(fā)展的，縱觀科學(xué)史上“伽利略的球”等經(jīng)典事件，無不證明了質(zhì)疑是科學(xué)進(jìn)步的永動(dòng)力。教學(xué)中，教師應(yīng)盡可能鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑，走出概念教條式習(xí)得的困境。

對“水具有熱脹冷縮的性質(zhì)”概念的習(xí)得，教師習(xí)慣于教材思路：在燒瓶中盛滿水，塞緊橡膠塞，并插入細(xì)玻璃管，將其放入熱水和冷水中，分別觀察液柱的變化，從而建立“水受熱體積膨脹，受冷體積縮小”的結(jié)論。

不加細(xì)思，這樣的教學(xué)甚稱經(jīng)典。但走近學(xué)生，發(fā)現(xiàn)學(xué)生非常關(guān)注“燒瓶中的水是否真正受熱或受冷？”“液柱上下變化中，水吸收、釋放熱量的過程是怎樣的？”等問題。如若教師能滿足學(xué)生的追問，讓學(xué)生再度實(shí)驗(yàn)，對概念的認(rèn)識就不會只停留在“水受熱體積膨脹，受冷體積收縮”這個(gè)口令的熟記上，還能從溫度計(jì)的數(shù)值變化中看到熱量的獲得和釋放是一個(gè)較緩慢的過程，懂得受熱膨脹、遇冷收縮與物體本身的熱量變化之間存在密切關(guān)系。

因此，當(dāng)學(xué)生完成教材實(shí)驗(yàn)后，教師可引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程及其結(jié)論提出質(zhì)疑，抓住“水的體積變化與熱量變化之間有怎樣的關(guān)系”這一問題展開研究。實(shí)驗(yàn)中，用兩頸燒瓶替代普通燒瓶，一個(gè)口子插入細(xì)玻璃管，觀察水的體積變化，另一個(gè)口子插入電子溫度計(jì)，觀測水的溫度變化。學(xué)生在數(shù)字導(dǎo)航下看清熱量緩慢傳遞，水柱慢慢上升（或下降）的現(xiàn)象，懂得兩者是同時(shí)發(fā)生的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，不但提升了學(xué)生探究的積極性，而且加深了學(xué)生對體積與熱量變化之間的關(guān)系認(rèn)識，豐富了概念內(nèi)涵。

四、添補(bǔ)證據(jù)，豐盈概念要義

“語詞是概念的最終形式或最明確的形式。” [2]其內(nèi)涵豐富，是由大量經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)結(jié)晶而成。教學(xué)的重任是帶領(lǐng)學(xué)生歷經(jīng)豐富事實(shí)，理解概念內(nèi)涵，實(shí)現(xiàn)從“知其然”向“知其所以然”進(jìn)階。

彈力是物體形狀改變時(shí)產(chǎn)生的要恢復(fù)原來形狀的力。其間，“形狀改變”和“恢復(fù)原來形狀”都是概念中的關(guān)鍵語詞。教學(xué)中，教材思路是讓學(xué)生在三根橡皮筋上分別掛1、3、5個(gè)鉤碼，看到橡皮筋被拉長后，依次取下鉤碼，橡皮筋則恢復(fù)原位，從而獲得彈力概念，認(rèn)清彈力的大小與方向。

這樣的教學(xué)，在關(guān)鍵語詞的突破上略顯單薄。一是橡皮筋被拉長只是形變的一種形式，對“彈簧壓短、充氣氣球擠扁、海綿揉成一團(tuán)”等形變并未提及，造成學(xué)生理解片面。二是學(xué)生沒能立足“彈力方向”視角審視“恢復(fù)原來形狀”的要義，造成認(rèn)識一知半解。三是僅讓學(xué)生經(jīng)歷“用橡皮筋掛鉤碼”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對彈力方向的認(rèn)識只會囿于“向上”的片面認(rèn)識中。

概念的理解怎樣才能從單薄走向豐盈？讓學(xué)生收集盡可能多的證據(jù)是重要方法。學(xué)生在拉皮筋活動(dòng)中感受到“彈力”后，需要繼續(xù)體驗(yàn)壓彈簧、捏海綿和擠壓充氣氣球等活動(dòng)，明白物體被拉長、壓短、擠扁、揉成團(tuán)等都屬于“形狀改變”，懂得 “形狀改變”是物體產(chǎn)生彈力的直接原因。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生繼續(xù)完成“用橡皮筋掛鉤碼”實(shí)驗(yàn)（如圖2），在觀察到“橡皮筋被重力拉長，取下鉤碼恢復(fù)原狀”的現(xiàn)象后，思辯“是誰讓橡皮筋恢復(fù)了原樣？”學(xué)生研討中認(rèn)識到橡皮筋被拉長會產(chǎn)生一股和重力方向相反的力，它是橡皮筋要恢復(fù)原來形狀時(shí)產(chǎn)生的力，方向是向上的。那被壓的彈簧、擠扁的充氣氣球、揉成團(tuán)的海綿產(chǎn)生的彈力方向是否也一樣呢？對比各個(gè)物體形狀改變和恢復(fù)原來形狀過程中力的方向，學(xué)生認(rèn)識到彈力方向與施力方向是相反的，與物體恢復(fù)形變的方向一致。

