在實驗中建構(gòu)科學(xué)概念

蔣建綱

一、引言

科學(xué)概念是科學(xué)知識構(gòu)成的基本要素，在小學(xué)科學(xué)課程中占據(jù)著重要的地位。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)后測、練習(xí)中往往出現(xiàn)學(xué)生對科學(xué)事實性概念學(xué)習(xí)不扎實、概念理解不透徹的問題。這說明學(xué)生對科學(xué)的基本概念和原理的識別、再認(rèn)或回憶表現(xiàn)欠佳，對科學(xué)知識的內(nèi)在邏輯關(guān)系把握不到位，不能很好地應(yīng)用有關(guān)的基本科學(xué)概念和科學(xué)原理分析問題和解決問題，也不能很好地在新的情境中使用比較抽象的概念和原理，以及建立概念與概念之間的合理聯(lián)系等。

為改變概念獲得與概念應(yīng)用方面不足的情況，我們在教學(xué)中通過探究式教學(xué)，運用科學(xué)實踐途徑，把概念獲得和概念應(yīng)用有機聯(lián)系起來，促進(jìn)學(xué)生對概念的鞏固和遷移，從而對理解概念方面進(jìn)行了探索。本文將介紹筆者的思考和做法。

二、研究教學(xué)，探索實踐

（一）創(chuàng)設(shè)挑戰(zhàn)性教學(xué)情境，經(jīng)歷概念建構(gòu)過程

教師創(chuàng)設(shè)真實的教學(xué)情境，不僅要能夠引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，以激發(fā)學(xué)生強烈的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望，還要與學(xué)生學(xué)習(xí)的知識有內(nèi)在的聯(lián)系，學(xué)生能在情境中提取關(guān)鍵問題，在解決問題的過程中，步步深入，建構(gòu)科學(xué)概念，真正理解科學(xué)概念的內(nèi)涵。

教科版三年級《科學(xué)》下冊《影子的秘密》一課，要求教師利用手電筒、遮擋物和屏引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行研究，得到影子形成的條件、光源和遮擋物的變化會導(dǎo)致影子方向、大小、長短的變化等科學(xué)概念。實際教學(xué)中，教師往往創(chuàng)設(shè)生活中陽光下、路燈下影子的變化的生活情境，讓學(xué)生利用教師提供的材料驗證自己提出的猜測，通過模擬實驗建構(gòu)概念。但這種概念的構(gòu)建往往是一種生活中事實的再現(xiàn)，比較膚淺，只是讓學(xué)生能用模擬的實驗現(xiàn)象去解釋生活中常見的現(xiàn)象，對概念的理解不夠深入。

改進(jìn)教學(xué)：怎樣創(chuàng)設(shè)有效的教學(xué)情境，實現(xiàn)對科學(xué)概念的理解和應(yīng)用呢？設(shè)計有挑戰(zhàn)性的教學(xué)情境學(xué)生會非常喜歡。起始環(huán)節(jié)，三個形狀不同、透明度不同的遮擋物在光源的照射下都能形成影子，學(xué)生很容易歸納出影子形成的條件，以及初步區(qū)別影子的不同。挑戰(zhàn)環(huán)節(jié)，教師首先出示三個大小不同的正方形影子，告訴學(xué)生只有一個遮擋物（正方體木塊），你能制造出這些影子嗎？學(xué)生通過操作發(fā)現(xiàn)同一個物體能產(chǎn)生大小不同的影子，只要改變光源、遮擋物、屏三者之間的距離就能實現(xiàn)。接著，教師出示正方形、長方形、六邊形三個不同的影子，告訴學(xué)生還是利用剛才的遮擋物（正方體木塊），你能制造出這些影子嗎？學(xué)生再次操作、探究，發(fā)現(xiàn)同一個物體能產(chǎn)生形狀不同的影子，只要改變遮擋物被照射的面就能實現(xiàn)。最后，教師出示一個復(fù)雜的影子，讓學(xué)生用兩個遮擋物進(jìn)行組合制造相同的影子。這就需要學(xué)生利用剛學(xué)到的知識解決問題。整個挑戰(zhàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過探究，不斷調(diào)動原有知識概念、不斷學(xué)習(xí)到新知識概念、不斷利用新知識概念解決問題，使知識概念不斷被運用、解釋，從而實現(xiàn)對知識概念的理解。

每個教學(xué)環(huán)節(jié)緊緊圍繞挑戰(zhàn)性任務(wù)展開，往往能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生心理、認(rèn)知和行為上的驅(qū)動力。這樣，讓學(xué)生進(jìn)行主動思維、融合科學(xué)實踐，對科學(xué)概念不斷應(yīng)用和解釋，實現(xiàn)對概念的理解。

