小學物質科學概念教學中圖形表征的運用策略

李婷婷

【摘 ? 要】圖形表征是開展小學物質科學概念教學的重要手段。教師可以借助圖形表征，運用圓圈化代物、箭頭化示力、圖表化分析、簡易化記錄等策略，引導學生自主建構概念;運用圖景化想象、有形化顯現、概括化聯結等策略，幫助學生自如記憶概念;運用遷移法、圖解法等策略，幫助學生自覺應用概念去解決問題，生發新的研究點。

【關鍵詞】圖形表征;物質科學;概念教學

物質科學是研究物質結構及其運動和相互作用規律的基礎自然科學。其中，小學物質科學運動形式涵蓋機械、聲、光、電、磁等，學習這些概念的難度遠遠高于學生的認知水平，且大部分實驗無法用感覺器官直接觀察，需要借助各類儀器才能完成，理解、記憶、應用概念更加困難。

圖形表征是指學生在探究客觀世界的過程中，畫出與物體及現象相關的圖形，借以幫助學生觀察、推理、思考、表達，是一種形象、生動的圖景表現形式。在物質科學概念教學中，圖形表征主要分為示意圖形和圖表圖形兩大類。示意圖形主要是用簡單的線條、箭頭、圓圈等平面圖形，示意物質結構、受力和運動過程以及電路、實驗裝置等;圖表圖形主要是用表格、柱狀圖、線形圖等平面圖形，反映不同物理量的過程，從而起到歸納、分析、揭示科學概念的作用。

小學生的認知水平處在具體運算階段。他們能充分感知物理世界，但難以用語言表征，卻可以輕松地用圖形表征。因而，科學教師應該借助圖形表征進行可視化教學，從而幫助學生建立概念、記憶概念、應用概念。

一、借助圖形表征的直觀性，建立科學概念

圖形表征具有生動的直觀性，可應用于物質科學概念教學的各環節：在猜測環節暴露學生前概念;在實驗觀察、記錄環節把握關鍵因素;在總結環節理清思路，建立科學概念。

（一）圓圈化代物，體現物質變化

物理學家發現，物質是可分的，許多現象都能用物質的微粒模型來解釋，并用探測微觀世界的工具驗證了物質模型。因此，教師在教學物質科學概念時，可以將不同層次的微觀粒子視作小球，用一個個圓圈來表示水微粒、空氣微粒、糖微粒等物質。

以三年級上冊“水”單元《水到哪里去了》一課為例，教師請學生用示意圖畫出自己對“黑板上的水不見了”現象的理解。學生一般認為是黑板縫隙、空氣流動、太陽照射等因素導致水跑到黑板里、空氣中和云中。于是，教師播放了兩杯完全相同的水（其中一杯蓋著塑料膜）多天后變化的視頻，使學生認識到水可以在無風、無光的環境下蒸發到空氣中。教師提示水是由很多水微粒組成的，一個圓圈表示一個水微粒，請學生站在微粒角度用示意圖表示水消失的原因。學生第一次畫出的示意圖暴露了錯誤的前概念，經實驗現象和教師提示，第二次畫出的示意圖體現了物質變化過程（見圖1），學生由此建立了“蒸發是水的微粒自身處在運動當中，從水面到空中”的科學概念。

把物體抽象成只有質量而無幾何形狀和大小的一個點（質點），是一種將復雜的機械運動問題轉化為簡潔圖形（通常以圓點記錄）的研究方法。如三年級下冊“物體的運動”單元《各種各樣的運動》一課，教材引導學生在陀螺、小車、跳跳球等物體上貼一個圓點，將具體的物體抽象為一個“質點”，并用多種方法使它們運動起來，以便觀察圓點的運動形式。記錄時，教師可以提示學生用線條和箭頭來表示物體的運動形式（見圖2），從而歸納出“物體的機械運動有不同的形式。按照運動軌跡來分，可分成直線運動和曲線運動”的概念。用直觀形象的圖形表征記錄實驗現象，符合學生的認知水平，便于學生描述運動軌跡，容易幫助學生建構物質科學概念。

