指向概念進階的科學實驗教學設(shè)計

章榮華

摘? ? 要?? ?為了破解小學生在概念理解中的障礙，應以大概念教學為基礎(chǔ)，從引發(fā)概念爭議、突破概念難點、深究概念關(guān)聯(lián)、豐盈概念要義、修復概念盲區(qū)等方面對實驗教學過程做出優(yōu)化設(shè)計，建構(gòu)符合小學生認知特點的教學思路，幫助學生實現(xiàn)概念認識的有效進階。

關(guān)鍵詞? ?概念進階? ?實驗教學? ?教學過程設(shè)計

“學習進階是對學生在各學段學習同一主題概念時所遵循、連貫的典型的學習路徑的描述。”[1]其中，概念進階是重要內(nèi)容之一，它的落實有利于提升學生的科學思維品質(zhì)。個體對概念的理解一般按照前概念、簡單的事實性概念、分解概念、核心概念、哲學概念的序列進階，本文主要針對個體在前三項概念進階中的問題，設(shè)計符合小學生認知脈絡(luò)的實驗教學過程，幫助其克服概念理解上的膚淺，實現(xiàn)深度發(fā)展。

一、制造矛盾，引發(fā)概念爭議

矛盾情境是學生形成認知沖突的基礎(chǔ)。教學中，教師要善于利用個體先前認識與現(xiàn)實的差別、利用學生間的認識差異引發(fā)概念爭議，啟迪主動思維，促進概念進階。

為了幫助學生建構(gòu)“導體、絕緣體”概念，教材將“鐵釘、木頭、人體、水、木條”等20多種物體接入電路檢測器，通過觀察燈泡的亮與滅，判斷導體和絕緣體，以此幫助學生建構(gòu)“容易讓電流通過的物體是導體，反之則是絕緣體”的認識。事實上，這樣的教學是膚淺的，概念是基于當下事實的概括性解釋，教材實驗只能促進學生的認識到達“能讓電流通過的物體是導體，反之就是絕緣體”這一層級。

怎樣才能實現(xiàn)認識進階？設(shè)計三組充滿矛盾的遞進實驗就是不錯的選擇。當學生認識到“能點亮小燈泡的物體是導體”后，教師首先讓學生把“有、無塑料外殼的回形針，粗細不同的鉛筆芯”接入電路檢測器，發(fā)現(xiàn)只有部分回形針、鉛筆芯接亮了小燈泡，促發(fā)學生質(zhì)疑“能點亮小燈泡是判斷導體與絕緣體的標準嗎？”接著，用“人體導電球”代替檢測器中的小燈泡，重新檢驗“人體、水”，發(fā)現(xiàn)導電球竟然被點亮了，這個出人意外的結(jié)果再次激活課堂……持續(xù)探究中，學生了解到導電球“容易感知微弱電流”，認識馬上產(chǎn)生質(zhì)變，指出水等物體雖沒能點亮小燈泡，但依然能讓微弱的電流通過，因此“電流容不容易通過”是判斷導體和絕緣體的真正標準。為了進一步認清彼此關(guān)系，教師還可讓學生用 “導電球”檢測同一棵樹上的干濕木條，其中干木條不顯示導電，而新鮮木條顯示導電，學生在新矛盾的啟發(fā)下，知道了導體與絕緣體之間沒有界限，只要材料的成分有足夠的差別，就極易彼此轉(zhuǎn)化。

只要教學設(shè)計緊緊圍繞矛盾、分歧展開，就能打破學生的認知平衡，驅(qū)使學生做出行為、認知和心理上的努力，在思維迭代中形成新的解釋。

二、簡化過程，突破概念難點

感知覺活動的泛化會制約學生概念理解水平的發(fā)展，因此，“一英尺寬，一英里深”的格局是科學教育的追求，其特點是以大概念為軸心，刪繁就簡，在簡約而不簡單的設(shè)計中突破概念難點。

擺長是懸點到擺的重心之間的距離。為了幫助學生理解，教材安排了三個小活動：先讓學生用一組擺繩一樣長、擺錘（木條）長短不同的擺測量擺動次數(shù)，認識到擺長不單指“擺繩長”，而應是“擺繩、擺錘的總長”;再次引入一個金屬圓片，將其固定在30厘米長的木條末端，觀察擺動次數(shù)，探究擺次增加的原因;最后引導學生將金屬圓片分別貼在離懸點10厘米、20厘米、30厘米處的木條上，繼續(xù)研究擺的次數(shù)，使學生認識到擺錘的重心會影響擺的總長。

此設(shè)計因過于強化學生實證意識的培養(yǎng)，過多強調(diào)實驗次數(shù)、實驗操作標準（精細的移動圓片位置）和實驗數(shù)據(jù)采集的重要性，影響了對重心概念的關(guān)注。