（二）探究式學(xué)習(xí)，經(jīng)歷概念辨析過程

概念學(xué)習(xí)過程是學(xué)生對事物的感性認(rèn)知不斷地向更高級的理性認(rèn)知的發(fā)展過程，學(xué)生對科學(xué)概念的學(xué)習(xí)就是對學(xué)習(xí)內(nèi)容不斷地感知和理解。要使已經(jīng)建構(gòu)的概念更加精準(zhǔn)，就必須經(jīng)過縝密的辨析過程，通過探究式學(xué)習(xí)的科學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)科學(xué)概念的真實性、精準(zhǔn)性。

教科版四年級《科學(xué)》下冊《做個小開關(guān)》一課，在前一課《導(dǎo)體和絕緣體》的基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)學(xué)生觀察開關(guān)的結(jié)構(gòu)，認(rèn)識到開關(guān)是由導(dǎo)體和絕緣體兩部分組成。開關(guān)的結(jié)構(gòu)是新概念，學(xué)生要應(yīng)用教師提供的材料制作小開關(guān)、理解開關(guān)的工作原理。

按照以上教學(xué)流程，學(xué)生應(yīng)用導(dǎo)體和絕緣體的概念進(jìn)行小開關(guān)的實踐制作，整個過程只是對記憶中的概念進(jìn)行再現(xiàn)和強化，對開關(guān)結(jié)構(gòu)中底座必須是絕緣體、接線柱和刀體必須是導(dǎo)體這個新概念本質(zhì)上不理解。要理解概念的本質(zhì)內(nèi)涵，需啟用已有的概念，并與思維結(jié)合起來進(jìn)行概念辨析，通過科學(xué)實踐達(dá)到概念的精準(zhǔn)。分析開關(guān)結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)，學(xué)生建構(gòu)的新概念是開關(guān)由導(dǎo)體和絕緣體組成。

因此，我們改進(jìn)了教學(xué)流程。制作開關(guān)環(huán)節(jié)，我們給學(xué)生提供了三組材料。第一組：橡皮擦、金屬板、小木板和泡沫板;第二組：金屬圖釘和塑料圖釘;第三組：回形針和銅絲。要求學(xué)生從三組材料中各選擇一種，制作開關(guān)。學(xué)生根據(jù)對手電筒上開關(guān)的觀察結(jié)果，建立起來的開關(guān)結(jié)構(gòu)的概念，針對教師提供的材料進(jìn)行思維辨析;并通過分析開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)、選擇制作開關(guān)的材料、設(shè)計開關(guān)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行科學(xué)實踐操作，探究制作開關(guān)的奧妙，達(dá)到更加精準(zhǔn)地理解開關(guān)底座必須是絕緣體、接線柱和刀體必須是導(dǎo)體的科學(xué)概念的目的。

要達(dá)到概念精準(zhǔn)，不只是對概念的再現(xiàn)和復(fù)制。學(xué)生通過思維辨析，深化了對科學(xué)概念的理解、掌握概念的本質(zhì)，并通過科學(xué)實踐建構(gòu)概念，使概念精準(zhǔn)化。

（三）從記憶到邏輯，經(jīng)歷概念關(guān)聯(lián)過程

科學(xué)教育的很多概念、知識都是零散的，是粒狀的、塊狀的，呈現(xiàn)出“點”的特征。其實，概念之間不是絕對割裂的，是有關(guān)聯(lián)的，是具有整體性、系統(tǒng)性的“面”的特征的。

教科版六年級《科學(xué)》上冊《神奇的小電動機》一課，要求學(xué)生在掌握了磁鐵、電產(chǎn)生磁、電磁鐵等概念的基礎(chǔ)上，將上述概念進(jìn)行關(guān)聯(lián)、整合成一個整體來建構(gòu)電動機轉(zhuǎn)動起來的概念。

通過解剖發(fā)現(xiàn)，電動機是由后蓋（電刷通電）、轉(zhuǎn)子（通電后成為電磁鐵）、外殼（兩塊永久磁鐵）三部分組成的。涉及的科學(xué)概念分別是給導(dǎo)線通電后產(chǎn)生磁性，轉(zhuǎn)子成為一個電磁鐵，電磁鐵有南北極，電流方向改變南北極也會發(fā)生改變，永久性磁鐵的南北磁極不會發(fā)生改變，等等。每一個概念都是一個“點”，將這些“點”互相關(guān)聯(lián)，形成“面”，實現(xiàn)概念建構(gòu)的整體性。

我們對教學(xué)進(jìn)行了如下改進(jìn)。教學(xué)時首先讓學(xué)生認(rèn)識小電動機的結(jié)構(gòu)，每部分結(jié)構(gòu)的功能是什么，提出猜想后用實驗驗證。電刷是連接導(dǎo)線的，說明其作用是導(dǎo)電。觀察轉(zhuǎn)子發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)子是鐵芯和線圈組成，初判是電磁鐵，通過給轉(zhuǎn)子通電發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子可以吸引大頭針，說明產(chǎn)生了磁性;斷電后不能吸引大頭針，說明轉(zhuǎn)子磁性消失，證明了轉(zhuǎn)子是電磁鐵。外殼里面是永久性磁鐵，正是因為它的存在，磁極和電磁鐵的磁極之間發(fā)生作用才能動起來。如何證明我們的想法？把轉(zhuǎn)子安裝在自制支架上，用兩塊磁鐵去靠近轉(zhuǎn)子，給轉(zhuǎn)子通電后，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來了。這樣，一步一步帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行探究，一點一點對分散的科學(xué)概念加以整合，將科學(xué)概念拼合成網(wǎng)狀，實現(xiàn)概念的整體性。本課可以用一張圖來表示零散概念組合成的整體概念。（圖1）

