概念理解的圖示：基于模型建構和推理論證的整合設計

摘? ?要：“圖示教學法”以圖像、圖畫為核心來展示科學現象和科學過程，能將科學概念具象化，幫助理解科學概念的內涵和外延。在分析概念理解的困境和發展現狀的基礎上，采用基于模型建構和推理論證的三種圖示教學設計：一是理解為先、因果邏輯的核心概念驅動圖示設計；二是比對遷移、以終為始的逆向理論追溯圖示設計；三是實踐重構、迭代發展的項目學習物化圖示設計。明晰了圖示教學法的步驟，將其修正和完善，實現了有效應用與遷移。

關鍵詞：概念理解；圖示教學；模型建構；推理論證

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）6-0035-5

在《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的課程理念和教學建議中提到，要遵循“少而精”的原則篩選出科學課程的核心概念，在聚焦學科核心概念的基礎上領悟跨學科概念，關注知識間的內在關聯，促進知識結構化［１］。概念是人腦在感覺、知覺和表象的基礎上對感性材料的思維加工和改造的產物，每個概念都包含反映事物本質的內涵和拓展范圍的外延。概念作為思維的基本單元，具有承上啟下和一路伴隨的作用。促進科學概念的理解，對學生的知識體系架構和領悟核心素養的內涵至關重要。圖示是動作的結構和組織，可以將圖示作為外顯的行動框架和內在的理解體系，與學習環境中的各要素交互作用。“圖示教學法”以圖像、圖畫為核心來展示科學現象和科學過程，便于學生逐步、逐層理解概念的名稱、例證、屬性、屬性價值和規則。

1? ? 概念理解存在的困境和發展

科學課程的核心素養內涵分為科學觀念、科學思維、探究實踐、責任態度四個方面，而有機融合１３個學科核心概念和４個跨學科概念是培育核心素養的有效路徑之一，所以首先認識到概念理解的難點和面臨的困境，才能找到合適的方式改善現狀。

1.1? ? 理解的功利與實效

在實際的概念教學中，往往存在“告訴代替思考的教學枯燥”“灌輸代替提問的教學低效”“練習代替建構的教學機械”“記憶代替理解的教學呆板”和“經驗代替策略的教學隨意”五種教學樣態［２］。由于概念教學設計與先進的教學理念相割離，缺少“基于真實情境的問題設計”和“大概念視角下的任務驅動”，導致思維擱淺。學生知道大量相關事實和經驗，零碎知道概念的一些基本要素，但缺少事物之間的關聯和意義建構，這就削弱了概念之間的遷移，減少了對科學概念內涵和外延的持續理解。

1.2? ? 標準的模糊與內隱

概念包含了具體的物體，也包含了抽象的觀念。理解作為認知序列中更為復雜和完整的含義，使得當我們希望理解概念的時候，并沒有真正理解“理解”的含義，更無法用明確的量規去判斷和評價理解的表現。從“追求理解的教學設計”出發，可以通過5個層面來界定理解：（1）理解是一種從專家經驗中得出的重要推理，表現為具體有用的概括；（2）理解具有可遷移性，大概念具有超越特定主題的持久價值；（3）理解包含了抽象的、違反直覺的、容易被誤解的概念；（４）獲得理解的最好方式是揭示式學習及“應用”；（５）理解總結了技能領域的重要策略原則［３］。

1.3? ? 圖示的重構與推理

理解源于大量的事實和經驗，通過學習者原有的圖示來內化或順應。納入原有認知框架的過程，就是通過循循善誘的方式，將模型不斷重構和發展的過程，并把模型遷移到真實情境中，在面對更多現實問題時運用概念來推理論證。建構模型和推理論證是認知概念、規律和遷移創新必不可少的兩個環節［４］，所以基于模型建構和推理論證的圖示設計有利于概念的深度理解，從而逐步形成科學觀念。

2? ? 促進概念理解的圖示設計策略

模型和推理的圖示設計策略基于事實證據（圖１），從教學線和思維線聚焦概念線的“三線合一”，在學生經歷探究實踐的過程中，領悟科學思維，發展學生的概念層級。采用核心概念驅動、逆向理論追溯和項目學習物化的設計策略能夠達到“經驗—映射—關聯—系統—整合”的發展，從而逐步形成核心概念統整的科學觀念。