（二）箭頭化示力，解釋運動狀態

箭頭是描述力的最佳圖形，可以完整地呈現力的作用點、方向、大小等。例如五年級下冊“沉與浮”單元《浮力》一課，學生把泡沫塊壓入水中后，教師引導他們用箭頭表示手按泡沫塊的感受：手能感受到水對泡沫塊有一股向上的力，即浮力;水中的泡沫塊亦同時受到重力的作用。繼而，學生通過對靜止物體受力平衡的分析，繪制了“泡沫塊受力分析圖”（見圖3），推斷出“向上的浮力=向下的重力”的概念。

箭頭除了描述浮力和重力之外，也可以表示摩擦力、彈力等，形成“力作用于物體，可以改變物體的形狀和運動狀態”的概念，還可用來表示物體的運動形式。例如三年級上冊“空氣”單元《風的成因》一課，要求學生做模擬實驗，用圖或文字記錄觀察到的現象（見圖4）。學生發現點燃盒中的蠟燭

后，頂部小孔附近靜止不動的紙條開始搖晃起來，蚊香冒出的煙由向上變為向盒子內部運動。教師引導學生用箭頭畫出空氣流動的路徑，發現“空氣受熱會上升，周圍的冷空氣補充進來，空氣在水平流動過程中形成了風”，從而解釋風的成因（見圖5）。

（三）圖表化分析，概括科學規律

實驗數據記錄表是教學中最常見的圖形表征。學生借助表格進行分析、概括，能從中發現變量之間的關系，得出相應的規律。以六年級上冊“工具與機械”單元《杠桿的科學》一課為例，學生從杠桿實驗數據表中發現（見表1），如果用力點與阻力點離支點的距離相同，使用杠桿不省力也不費力;如果用力點離支點比阻力點遠，使用杠桿就比較省力，反之則費力。

（四）簡易化記錄，降低思維難度

電路問題在物質科學中占有重要地位。二維電路圖是將實物電路中的各種元件轉化為各種符號并用直線連接起來的示意圖，從而將復雜的電路用簡化的方式清晰呈現，降低思維難度，找出電器之間的串、并聯關系，解決實際問題。例如四年級下冊“電”單元《簡單電路》一課的電路圖，省去了與電路無關的部分，只保留通路的器件，用以分析該電路工作原理（見圖6）。這種簡易化的圖形表征使學生豁然開朗，找出問題的本質，建立“電路是包括電源在內的閉合回路”的概念。

二、借助圖形表征的形象性，記憶科學概念

圖形表征是一種生動形象的科學語言，是思維品質與科學語言相結合的能力。它能形象地表述科學概念和規律，鮮明地顯示各種物質之間的關系和變化趨勢，因而，教師可以運用圖景化想象、有形化顯現、概括化聯結等策略，幫助學生記憶科學概念。

（一）圖景化想象，記憶動態過程

物質科學概念中有很多抽象問題，需要學生有很好的空間思維能力。空間想象能力差是導致學生難以記憶概念的主要原因。因此，把物體時間、空間上的變化用圖形表征出來，可以降低想象難度，找出臨界條件，記憶動態過程。

如三年級上冊“水”單元《冰融化了》一課，學生在親眼觀察后，用試管、冰、水等圖形和簡短的文字記錄冰融化成水的三個階段——融化前、融化一半、完全融化（見圖7）。探究過程中的各種現象具有實時性、生動性的特點，圖形表征可以將學生大腦中儲存的有關冰變成水的變化過程動態呈現，梳理和強化了“冰融化成水，體積變小”的科學概念，達到輕松記憶的目的。