在科學(xué)教學(xué)中，很多概念點是分散的，其實是形散而神不散，具有整體性的特點。教師在教學(xué)設(shè)計時，要注意各離散的概念點在教學(xué)中的角色，要綜合地、整體地把握，引導(dǎo)學(xué)生不斷對已學(xué)知識進(jìn)行從記憶到邏輯的關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生在科學(xué)實踐中搭建起相互關(guān)聯(lián)的概念框架，從而實現(xiàn)科學(xué)概念的整體性。

（四）結(jié)合實際問題，經(jīng)歷概念探索過程

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出，小學(xué)科學(xué)課程強調(diào)從學(xué)生日常生活出發(fā)，通過學(xué)生親身經(jīng)歷動手動腦等實踐活動，理解基本的科學(xué)知識，并嘗試用科學(xué)方法和科學(xué)知識予以解決。

在科學(xué)教學(xué)中，學(xué)生完成學(xué)習(xí)獲得概念后，需要“應(yīng)用科學(xué)”。因此，在概念獲得和概念應(yīng)用之間，教師要有意識地設(shè)計教學(xué)，幫助學(xué)生在兩者之間建立聯(lián)系，讓學(xué)生理解概念內(nèi)涵。

教科版四年級《科學(xué)》下冊《比較不同的土壤》一課，主要內(nèi)容是研究沙質(zhì)土、壤土、黏質(zhì)土的顆粒大小，以及滲水性和黏性的不同，根據(jù)實驗結(jié)果說說對植物生長的影響。這樣的教學(xué)流程就是在概念獲得的基礎(chǔ)上進(jìn)行概念應(yīng)用，概念應(yīng)用成了一個單獨的環(huán)節(jié)，聯(lián)系性不強。

為更有效地實現(xiàn)概念應(yīng)用，我們將教學(xué)調(diào)整為，出示西瓜、荷花、鳳仙花三種植物，同時告訴學(xué)生這三種植物的生長對土壤的要求是不一樣的。西瓜需要滲水速度快、保水性差、黏性差的土壤;荷花需要滲水速度慢、保水性好、黏性好的土壤;鳳仙花需要滲水性一般，透氣、保水、黏性較好的土壤。教師從三個地方找到了這三種土壤，哪個地方的土壤適合種植上面的三種植物呢？學(xué)生帶著生活中實際需要解決的問題，在教師的引領(lǐng)下對三種土壤的特點進(jìn)行研究，獲得相關(guān)概念，并將這些概念運用到解決實際問題中去。這樣，概念應(yīng)用就與概念獲得處在了同等的位置，并將它們充分聯(lián)系起來，讓科學(xué)應(yīng)用有科學(xué)概念的依托，科學(xué)應(yīng)用也能促進(jìn)科學(xué)概念的理解、深化和遷移。

三、實踐成效，科學(xué)測評

2020年9月，我校畢業(yè)生參加了蘇州市義務(wù)教育學(xué)業(yè)質(zhì)量監(jiān)測，科學(xué)能力水平監(jiān)測。指標(biāo)得分情況如圖2所示。

2020屆畢業(yè)生科學(xué)能力水平的指標(biāo)得分，在“了解、理解和應(yīng)用”三個維度與2018年和2019年兩次監(jiān)測相比，有了明顯的提升;與區(qū)域水平相比，三個維度均超過了區(qū)域水平，說明本屆畢業(yè)生對科學(xué)概念的理解和應(yīng)用方面都得到了整體提升。

通過本次監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以說明我們在創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)情境、發(fā)生有效的探究過程、學(xué)生自主學(xué)習(xí)建構(gòu)整體概念并利用科學(xué)概念解決生活中的問題等教學(xué)方式的探索中，學(xué)生的科學(xué)能力水平都有了一定的提升，在概念獲得、概念理解、概念應(yīng)用的概念學(xué)習(xí)上都有了深度發(fā)展。

因此，在落實概念教學(xué)和概念理解中，我們一定要有針對性地落實課程標(biāo)準(zhǔn)解讀、教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、教學(xué)設(shè)計思考、課堂教學(xué)方式調(diào)整等措施;要注重科學(xué)實踐，讓學(xué)生經(jīng)歷概念的獲得和應(yīng)用過程，促進(jìn)對科學(xué)概念建構(gòu)和理解，實現(xiàn)學(xué)生在科學(xué)概念上的深度發(fā)展，從而促進(jìn)學(xué)生形成良好的科學(xué)素養(yǎng)。