2.1? ? 核心概念驅動圖示設計：理解為先，因果邏輯

新課標注重以核心概念來建構課程的頂層設計，推動學生從習慣事實性知識的識記趨向概念性理解的深度學習，以真實情境中的真實問題驅動，篩選和提取事物變化的相關要素，在事實和證據的基礎上自主建構模型進行解釋和預測。可以用注重理解為先、因果邏輯的方式來修正和發展圖示，并用聚合圖示來提煉和升華以核心概念為中心的框架，能持續發展學生的高階思維能力。具體包含三個方面：（1）通過可遷移的概念和概念性理解發展發現新、舊知識之間的模式和聯系的能力；（2）將知識分類儲存到頭腦的概念性圖示中，以便更為有效地處理信息；（3）跨文化、跨時間、跨情境遷移概念和概念性理解的能力［５］。

【案例１】 核心概念：運動和相互作用

在對物體受力分析時需充分考慮所有力的綜合作用，如果沒有凈力，物體將不會改變運動狀態；當有凈力時，物體的速度大小或方向將會改變。這隱含了在力作用下，功與能量之間的關系。發現新、舊知識之間的同質模式，就可以采用圖示方式溝通力與運動、功和能量等核心概念之間的關聯（表1）。

核心概念架構起科學學科的基本框架，也架構起學生知識概念體系的框架。通過學生的經驗事實和認知過程，將知識體系進行橫向的關聯和縱向的進階發展，充分發揮核心概念的可遷移性和持續的理解性。通過知識的結構化進行深層理解，培養和發展學生的思維能力。

2.2? ? 逆向理論追溯圖示設計：比對遷移，以終為始

逆向設計是“以終為始”的一種設計方式。掌握一個事物、事件或場景的意義，就是要觀察它與其他事物的關聯：觀察它的運作方式、功能、產生的結果、原因以及如何應用［3］。逆向設計主要包含確定預期結果、確定合適的評估證據、設計學習的體驗和教學這三個階段。通過將期望的學習結果和路徑可視化，明了在學習過程中的教學目標，學生可以從原有的認知框架中提取和加工有用的信息，根據功能的要求來尋找相關的結構，逐步建構符合要求的模型，并與之前認知框架中的相似模型進行比對，塑造和提煉成具有遷移價值和更持久的聚合圖示。

【案例２】 有關電學實驗的整體圖示設計

基本電路的教學主要包括基本電路元件、連接方式、電路狀態和相應規律及應用，電路圖是對電路研究過程的圖示化建模。在學習家庭電路時，可以根據電路特點演變四大基本元件，根據相應需求來增加元件。在電學基本實驗中，也可以根據實驗的原理及要求，逐步構造出電路圖，并將歐姆定律、測電阻、測功率和焦耳定律給出統一聚合圖示（表２）。

物理的力學、熱學、電學、光學和磁學都可以采用這種比對遷移、以終為始的思維策略來提取有用信息進行加工，逐步、逐層來整體架構大概念。例如，電與磁的關系；電生磁現象的逆向思維衍生出磁生電；從小磁針發生偏轉受力，分析、提煉出在電和磁都有的情況下的生力。力和運動的關系中，力是改變物體運動狀態的原因，逆向思維根據物體的運動狀態可以判斷受力情況——在初中連接力和運動的是凈力為零的“牛頓第一定律”和“二力平衡”；高中是凈力不為零的自由落體運動和圓周運動。熱學中的熱機可以用“污染少，轉化效率高”的評價標準來分析推理“外燃機—內燃機”的躍遷，接著從一般概念“燃燒的條件：可燃物、助燃劑和溫度高于著火點”和跨學科概念“結構與功能”的角度來設計和物化。

2.3? ? 項目學習物化圖示設計：實踐重構，迭代發展

從“２０１１年初中科學課標”特點的“探究”發展成“２０２２年科學課標”核心素養內涵的“探究實踐”，要求在突出科學思維和探究方式的基礎上，加強知行合一、學思結合，提倡“做中學”“用中學”和“創中學”。立足學科的項目化學習更具有生命力，在項目化學習中融入了“做中學”的科學探究原型，強調在真實問題中運用科學思維和方法進行持續探究，使得現在的項目化學習具有強烈的設計導向和科學探究意味，體現為映射學科和跨學科的核心概念和原理，是有項目成果的實踐活動［7］。