此時，重構(gòu)實驗比重，對實驗服務概念的發(fā)生與發(fā)展過程很重要的。因此，實驗可圍繞“擺長是什么”的問題展開，通過觀測“擺繩長度不同，擺錘相同”“擺繩長度相同，擺錘長短不同”“擺繩、擺錘（“T”型）長短相同（如圖1）”三組擺的擺次變化，聚焦“重心”，實現(xiàn)對擺長的理解從“擺繩長”發(fā)展到“擺的總長”，直至認識擺長的本質(zhì)是“懸點到重心的距離長”。

與教材相比，設(shè)計“擺繩、擺錘（‘T型）長短相同”的擺是很巧妙的，它表明“擺的總長一樣，擺的快慢也會有所不同”，完全打破了前一次實驗的認識。學生很快將注意力聚焦到了正掛（“T”形）和倒掛（“■”形）的擺錘上，他們用手拎起擺錘，發(fā)現(xiàn)“T”形擺錘上面重，“■”形的擺錘下面重。在學生用圓點標出“重”的位置后，教師指出這就是擺錘的重心，它會影響擺的總長。接著，教師讓學生標記擺長，在對比中看清了“重心”與擺長的關(guān)系。為了判斷學生對“擺長”概念是否真正理解，教師還可以呈現(xiàn)教材中“金屬圓片位置不同的擺”，讓學生運用概念開展新一輪的假設(shè)與驗證。

三、再度實驗，深究概念關(guān)聯(lián)

科學是在懷疑中發(fā)展的，縱觀科學史上“伽利略的球”等經(jīng)典事件，無不證明了質(zhì)疑是科學進步的永動力。教學中，教師應盡可能鼓勵學生質(zhì)疑，走出概念教條式習得的困境。

對“水具有熱脹冷縮的性質(zhì)”概念的習得，教師習慣于教材思路：在燒瓶中盛滿水，塞緊橡膠塞，并插入細玻璃管，將其放入熱水和冷水中，分別觀察液柱的變化，從而建立“水受熱體積膨脹，受冷體積縮小”的結(jié)論。

不加細思，這樣的教學甚稱經(jīng)典。但走近學生，發(fā)現(xiàn)學生非常關(guān)注“燒瓶中的水是否真正受熱或受冷？”“液柱上下變化中，水吸收、釋放熱量的過程是怎樣的？”等問題。如若教師能滿足學生的追問，讓學生再度實驗，對概念的認識就不會只停留在“水受熱體積膨脹，受冷體積收縮”這個口令的熟記上，還能從溫度計的數(shù)值變化中看到熱量的獲得和釋放是一個較緩慢的過程，懂得受熱膨脹、遇冷收縮與物體本身的熱量變化之間存在密切關(guān)系。

因此，當學生完成教材實驗后，教師可引導學生對實驗過程及其結(jié)論提出質(zhì)疑，抓住“水的體積變化與熱量變化之間有怎樣的關(guān)系”這一問題展開研究。實驗中，用兩頸燒瓶替代普通燒瓶，一個口子插入細玻璃管，觀察水的體積變化，另一個口子插入電子溫度計，觀測水的溫度變化。學生在數(shù)字導航下看清熱量緩慢傳遞，水柱慢慢上升（或下降）的現(xiàn)象，懂得兩者是同時發(fā)生的。這個實驗的補充，不但提升了學生探究的積極性，而且加深了學生對體積與熱量變化之間的關(guān)系認識，豐富了概念內(nèi)涵。

四、添補證據(jù)，豐盈概念要義

“語詞是概念的最終形式或最明確的形式。” [2]其內(nèi)涵豐富，是由大量經(jīng)驗和事實結(jié)晶而成。教學的重任是帶領(lǐng)學生歷經(jīng)豐富事實，理解概念內(nèi)涵，實現(xiàn)從“知其然”向“知其所以然”進階。

彈力是物體形狀改變時產(chǎn)生的要恢復原來形狀的力。其間，“形狀改變”和“恢復原來形狀”都是概念中的關(guān)鍵語詞。教學中，教材思路是讓學生在三根橡皮筋上分別掛1、3、5個鉤碼，看到橡皮筋被拉長后，依次取下鉤碼，橡皮筋則恢復原位，從而獲得彈力概念，認清彈力的大小與方向。

這樣的教學，在關(guān)鍵語詞的突破上略顯單薄。一是橡皮筋被拉長只是形變的一種形式，對“彈簧壓短、充氣氣球擠扁、海綿揉成一團”等形變并未提及，造成學生理解片面。二是學生沒能立足“彈力方向”視角審視“恢復原來形狀”的要義，造成認識一知半解。三是僅讓學生經(jīng)歷“用橡皮筋掛鉤碼”實驗，學生對彈力方向的認識只會囿于“向上”的片面認識中。

