科學概念教學中的圖形表征策略——以物質科學領域為例

陳有志

概念是科學知識體系中的地基，只有當學生對概念形成準確深刻的理解，才能形成認知基礎，進而更有效地學習其他部分內容。概念有很強的抽象性和邏輯性，如果僅憑描述難以完全讓學生理解。圖形表征則可以用直觀圖形來展示概念中包含的要點，以可視化的方式支持學生學習。下文，筆者以物質科學領域的概念教學為例，探討如何運用圖形表征策略促進學生的概念學習。

一、小學階段的物質科學概念

《義務教育小學科學課程標準》（以下簡稱“課標”）將小學科學的課程內容分為“物質科學”“生命科學”“地球與宇宙科學”“技術與工程”四大領域。物質科學領域有六個主要概念：物體具有一定的特征，材料具有一定的性能；水是一種常見而重要的單一物質；空氣是一種常見而重要的混合物質；物體的運動可以用位置、快慢和方向來描述；力作用于物體，可以改變物體的形狀和運動狀態；機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現形式。

我們生活在物質世界中，每時每刻都在接觸各種各樣的物質，對于剛剛接觸科學課程的小學生來說，讓他們形成對物質世界的正確認識，是小學階段科學教學的重要任務。物質科學領域的六個概念聚焦于對物質、運動、能量的解釋，并將此領域的知識點聯成整體，成為認識科學世界的基本圖式。

二、物質科學概念教學中的圖形表征方式

圖形表征作為解釋概念的直觀方式，可以幫助學生理解概念。結合課標對主要概念的描述，教師可用以下方式對概念進行圖形表征。

（一）以圖形表征概念的內涵

物質科學概念的內涵包含多個層次，許多基本概念涉及不同的知識模塊。使用圖形表征的方式能夠清晰顯示概念內涵的層次，為學生認識概念提供支架，讓學生對概念形成全面的理解。如：與“空氣”這一概念有關的知識相當豐富，教師可以借助如下概念圖（見圖1）表征“空氣”概念的內涵。

圖1 空氣概念的內涵

以上概念圖整合了新編蘇教版《科學》一下和三上中有關“空氣”的內容，體現了知識點的聯系性和遞進性，包含了課標中“空氣是一種常見而重要的混合物質”概念中的主要內容。如關于“形態”的內容讓學生了解空氣是一種物質，關于空氣組成的內容讓學生了解空氣是一種混合物質。在對“空氣”各維度進行闡釋時體現了延伸性，由空氣“會流動”的特征延伸至風的產生原理。本概念圖可在三年級“空氣”部分教學后使用，可讓學生形成對“空氣是一種常見而重要的混合物質”大概念的整體認知，并在深度認識空氣的基礎上加固對物質世界的理解。

（二）以圖形表征概念的聯系

科學概念之間存在一定的聯系性。教材各單元中往往存在不同概念之間的交叉點，此時，教師可以用圖形來表征概念之間的聯系，讓學生建立系統化的思維網絡。如對“小水輪”探究活動可以建立如下概念圖（見圖2）。

圖2 “小水輪”活動的概念圖

圖2將空氣、水、力、運動等方面的概念整合了起來，表現了不同概念之間的聯系。“小水輪”這個實驗出現于探究“水”的專門單元中，但其中涉及的知識點并不局限于“水”的有關概念。其中與水有關的知識主要是水體現物質的流動性，其余則以力、運動和能量轉換的知識為主。圖2融入了物質科學領域的一些大概念，再將其與本課具體內容相結合，表現了用嘴吹、用手撥和用水沖三種產生力的方式，其作用于小水輪的共同結果是改變了機械運動形態，使其從靜止變為轉動。用這樣的概念圖進行教學，可以幫助學生把握概念之間的聯系，探尋事物的相同點和普遍規律，并形成結構化的知識。

三、小學物質科學概念教學中圖形表征策略的運用

物質科學概念教學中的圖形表征策略既是教的策略，也是學的策略，使用時要與教學的實際情況相結合，從而讓其更好地發揮作用。

（一）結合具體知識圖解概念

概念是認識世界的基本構件，其中許多都具有元認知的特征，是組成思維的元素。在小學階段，一般并不直接對這些概念本身進行教學，而是將其融入具體的知識點，這有助于學生理解。

1.基于大概念分析知識。

教師要從物質世界本質的角度認識概念，進而有效勾連各模塊知識，整理知識發展的鏈條。在面對小學科學的課程內容時，教師要能找準其在物質科學領域大概念下所占的位置，了解其對于學生理解大概念的作用。對知識在概念體系中的定位產生清晰的認識，是運用圖形表征策略的前提。如：新編蘇教版《科學》三下“身邊的材料”單元對應的大概念是“材料”，該單元教學要讓學生理解“材料有一定的性能”。材料的性能對應著它們的用途，只有讓學生從用途的角度來理解材料，才能幫助學生將各種信息納入知識網絡。又如：新編蘇教版《科學》二下“玩磁鐵”單元對應的大概念是“材料”和“運動”，通過該單元的學習，學生要知道磁鐵是有磁性的材料，能夠對某些物體產生作用，通過運動釋放能量。有了這些大概念引路，知識才能形成網絡。基于大概念分析知識能夠為圖形表征策略的運用奠定良好的基礎。