基于模型和推理的建構和發展，需要不斷通過定性研究和定量測量相融合的方式來驗證比對。而“測量”不僅是探究實驗中獲得數據實證的科學方法，還是與觀察緊密關聯的實驗操作技能，更蘊含在項目化學習的設計、檢測和物化評價的全過程中。所以，“測量”不僅是概念教學視角下的一個核心技能，更是能促進學生理解和遷移的大概念。所以，對“測量”的概念辨析可以分別從概念層面、操作技能和大概念的視角出發，這樣有利于測量技能的動手實踐，組合測量的遷移領悟，以及項目化學習的物化應用（表３）。

新概念的習得與項目化學習方式的融合已經成為當今科學教學的一種方式，選取核心概念作為項目化的精神內核，在項目化的“做中學”中不斷體悟，在動腦、動手中深化理解概念的內涵和外延。通過這種內外結合的持續作用，在真實情境中不斷探索實踐真實問題，讓思維的融合不斷推動概念層級的躍遷。

3? ? 圖示設計促進概念理解的啟示

3.1? ? 圖示設計的步驟

圖示設計的基本思路是在歸納經驗的基礎上，運用概括抽象的方式形成相關的物理概念、規律和原理，然后對有內在緊密關聯的、特征相似的概念進行融合比較，形成核心概念。對不能直接觀察或不易測量的物體，通過抓住關鍵特征來建立模型，通過原型與模型之間的比對進行推理論證。基于模型的推理意味著超越了直接觀察到的結果，而將利用模型進行預測得出的結果與觀察到的結果相比較，可以證實推理和觀察結果之間仍然保持著聯系［6］。

3.2? ? 持續修正和完善

認知心理學家皮亞杰的認知發展理論將認知結構水平分為四種，從低到高分別為運動圖示、表象圖示、直觀思維圖示和運算思維圖示。學生將真實情境和文字描述轉化為圖像和圖畫，揭示物理現象和過程，將抽象化的知識具象化。可以采用圖像的方式呈現模型，在模型的基礎上推理論證；也可以建立概念圖、思維導圖等圖示方法，在原有的知識基礎上，不斷豐富內涵，修正和完善圖示模型，串聯起相互之間的關聯。

3.3? ? 有效應用與遷移

圖示思維教學在教學實踐中起到很大作用，錘煉了學生的模型建構、推理論證和創新的科學思維，而且將科學的文字圖像化，將科學的圖像動畫化，是我們進行科學教學過程中的基本思路。理解核心概念和跨學科概念，對不同階段的學生有相應的認知提升。注重科學概念的理解就是體現概念的通用價值，在概念生成和發展的過程中體驗和應用知識，揭示知識體系之間的關聯，逐步形成能發展的概念知識體系。

我們要讓模型建構和推理論證過程立足于科學思維，要通過聚合圖示來促進核心概念的凝聚和發展，要遵循認知規律，依照“事實經驗—一般概念—核心概念—跨學科概念—科學觀念”的認知發展，讓概念理解在不斷同化和順應的過程中完善和漸進。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（２０２２年版）［S］．北京：北京師范大學出版社，２０２２.

［２］陳鋒．初中科學概念教學范式的創新研究［Ｍ］．上海：上海教育出版社，２０１７.

［３］格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格．追求理解的教學設計［Ｍ］．閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯.上海：華東師范大學出版社，２０１８.

［４］蔡鐵權，鄭瑤．物理觀念建構的方式和途徑——物理觀念教育思考之四［Ｊ］．物理教學探討，２０１９，37（６）：１０－１３，18.

［５］林恩·埃里克森，洛伊斯·蘭寧．以概念為本的課程與教學：培養核心素養的絕佳實踐［Ｍ］．魯效孔，譯.上海：華東師范大學出版社，２０１９.

［６］溫·哈倫．科學教育的原則和大概念［Ｍ］．韋鈺，譯.北京：科學普及出版社，２０１１.

［7］夏雪梅．項目化學習的實施：學習素養視角下的中國建構［Ｍ］．北京：教育科學出版社，２０２２.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2023-11-19

基金項目：2024年浙江省教研課題“基于科學概念學習進階的教學設計模型的研究”（G2024192）；2023年度浙江省教育科學規劃課題“素養導向的初中科學概念理解的創新范式研究”（2023SC209）；第三批紹興市“品質課堂”深化行動研究項目“基于科學概念學習進階的教學設計模型的研究”（2024XK22）。

作者簡介：沈強（1979-），男，特級教師，正高級教師，主要從事科學教學工作。