在實驗中建構科學概念

蔣建綱

一、引言

科學概念是科學知識構成的基本要素，在小學科學課程中占據著重要的地位。筆者在教學中發現，在教學后測、練習中往往出現學生對科學事實性概念學習不扎實、概念理解不透徹的問題。這說明學生對科學的基本概念和原理的識別、再認或回憶表現欠佳，對科學知識的內在邏輯關系把握不到位，不能很好地應用有關的基本科學概念和科學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系等。

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

二、研究教學，探索實踐

（一）創設挑戰性教學情境，經歷概念建構過程

教師創設真實的教學情境，不僅要能夠引起學生的認知沖突，以激發學生強烈的學習興趣和探索欲望，還要與學生學習的知識有內在的聯系，學生能在情境中提取關鍵問題，在解決問題的過程中，步步深入，建構科學概念，真正理解科學概念的內涵。

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

改進教學：怎樣創設有效的教學情境，實現對科學概念的理解和應用呢？設計有挑戰性的教學情境學生會非常喜歡。起始環節，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，學生很容易歸納出影子形成的條件，以及初步區別影子的不同。挑戰環節，教師首先出示三個大小不同的正方形影子，告訴學生只有一個遮擋物（正方體木塊），你能制造出這些影子嗎？學生通過操作發現同一個物體能產生大小不同的影子，只要改變光源、遮擋物、屏三者之間的距離就能實現。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？學生再次操作、探究，發現同一個物體能產生形狀不同的影子，只要改變遮擋物被照射的面就能實現。最后，教師出示一個復雜的影子，讓學生用兩個遮擋物進行組合制造相同的影子。這就需要學生利用剛學到的知識解決問題。整個挑戰環節，學生通過探究，不斷調動原有知識概念、不斷學習到新知識概念、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，從而實現對知識概念的理解。

每個教學環節緊緊圍繞挑戰性任務展開，往往能激發學生的學習興趣、激發學生心理、認知和行為上的驅動力。這樣，讓學生進行主動思維、融合科學實踐，對科學概念不斷應用和解釋，實現對概念的理解。

（二）探究式學習，經歷概念辨析過程

概念學習過程是學生對事物的感性認知不斷地向更高級的理性認知的發展過程，學生對科學概念的學習就是對學習內容不斷地感知和理解。要使已經建構的概念更加精準，就必須經過縝密的辨析過程，通過探究式學習的科學實踐，發現科學概念的真實性、精準性。

教科版四年級《科學》下冊《做個小開關》一課，在前一課《導體和絕緣體》的基礎上，帶領學生觀察開關的結構，認識到開關是由導體和絕緣體兩部分組成。開關的結構是新概念，學生要應用教師提供的材料制作小開關、理解開關的工作原理。

按照以上教學流程，學生應用導體和絕緣體的概念進行小開關的實踐制作，整個過程只是對記憶中的概念進行再現和強化，對開關結構中底座必須是絕緣體、接線柱和刀體必須是導體這個新概念本質上不理解。要理解概念的本質內涵，需啟用已有的概念，并與思維結合起來進行概念辨析，通過科學實踐達到概念的精準。分析開關結構環節，學生建構的新概念是開關由導體和絕緣體組成。

因此，我們改進了教學流程。制作開關環節，我們給學生提供了三組材料。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。要求學生從三組材料中各選擇一種，制作開關。學生根據對手電筒上開關的觀察結果，建立起來的開關結構的概念，針對教師提供的材料進行思維辨析;并通過分析開關的基本結構、選擇制作開關的材料、設計開關的結構，進行科學實踐操作，探究制作開關的奧妙，達到更加精準地理解開關底座必須是絕緣體、接線柱和刀體必須是導體的科學概念的目的。

要達到概念精準，不只是對概念的再現和復制。學生通過思維辨析，深化了對科學概念的理解、掌握概念的本質，并通過科學實踐建構概念，使概念精準化。

（三）從記憶到邏輯，經歷概念關聯過程

科學教育的很多概念、知識都是零散的，是粒狀的、塊狀的，呈現出“點”的特征。其實，概念之間不是絕對割裂的，是有關聯的，是具有整體性、系統性的“面”的特征的。

教科版六年級《科學》上冊《神奇的小電動機》一課，要求學生在掌握了磁鐵、電產生磁、電磁鐵等概念的基礎上，將上述概念進行關聯、整合成一個整體來建構電動機轉動起來的概念。

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

我們對教學進行了如下改進。教學時首先讓學生認識小電動機的結構，每部分結構的功能是什么，提出猜想后用實驗驗證。電刷是連接導線的，說明其作用是導電。觀察轉子發現：轉子是鐵芯和線圈組成，初判是電磁鐵，通過給轉子通電發現轉子可以吸引大頭針，說明產生了磁性;斷電后不能吸引大頭針，說明轉子磁性消失，證明了轉子是電磁鐵。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生作用才能動起來。如何證明我們的想法？把轉子安裝在自制支架上，用兩塊磁鐵去靠近轉子，給轉子通電后，可以發現轉子轉動起來了。這樣，一步一步帶領學生進行探究，一點一點對分散的科學概念加以整合，將科學概念拼合成網狀，實現概念的整體性。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）

在科學教學中，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。教師在教學設計時，要注意各離散的概念點在教學中的角色，要綜合地、整體地把握，引導學生不斷對已學知識進行從記憶到邏輯的關聯，讓學生在科學實踐中搭建起相互關聯的概念框架，從而實現科學概念的整體性。

（四）結合實際問題，經歷概念探索過程

《義務教育小學科學課程標準》提出，小學科學課程強調從學生日常生活出發，通過學生親身經歷動手動腦等實踐活動，理解基本的科學知識，并嘗試用科學方法和科學知識予以解決。

在科學教學中，學生完成學習獲得概念后，需要“應用科學”。因此，在概念獲得和概念應用之間，教師要有意識地設計教學，幫助學生在兩者之間建立聯系，讓學生理解概念內涵。

教科版四年級《科學》下冊《比較不同的土壤》一課，主要內容是研究沙質土、壤土、黏質土的顆粒大小，以及滲水性和黏性的不同，根據實驗結果說說對植物生長的影響。這樣的教學流程就是在概念獲得的基礎上進行概念應用，概念應用成了一個單獨的環節，聯系性不強。

為更有效地實現概念應用，我們將教學調整為，出示西瓜、荷花、鳳仙花三種植物，同時告訴學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？學生帶著生活中實際需要解決的問題，在教師的引領下對三種土壤的特點進行研究，獲得相關概念，并將這些概念運用到解決實際問題中去。這樣，概念應用就與概念獲得處在了同等的位置，并將它們充分聯系起來，讓科學應用有科學概念的依托，科學應用也能促進科學概念的理解、深化和遷移。

三、實踐成效，科學測評

2020年9月，我校畢業生參加了蘇州市義務教育學業質量監測，科學能力水平監測。指標得分情況如圖2所示。

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

通過本次監測數據，可以說明我們在創設良好的學習情境、發生有效的探究過程、學生自主學習建構整體概念并利用科學概念解決生活中的問題等教學方式的探索中，學生的科學能力水平都有了一定的提升，在概念獲得、概念理解、概念應用的概念學習上都有了深度發展。

因此，在落實概念教學和概念理解中，我們一定要有針對性地落實課程標準解讀、教學目標設定、教學設計思考、課堂教學方式調整等措施;要注重科學實踐，讓學生經歷概念的獲得和應用過程，促進對科學概念建構和理解，實現學生在科學概念上的深度發展，從而促進學生形成良好的科學素養。