（二）有形化顯現，記憶定格畫面

圖形表征往往能將一些抽象甚至無形的科學現象有形呈現，從而幫助學生牢牢記住科學現象，記住科學概念。

例如二年級下冊“磁鐵”單元《磁鐵的兩極》一課，該如何讓學生記憶磁力概念呢？磁力場客觀存在卻又看不見摸不著。為判斷磁鐵S端與N端的磁力大小以及磁鐵中間是否存在磁力，教師在白紙上放一塊條形磁鐵，把鐵屑撒在紙上，輕微、快速抖動白紙后，鐵屑就清晰呈現出磁場力線的紋路。教師請學生記錄一條條磁場力線，用圖形表征磁力大小和方向分布（見圖8），學生會因為這幅磁場力線圖而對于“條形磁鐵兩端磁力大，中間磁力小，有2個磁極”的科學概念記憶深刻。

（三）概括化聯結，記憶科學本質

圖形表征有著高度的概括性，能清晰現實物質之間的關系及相互作用，呈現科學本質，幫助學生加深記憶。例如五年級上冊“光”單元《光的反射》一課揭示了“光遇到物體時，會發生反射現象，光的傳播方向會發生變化，反射光也是直線傳播的”這一概念，學生只需畫出光的反射路徑圖（見圖9），就可輕松記憶光的反射規律。

因為圖形表征的過程是對研究對象的感受、儲存、判斷、創造的過程。圖形是被概括化的思維的結晶，是根據科學情境抽象出來的特征且能反映科學規律的新形象。這種新形象兼具邏輯性和概括性，是學生對感性形象取其精華、去其糟粕的結果。學生由此抓住了主要矛盾，揭示出科學的本質，把握了物質運動的規律。

三、借助圖形表征的方法，應用科學概念

圖形表征既是對客觀事物的反映，又是被加工的對象，因為在科學研究中，圖形表征就是一種有效解決問題的方法。圖形表征不僅有助于建立、記憶物質科學概念，更能幫助學生應用概念，解決實際問題。

（一）遷移圖形表征，解決現實問題

圖形表征兼具抽象性和形象性的特點。如果能將一個問題用圖形來表征，說明學生已經掌握了問題的關鍵，有利于問題創造性地解決。例如，學生在五年級上冊“力和運動”單元就已經掌握了用示意圖表征各種力以及與運動關系的方法。到了六年級上冊“形狀與結構”單元《做框架》一課時，教師提出了“空調外機支架的斜杠應該加在上面還是加在下面”的現實問題。學生將五年級習得的圖形表征方法進行遷移應用，畫出斜杠在不同位置的受力對比圖（見圖10），從而理解了“斜桿起到了推或拉的作用”的概念，判斷出形變后斜杠連接兩點間距離的變化，做出正確的選擇。

（二）圖解科學情境，生發新研究點

圖形表征能直觀反映探究結果，教師可利用其預測學生觀看圖解后產生的信息，引導他們生成新問題，發現新規律。

以六年級上冊“能量”單元《電和磁》一課為例，教師指導學生分組完成丹麥科學家奧斯特曾經做過的實驗——通電導線使指南針偏轉。學生接通電路后，多次斷開電路，觀察并記錄放于直導線之下磁針的變化。實驗結束后，教師將6個小組的記錄圖表貼在黑板上（見圖11）。學生不僅發現了通電的直導線會使小磁針發生偏轉的現象，而且發現各組磁針偏轉的方向不一樣，角度不一樣。直觀形象的圖形使學生很容易地發現問題，繼而提出新的研究點——導致磁針偏轉方向不同、角度不同的原因。

綜上所述，圖形表征是物質科學概念教學的重要手段。教師可以借助圖形表征，運用圓圈化代物、箭頭化示力、圖表化分析、簡易化記錄等策略，引導學生自主建構概念;運用圖景化想象、有形化顯現、概括化聯結等策略，幫助學生自如記憶概念;運用遷移法、圖解法等策略，幫助學生自覺應用概念，從而解決實際問題，生發新的研究點。

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（浙江省杭州市行知小學 ? 310012）