用“模型”建构概念进行教学设计与改进

◎ 陆 蕙

初中科学学科是自然科学领域的综合性学科，在落实知识概念的同时，需要引导学生用科学的探究方法去发现概念的要素内容。在用科学大观念指引教学的实证研究中，用科学大观念去分析教材、设计教学过程，让学生在问题探究与解决过程中，能够有意识地根据科学规律去解决问题，实现深度学习，从而发展学科核心素养与关键能力。

心理学研究指出，概念的形成是从外部的、比较具体的非本质特征到内部的、比较抽象的本质特征的不断深化过程，再到逻辑定义阶段，概念才最终形成。儿童心理学家皮亚杰研究认为，11—12岁的青少年时期为“形式运算阶段”，即到达以抽象概括的形式把握事物的阶段，能对概念作出较为准确的描述。六年级的学生已经到达这个阶段，他们对概念的认识，属于逻辑定义阶段，即以某类事物区别于其他事物的本质特征来理解概念。

“熔化”一课对应六年级下册《科学（上海牛津版）》教材中第六章“水与人类”中的内容，是水的三态变化的学习的起点。本文将阐述“熔化”一课的教学设计与改进的过程，力图体现学科内的科学大观念指导教学的设计思想。

一、确定科学概念的本质，制定教学目标，体现学科内的科学大观念

“熔化”概念背后的科学本质是“粒子模型”，用粒子模型解释物质三态的区别是学生的前概念。冰变成水的过程是最常见的熔化现象，学生对这一宏观现象有一定的认识。本堂课的设计就是引导学生通过探究学习，将熔化过程中的特有现象——吸收热量温度不变与微观粒子运动与物质状态的关系形成关联，理解宏观现象的微观原理，从而认识冰水混合阶段，吸收热量，温度不变，称之为熔化。

教学目标具体表示为：①知道水的三态为固态——冰、液态——水、气态——水蒸气；②通过选择相关实验装置设计探究实验，认识冰在熔化过程中的温度变化情况，知道冰熔化时的温度称为熔点；③根据“水的熔化”实验数据分析，推测并验证水沸腾时的温度变化情况，简述其理由。

将粒子模型的思想，与熔化过程中吸收热量温度的概念本质联系在一起，体现在教学目标中。

二、用粒子模型思想，进行探究教学，建构教学内容

基于教学目标，在研究过程中，笔者先后两次进行了教学设计和改进，力求通过粒子模型建构“熔化”概念。组织学生用粒子模型的思想，设计完成探究实验，获取有效实验数据，经过对数据的分析和解读，理解“熔化”概念的本质。

第一次教学设计从学生已有的宏观认识冰雪消融开始，告诉学生冰变成水的过程称为熔化。然后研究熔化过程中温度变化的特点，最后用粒子模型来解释为什么温度不变。第二次教学设计从复习固体、液体、气体粒子模型之间的差异开始，区分固体与液体的微观差异，认识宏观变化的本质由微观结构决定，为探究实验设计找到切入点。再通过问题链，帮助学生建立起物态变化与能量的关系，发现探究实验的关键要素。记录与分析实验现象后，从熔化过程的温度变化特点的角度，结合粒子模型形成“熔化”的概念，同时迁移到沸腾过程温度不变，体现学生深层学习的过程。

通过两次教学设计的比较发现，学科内大观念的相互联系，可以通过教学设计，结合概念的内涵本质，形成探究活动设计线索，最终完成观念引导下的有效探究实践活动，获得概念。具体教学内容建构和改进点如下。

（一）从前概念出发，通过问题链，找到探究活动的关键点

通过复习，学生用粒子模型解释固体冰与液体水的结构差异后，教师针对熔化的本质特征提出一连串问题：冰是否能变成水？如何变成水？变化过程中温度是否会发生变化？如何变化？

学生基于前概念和生活经验，认识到冰变成水需要吸收热量。只要周围温度比冰的温度高，冰就可以吸收到热量从而变成水，并猜测这一过程中温度变化的特点。

基于学生的猜测，教师进一步提问：证明猜测的方法是什么？探究过程中需要观察和记录的现象和数据是什么？

学生再次回顾冰变成水的过程，经历了“冰—冰水混合物—水”的过程，需要测量的是在这三种不同状态下温度的变化情况。探究需要观察“冰变成水”的状态阶段，要记录不同状态时温度的变化情况。由此得出探究实验中观察的关键要素不仅仅是吸收热量，还涉及冰的状态与温度变化的关系。

与第一次教学设计相比较，学生找到了探究的关键要素需要冰的状态和温度变化两个因素对应，才能更好地发现熔化过程的特点。不同于之前的探究设计从控制变量入手，偏重于温度变化的对照，第二次教学设计探究点着重于熔化过程是否吸收热量。

（二）基于探究实验关键要素，选择实验仪器，确定实验方案

确定观察要素是“熔化过程温度不变”后，教师继续提问引导。要观察冰变成水的过程中冰的状态，并记录“温度变化”需要进行什么操作？需要用到哪些仪器？如何加快实验进程？如何发现温度变化的特点？