見多識廣是學(xué)生認(rèn)識、理解概念并走向豐盈的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)中結(jié)構(gòu)化的事實(shí)和材料是學(xué)生思辨的內(nèi)容，為學(xué)生認(rèn)識編織了更多網(wǎng)點(diǎn)，幫助建立起更豐富的認(rèn)識。

五、強(qiáng)化思辨，修復(fù)概念盲區(qū)

學(xué)生常會制約于一些不可見的事實(shí)而束縛思維發(fā)展。特別是像力、電、聲音等無法直接感受的概念，小學(xué)生很難說服自己認(rèn)同它們。此時(shí)，以實(shí)驗(yàn)為引子，強(qiáng)化對認(rèn)識的思辨則能幫助學(xué)生修復(fù)概念認(rèn)識上的盲區(qū)。

空氣的不可見性制約了學(xué)生對“空氣流動(dòng)形成風(fēng)”這一概念的理解，小學(xué)生對“空氣流動(dòng)能形成風(fēng)”的觀念是認(rèn)同的，但對“（大自然的）風(fēng)是冷熱空氣相互作用形成的”理解十分困難?！拔覀儧]有用嘴去吹，也沒有扇扇子，（大自然的）風(fēng)又是誰制造的？”“讓空氣流動(dòng)起來的力量來自哪里？”為了破解這些問題，教材引領(lǐng)學(xué)生歷經(jīng)風(fēng)的模擬實(shí)驗(yàn)：在上下開口的直筒中放置一根蠟燭，將點(diǎn)燃的蚊香置于直筒的下開口處，觀察蠟燭點(diǎn)燃和不點(diǎn)燃時(shí)煙流動(dòng)的路徑。幫助學(xué)生建立“風(fēng)是熱空氣上升，冷空氣流過來補(bǔ)充”的認(rèn)識。

其實(shí)，風(fēng)的成因理解遠(yuǎn)沒這么簡單。因?yàn)槲孟愕慕槿?，干擾了學(xué)生對筒內(nèi)外冷熱空氣的識別。學(xué)生認(rèn)為蚊香、蠟燭點(diǎn)燃后，筒內(nèi)外的空氣都是熱的，因此很難將風(fēng)的形成與筒內(nèi)外的冷熱空氣有關(guān)建立聯(lián)系。

怎樣教學(xué)，學(xué)生才能認(rèn)同“冷、熱空氣”不僅存在，還彼此聯(lián)系呢？教學(xué)中要將“冷熱空氣相互作用形成風(fēng)”作為教學(xué)重點(diǎn)，按照“空氣流動(dòng)形成風(fēng)—冷熱空氣的相互作用形成了風(fēng)—熱空氣上升，冷空氣流過來補(bǔ)充形成了風(fēng)”這樣的概念進(jìn)階序列設(shè)計(jì)教學(xué)。

筆者重點(diǎn)呈現(xiàn)一組與教材不同的風(fēng)模擬對比實(shí)驗(yàn)（如圖3）。開始不介入蚊香，讓學(xué)生直接觀察小風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)來推測出筒內(nèi)外空氣的合作形成了風(fēng)。然后用手觸摸筒壁，認(rèn)識到點(diǎn)燃蠟燭的筒內(nèi)空氣有冷熱差別，不點(diǎn)燃蠟燭的筒內(nèi)外空氣都是冷的。借此思辨，學(xué)生認(rèn)識到風(fēng)的形成僅有空氣是不夠的，還需要有溫差的空氣聯(lián)系才能推動(dòng)空氣流動(dòng)。在此引入蚊香煙來觀察筒內(nèi)外冷熱空氣的流動(dòng)方向，驗(yàn)證中理解風(fēng)的成因。

只有學(xué)生對不可見物進(jìn)行強(qiáng)力思辨，用理性說服感知覺，學(xué)生才能耦合無法用感官直接感受到的事物聯(lián)系中自然理解概念。

總之，小學(xué)生要能實(shí)現(xiàn)概念進(jìn)階，需要對概念的“高、低錨點(diǎn)”做出剖析，合理梳理概念習(xí)得的障礙點(diǎn)，并著眼小學(xué)生特點(diǎn)設(shè)計(jì)簡約、可見、有結(jié)構(gòu)的教學(xué)活動(dòng)，幫助學(xué)生逐級走向概念的本質(zhì)理解。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉恩山，胡衛(wèi)平，郝京華.義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)解讀 [M].北京：高等教育出版社，2018 .

[2] 陳嘉映.哲學(xué)·科學(xué)·常識[M].北京：中信出版集團(tuán)，2018.

[責(zé)任編輯：陳國慶]