2.細化切入點進行表征。

對物質科學領域的概念進行圖形表征，常須基于一個較小的切入點。教師需要將大概念中的要素與具體主題結合起來，并貫穿于主題下的主要分支知識點，形成一個網絡，以便于學生理解和表述。在課堂中演示相關圖示，能夠將知識化抽象為直觀，有效地支持學生學習。以三下“身邊的材料”單元為例，教師可將“天然材料與人造材料”“紙”“金屬”“塑料”作為立足點，然后對“材料”概念進行如下表征（見圖3）。

圖3 “材料”概念表征

布盧姆將學習活動分為識記、理解、運用、分析、綜合、評價六個層次。運用以上概念表征圖，能夠幫助學生實現高層次的學習。在圖3中，教師引入“材料”的上位概念“物質”，同時點明“材料是具有特殊性能的物質”，這可作為學生認知的本源，然后再沿分支概念“材料”進一步引出其他要點。在學習科學課程時，許多學生會感到結論很多、知識點很多，以至于出現單純“識記”的情況。這種學習活動層次低、效率低，而且不符合科學課程的特征。使用概念表征圖，能幫助學生更好地進行分析和綜合，能夠讓學生理解知識的結構，知道知識是如何產生的，從而使學習不再依賴于簡單的識記。

（二）使用圖表整理探究結果

在小學科學教學中，概念應由學生探究得來，而非教師告知。在探究活動結束后，教師可使用圖表引導學生整理探究結果，使概念的圖形表征與學生的自主學習相結合。

1.根據教材巧設活動。

開展探究性活動是引導學生認識科學概念的重要方式。學生只有像科學家那樣親歷觀察、實驗、對比、思考的過程，才能收獲屬于自己的結論，而不是僅僅學習現成的知識。教師可基于教材對探究性活動的方式、梯度進行設計，使活動更加清晰地指向概念理解，讓學生在探究中逐步明晰概念。

以二下“玩磁鐵”單元為例，該單元可以以“探究磁鐵的磁性”為總目標，力求讓學生建立探索材料性能的概念，然后，分兩個階段開展探究活動：首先，讓學生用磁鐵嘗試吸各種各樣的物品（探究一），在大量的操作與觀察基礎上通過歸納得出結論。其次，開展接力吸鋼珠（探究二）、釘子取鋼珠（探究三）、隔練習本吸回形針（探究四）、隔水取回形針（探究五）的實驗，讓學生進一步探究磁力對物體產生作用的方式。在開展活動時突出磁性和磁力兩個概念，讓學生在現象中感知能量的傳導，體會磁力如何在不接觸物體的情況下引起其他物體的運動。

2.運用圖表解析概念。

課標在物質科學領域的主要概念中指出：機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現形式。在該概念的分支概念中指出：磁鐵有磁性，可對某些物體產生作用。在完成探究活動后，學生需要結合“磁性”和“對某些物體產生作用”進行知識梳理與呈現，形成完整的知識體系。當學生完成探究結果匯報后，教師可以出示圖4。

（圖4）

圖4列出了五個探究活動得出的結論，直觀呈現了“玩磁鐵”單元的主要內容，同時體現了對知識的耙梳，將不同的結論歸結到“磁鐵的磁性”和“磁鐵對某些物體產生作用的方式”概念下，體現本課與物質科學領域大概念之間的關系。開展這樣的教學，有利于學生知識學習的系統化、結構化。本課探究活動的類型十分多樣，探究子目標十分明確。但僅憑各個探究活動，只能得出多個不同的結論，難以讓學生形成系統性的認知。在探究活動后運用以上圖表開展教學，可以引導學生聚焦上位概念，從而理解本課的知識，進而讓學生對通過探究獲得的知識進行再加工，提升思維品質。

（三）巧用概念圖促能力提升

1.基于圖形開展有效互動。

概念的圖形表征有一定的深度，僅憑演示圖表是無法讓學生真正理解的。概念圖只是知識呈現的一種載體，要使其發揮助力教學的作用，需要教師結合圖形與學生進行互動，讓學生跟隨圖形進行思維活動。從教學技巧的使用方面看，教師可以鼓勵學生讀圖，讓學生讀出圖示所代表的意義。在演示概念圖時，要將演示、講授與互動相結合。教師可以使用提問法，針對圖示中涉及的知識進行提問，學生在思考、討論后回答，然后教師顯示圖示中相應的內容。借助這種方式，可讓學生參與到概念圖的形成過程之中。

2.引導學生自主制作概念圖。

教學中，教師除了要利用概念圖開展科學概念教學外，還應讓學生感受概念圖制作的過程，習得利用概念圖進行學習的方法。教師可以選擇較簡單的知識模塊，然后對主要概念進行深入講解，再引導學生嘗試制作概念圖。如在學習與聲音有關的知識后，學生了解了“聲音是經物體振動而產生的”，這對多數學生的舊有知識體系是一個沖擊。以往學生只能從功能的角度將聲音理解為一種信號，并不知道聲音是怎樣產生的。開展本課教學時，教師可以引入“物質”“運動”“能量”的概念，在“運動”的大概念下講解“振動”概念，從能量傳遞的角度講解聲音的傳播，然后由學生制作概念圖，畫出物體經振動在物質世界中傳播聲音的過程。教師在教學中要做到循循善誘，引導學生在已有知識基礎上進行擴散、聯結，分析知識的本源。繪圖的過程是思考的過程，教師在教學中開展這樣的訓練，可以提升學生的思維精細度，讓學生在學習中始終關注概念，并運用概念進行思考。

總之，概念教學在小學物質科學領域的教學中至關重要。教師要讓學生在具體知識的學習中領悟主要概念，以主要概念串聯起整個物質科學領域的知識體系，進而促進學生科學素養的發展。