学生讨论后得出，可以在空气中对冰进行加热，也可以用温水或者酒精灯加热以加快实验进程。例如，用温水对冰进行加热，如果温水的温度降低，说明冰变成水的过程需要吸收热量。用温度计或者温度传感器测量温度变化，通过记录数据可以体现温度变化规律。学生根据讨论结果设计记录表。

教师提供DIS温度传感器，重温测量方法及记录方法，指导学生实施实验。实验中学生关注冰的状态和温度变化两个关键观察点。实验结束后，教师请学生用手去感觉，熔化过冰块的温水与没有熔化过冰块的温水之间温度的差异，直观认识冰的熔化过程需要吸收热量。

第一次教学设计侧重于“控制变量”，实验装置比较复杂，需要记录的数据比较多，学生关注点在“吸收热量”环节，会忽略熔化概念中另一个核心内容，即熔化过程中温度不变的过程与冰水混合状态之间的关系。第二次教学设计中，没有定量测定冰熔化时周围环境温度的变化情况，但通过感知水温的变化，也能明显感受到冰熔化过程中吸收热量，从定量和定性两个方面去认识“熔化”概念的核心内容。

图1 教学设计一对应的温度变化曲线

（三）对应现象与温度变化曲线，找到温度变化特点，形成熔化的概念

图2 教学设计二对应的温度变化曲线

教师展示各小组的DIS温度传感器测量收集的数据及相应标注的现象，学生直观发现冰在熔化过程中呈冰水混合物状态时温度不变。再比较未放过冰块的温水和熔化了冰块的温水的温度，体会到冰在熔化过程中吸收热量但温度不变的特点，从而形成“熔化”这一概念。这一过程的温度变化曲线分别如图1和图2所示。

由图1中三条温度变化曲线的比较，得出熔化过程需要吸收热量；通过熔化过程的温度变化曲线，认识熔化过程温度不变，但 “熔化”这一过程究竟对应哪段现象，没有明确分析。图2中的数据曲线只有一条，通过学生的标注，将“冰的状态”与“温度变化”对应起来，有一段温度不变的状态就是熔化的过程，其概念特征非常明确。吸收热量虽然没有在曲线上表示，但学生通过感受及生活经验也能很好理解，同时降低了数据分析对照的难度，更加突出概念的本质特征。

（四）揭示宏观现象的微观本质，建立“熔化”概念，理解探究实验设计的本质

探究实验之后，从现象到本质的联系，仍要从粒子模型的角度去解释熔化过程温度不变的本质。由于教学设计二本身就是从粒子模型中来的，学生在实验过程中感受到冰、水两种状态和温度变化的对应关系，更加深入理解了冰熔化过程中温度不变的本质是粒子构成不同。

课末，教师进行提问：“如果将水加热到沸腾，在沸腾的过程中，水温变化会有什么特点？为什么？”其用意是检测学生是否理解物态变化与能量变化之间的关系，是否能用“粒子模型”将“熔化”概念迁移到“沸腾”的概念，理解探究实验设计的科学本质，推进学生深层学习和思维发展。

三、基于实证，探索教学的路径与方法，有效体现探究教学效果

运用“模型”形成概念的探究活动设计，在教学的每个环节都要有相应的科学观念或方法去引领学生完成探究实践。

在引入部分，要基于“熔化”概念，联系科学粒子模型的观念，得出探究活动设计的依据，如本课设计中粒子模型，作为学生已经学习过的内容，为“熔化”概念本质特征的获得提供了理论基础。

探究活动过程中，尤其是提出问题形成假设的环节中，要精心设计问题链，沿问题解决的方向，步步走向精准找到可探究的关键问题。如本节课从固体到液体粒子变化的规律中，学生可以发现需要探究的本质特征是“温度变化”及“冰的状态变化”。“温度变化”涉及“冰的温度”和“环境温度”两个方面；“冰的状态”经历“冰—冰水混合物—水”的变化过程，由此找到探究实验的关键点，为实验的设计与实施、实验现象数据的收集与分析提供依据。

探究方案的设计，更要遵循概念形成的规律，基于概念本质特征，找到探究实验的关键点以提高方案设计的目标解释性。本节课中，在学生设计方案过程中，教师提供相应的实验仪器供学生选择，仪器选择的目的在于精确、有效、直观地探究问题，验证假设。在探究活动中有意识地引导学生运用科学观念和方法去解决问题，有利于学生的深层学习和逻辑思维的发展。

探究实验过程中的观察与记录，也是探究实验的重要环节，记录的数据与现象能突出区别其他事物的本质特征，会使探究学习更有意义。本节课DIS温度传感器及其数据处理系统，为学生发现“熔化”过程温度不变提供了直观的数据，学生将对应观察到的“冰的状态”标注在数据图像上，进一步落实了分析“冰的熔化”过程中现象与温度关系的特点，观察与记录行之有效。

在探究实验数据分析过程中，概念就自然而然形成了，抽象概括概念的核心与本质，用大观念实现深层学习。本课学习中粒子模型是科学学科中的一个大观念，是“熔化”一课中的重要概念。通过探究实验活动的设计与实施，学生学会了运用“模型”建构概念。