小學(xué)科學(xué)概念分析與理解

概念在教學(xué)中有非常重要的作用，教師抓住概念就不會(huì)在授課當(dāng)中陷入零散的基本事實(shí)和基本現(xiàn)象當(dāng)中，教師就會(huì)更多地關(guān)注普通知識(shí)背后規(guī)律性的知識(shí)，更容易在教學(xué)過程中向?qū)W生滲透學(xué)科本質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。本文以小學(xué)科學(xué)的“簡(jiǎn)單機(jī)械”這一主題為例羅列了基本事實(shí)和基本現(xiàn)象，歸納出概念，梳理了從基本事實(shí)和現(xiàn)象到概念以及到科學(xué)主題的邏輯鏈條。

一、科學(xué)主題與科學(xué)概念

科學(xué)知識(shí)領(lǐng)域分為物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)等學(xué)科。但是我們知道這是人類為了某種方便而化分的，不同學(xué)科之間有著密切的聯(lián)系，我們可以借助一些共性的主題將它們統(tǒng)攝起來。美國(guó)加州的科學(xué)“框架”提煉了六個(gè)科學(xué)主題，分別是能量、演化、變化的形式、尺度與結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、系統(tǒng)與相互作用。[1]

科學(xué)主題是科學(xué)中具有統(tǒng)攝性思想的內(nèi)容，而小學(xué)科學(xué)課程涉及的知識(shí)大多為科學(xué)現(xiàn)象和對(duì)這些現(xiàn)象的歸納解釋。這些現(xiàn)象是基本事實(shí)，而對(duì)這些事實(shí)的歸納解釋有一些是表層的，是表象性概念，教師在授課的時(shí)候不應(yīng)該陷入瑣碎的基本事實(shí)和表象性概念當(dāng)中，因?yàn)閷?duì)學(xué)生來說重要的不是記住這些事實(shí)，而是學(xué)習(xí)這些事實(shí)背后蘊(yùn)含的共性的、有代表性的知識(shí)。[2]這些知識(shí)具有一定的擴(kuò)展性和可遷移性，它在地位上低于科學(xué)主題，能進(jìn)一步深化，逐步上升到科學(xué)主題，最終上升到哲學(xué)層面，影響我們的世界觀、情感態(tài)度、價(jià)值觀。這些比一般事實(shí)和概念更具有代表性的知識(shí)也就是我們說的科學(xué)概念。它們之間的上下位關(guān)系可以用下圖表示。

通過這樣逐層的學(xué)習(xí)，學(xué)生獲得了一種觀念，提升了一種能力。或者說，學(xué)生獲得的是具有生命力的知識(shí)，這種知識(shí)不是記憶的，而是能廣泛應(yīng)用的。

二、實(shí)例

現(xiàn)以北京版科學(xué)教材五年級(jí)第五冊(cè)第三課“簡(jiǎn)單機(jī)械”這一單元為例來分析科學(xué)概念。

簡(jiǎn)單機(jī)械這一單元，內(nèi)容包括杠桿、滑輪、輪軸、斜面、齒輪、簡(jiǎn)單機(jī)械組合。目的是讓學(xué)生接觸簡(jiǎn)單機(jī)械，了解簡(jiǎn)單機(jī)械的作用、原理和特點(diǎn)。

1.事實(shí)與表象性概念

事實(shí)如下：

（1)杠桿：動(dòng)力臂大于阻力臂時(shí)省力，費(fèi)距離；動(dòng)力臂小于阻力臂時(shí)費(fèi)力，省距離。力臂相等時(shí)力相等。

（2)滑輪：滑輪是杠桿的變形，定滑輪相當(dāng)于等臂杠桿，不省力，能改變力的方向。動(dòng)滑輪相當(dāng)于動(dòng)力臂是阻力臂的兩倍，可省一半力，距離增加一倍。動(dòng)滑輪不能改變力的方向。

（3)輪軸：杠桿的變形，輪的半徑相當(dāng)于動(dòng)力臂、軸的半徑相當(dāng)于阻力臂。輪的半徑相對(duì)于軸半徑越大，越省力，越費(fèi)距離。