概念的理解怎樣才能從單薄走向豐盈？讓學生收集盡可能多的證據(jù)是重要方法。學生在拉皮筋活動中感受到“彈力”后，需要繼續(xù)體驗壓彈簧、捏海綿和擠壓充氣氣球等活動，明白物體被拉長、壓短、擠扁、揉成團等都屬于“形狀改變”，懂得 “形狀改變”是物體產(chǎn)生彈力的直接原因。在此基礎(chǔ)上，學生繼續(xù)完成“用橡皮筋掛鉤碼”實驗（如圖2），在觀察到“橡皮筋被重力拉長，取下鉤碼恢復原狀”的現(xiàn)象后，思辯“是誰讓橡皮筋恢復了原樣？”學生研討中認識到橡皮筋被拉長會產(chǎn)生一股和重力方向相反的力，它是橡皮筋要恢復原來形狀時產(chǎn)生的力，方向是向上的。那被壓的彈簧、擠扁的充氣氣球、揉成團的海綿產(chǎn)生的彈力方向是否也一樣呢？對比各個物體形狀改變和恢復原來形狀過程中力的方向，學生認識到彈力方向與施力方向是相反的，與物體恢復形變的方向一致。

見多識廣是學生認識、理解概念并走向豐盈的基礎(chǔ)，實驗中結(jié)構(gòu)化的事實和材料是學生思辨的內(nèi)容，為學生認識編織了更多網(wǎng)點，幫助建立起更豐富的認識。

五、強化思辨，修復概念盲區(qū)

學生常會制約于一些不可見的事實而束縛思維發(fā)展。特別是像力、電、聲音等無法直接感受的概念，小學生很難說服自己認同它們。此時，以實驗為引子，強化對認識的思辨則能幫助學生修復概念認識上的盲區(qū)。

空氣的不可見性制約了學生對“空氣流動形成風”這一概念的理解，小學生對“空氣流動能形成風”的觀念是認同的，但對“（大自然的）風是冷熱空氣相互作用形成的”理解十分困難。“我們沒有用嘴去吹，也沒有扇扇子，（大自然的）風又是誰制造的？”“讓空氣流動起來的力量來自哪里？”為了破解這些問題，教材引領(lǐng)學生歷經(jīng)風的模擬實驗：在上下開口的直筒中放置一根蠟燭，將點燃的蚊香置于直筒的下開口處，觀察蠟燭點燃和不點燃時煙流動的路徑。幫助學生建立“風是熱空氣上升，冷空氣流過來補充”的認識。

其實，風的成因理解遠沒這么簡單。因為蚊香的介入，干擾了學生對筒內(nèi)外冷熱空氣的識別。學生認為蚊香、蠟燭點燃后，筒內(nèi)外的空氣都是熱的，因此很難將風的形成與筒內(nèi)外的冷熱空氣有關(guān)建立聯(lián)系。

怎樣教學，學生才能認同“冷、熱空氣”不僅存在，還彼此聯(lián)系呢？教學中要將“冷熱空氣相互作用形成風”作為教學重點，按照“空氣流動形成風—冷熱空氣的相互作用形成了風—熱空氣上升，冷空氣流過來補充形成了風”這樣的概念進階序列設(shè)計教學。

筆者重點呈現(xiàn)一組與教材不同的風模擬對比實驗（如圖3）。開始不介入蚊香，讓學生直接觀察小風車的轉(zhuǎn)動來推測出筒內(nèi)外空氣的合作形成了風。然后用手觸摸筒壁，認識到點燃蠟燭的筒內(nèi)空氣有冷熱差別，不點燃蠟燭的筒內(nèi)外空氣都是冷的。借此思辨，學生認識到風的形成僅有空氣是不夠的，還需要有溫差的空氣聯(lián)系才能推動空氣流動。在此引入蚊香煙來觀察筒內(nèi)外冷熱空氣的流動方向，驗證中理解風的成因。

只有學生對不可見物進行強力思辨，用理性說服感知覺，學生才能耦合無法用感官直接感受到的事物聯(lián)系中自然理解概念。

總之，小學生要能實現(xiàn)概念進階，需要對概念的“高、低錨點”做出剖析，合理梳理概念習得的障礙點，并著眼小學生特點設(shè)計簡約、可見、有結(jié)構(gòu)的教學活動，幫助學生逐級走向概念的本質(zhì)理解。

參考文獻

[1] 劉恩山，胡衛(wèi)平，郝京華.義務教育小學科學課程標準解讀 [M].北京：高等教育出版社，2018 .

[2] 陳嘉映.哲學·科學·常識[M].北京：中信出版集團，2018.

[責任編輯：陳國慶]