（4)斜面：斜面高度相同的情況下，斜面越長(zhǎng)越省力。

（5)齒輪傳動(dòng)：轉(zhuǎn)速越大，扭矩越小；轉(zhuǎn)速越小，扭矩越大。

（6)自行車上的簡(jiǎn)單機(jī)械。自行車變速。

表象性概念：省力杠桿、費(fèi)力杠桿、杠桿的分類。

2. 本單元的知識(shí)上下位關(guān)系

（1）能量守恒

本單元一條重要的上下位線索是力與距離的關(guān)系。從簡(jiǎn)單機(jī)械是否省力、是否省距離這些基本事實(shí)，可以得出簡(jiǎn)單機(jī)械不可能既省力又省距離的結(jié)論。這就是功的原理，使用任何機(jī)械都不省功。功的原理適用任何機(jī)械，無論是杠桿還是斜面或是齒輪。在物理學(xué)中，功是力對(duì)空間的累積作用。因而不可能既省力又省距離，或者說使用任何機(jī)械都不省功。功是能量轉(zhuǎn)化的量度，不省功是能量守恒的表現(xiàn)。因此，科學(xué)概念是功的原理，深化為能量守恒，對(duì)應(yīng)科學(xué)主題是能量。

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)平衡

從杠桿和杠桿的變形（如滑輪和輪軸）等具體事實(shí)可以得出動(dòng)力和動(dòng)力臂的乘積等于阻力和阻力臂的乘積這一認(rèn)識(shí)，即杠桿原理或杠桿平衡條件。杠桿平衡是一種轉(zhuǎn)動(dòng)平衡，也叫力矩平衡。杠桿是定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，通常是定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)平衡要求力矩矢量和為零，在這里就是杠桿平衡條件。因此，科學(xué)概念是杠桿原理，深化為轉(zhuǎn)動(dòng)平衡，對(duì)應(yīng)科學(xué)主題是穩(wěn)定性。

（3）根據(jù)用途來選擇使用工具

簡(jiǎn)單機(jī)械可以省力費(fèi)距離，可以省距離費(fèi)力，也可以不省力不省距離改變方向。這都有具體實(shí)例。簡(jiǎn)單機(jī)械沒有好與不好之分，關(guān)鍵要看我們用來做什么。即簡(jiǎn)單機(jī)械的目的是滿足我們的用途。因此，科學(xué)概念是根據(jù)用途來選擇使用工具。這是從技術(shù)方面來理解知識(shí)。其上位觀念是技術(shù)源于人類的需求和愿望。

三、總結(jié)

掌握了功的原理這一科學(xué)概念，學(xué)生在遇到未知機(jī)械，如自行車變速、液壓機(jī)、汽車換擋變速等情況時(shí)就比較容易理解了。掌握了杠桿原理這一科學(xué)概念就容易知道，杠桿省力或費(fèi)力要看力臂，而找力臂關(guān)鍵是找支點(diǎn)。而學(xué)生學(xué)習(xí)了根據(jù)用途來選擇使用工具這一科學(xué)概念就會(huì)對(duì)技術(shù)有更深刻的認(rèn)識(shí)。

教學(xué)過程中有一些概念對(duì)小學(xué)生來說比較難理解，要到初中、高中才學(xué)到，比如功的概念、力矩的概念。這時(shí)教師不需要急于把這個(gè)概念塞給學(xué)生，可以用一些方法略作滲透。比如講功的原理時(shí)不能講功的概念，這就要多強(qiáng)調(diào)機(jī)械不可能既省力又省距離。再比如講杠桿原理時(shí)，可以轉(zhuǎn)化為使杠桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的效果與使杠桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的效果抵消了，杠桿平衡了，這樣既可以回避力矩的概念，又聯(lián)系到了力矩的本質(zhì)。

如何將科學(xué)概念滲透給學(xué)生，如何將抽象化為具體，這需要教師創(chuàng)造性的勞動(dòng)，也是教師價(jià)值得以體現(xiàn)之處。

參考文獻(xiàn)：

[1]California State Board of Education.Science Framework for California Public Schools: Kindergarten Through Grade Twelve[M]. Development and Supplemental Materials Commission，1990:39.

[2]胡玉華.對(duì)生物學(xué)核心概念及其內(nèi)涵的研究[J]. 生物學(xué)通報(bào)，2011(10)：33-36.

（作者單位：北京教育學(xué)院教師教育數(shù)理學(xué)院）

（責(zé)任編輯：林靜）