在实验中建构科学概念

蒋建纲

一、引言

科学概念是科学知识构成的基本要素，在小学科学课程中占据着重要的地位。笔者在教学中发现，在教学后测、练习中往往出现学生对科学事实性概念学习不扎实、概念理解不透彻的问题。这说明学生对科学的基本概念和原理的识别、再认或回忆表现欠佳，对科学知识的内在逻辑关系把握不到位，不能很好地应用有关的基本科学概念和科学原理分析问题和解决问题，也不能很好地在新的情境中使用比较抽象的概念和原理，以及建立概念与概念之间的合理联系等。

为改变概念获得与概念应用方面不足的情况，我们在教学中通过探究式教学，运用科学实践途径，把概念获得和概念应用有机联系起来，促进学生对概念的巩固和迁移，从而对理解概念方面进行了探索。本文将介绍笔者的思考和做法。

二、研究教学，探索实践

（一）创设挑战性教学情境，经历概念建构过程

教师创设真实的教学情境，不仅要能够引起学生的认知冲突，以激发学生强烈的学习兴趣和探索欲望，还要与学生学习的知识有内在的联系，学生能在情境中提取关键问题，在解决问题的过程中，步步深入，建构科学概念，真正理解科学概念的内涵。

教科版三年级《科学》下册《影子的秘密》一课，要求教师利用手电筒、遮挡物和屏引领学生进行研究，得到影子形成的条件、光源和遮挡物的变化会导致影子方向、大小、长短的变化等科学概念。实际教学中，教师往往创设生活中阳光下、路灯下影子的变化的生活情境，让学生利用教师提供的材料验证自己提出的猜测，通过模拟实验建构概念。但这种概念的构建往往是一种生活中事实的再现，比较肤浅，只是让学生能用模拟的实验现象去解释生活中常见的现象，对概念的理解不够深入。

改进教学：怎样创设有效的教学情境，实现对科学概念的理解和应用呢？设计有挑战性的教学情境学生会非常喜欢。起始环节，三个形状不同、透明度不同的遮挡物在光源的照射下都能形成影子，学生很容易归纳出影子形成的条件，以及初步区别影子的不同。挑战环节，教师首先出示三个大小不同的正方形影子，告诉学生只有一个遮挡物（正方体木块），你能制造出这些影子吗？学生通过操作发现同一个物体能产生大小不同的影子，只要改变光源、遮挡物、屏三者之间的距离就能实现。接着，教师出示正方形、长方形、六边形三个不同的影子，告诉学生还是利用刚才的遮挡物（正方体木块），你能制造出这些影子吗？学生再次操作、探究，发现同一个物体能产生形状不同的影子，只要改变遮挡物被照射的面就能实现。最后，教师出示一个复杂的影子，让学生用两个遮挡物进行组合制造相同的影子。这就需要学生利用刚学到的知识解决问题。整个挑战环节，学生通过探究，不断调动原有知识概念、不断学习到新知识概念、不断利用新知识概念解决问题，使知识概念不断被运用、解释，从而实现对知识概念的理解。

每个教学环节紧紧围绕挑战性任务展开，往往能激发学生的学习兴趣、激发学生心理、认知和行为上的驱动力。这样，让学生进行主动思维、融合科学实践，对科学概念不断应用和解释，实现对概念的理解。

（二）探究式学习，经历概念辨析过程

概念学习过程是学生对事物的感性认知不断地向更高级的理性认知的发展过程，学生对科学概念的学习就是对学习内容不断地感知和理解。要使已经建构的概念更加精准，就必须经过缜密的辨析过程，通过探究式学习的科学实践，发现科学概念的真实性、精准性。

教科版四年级《科学》下册《做个小开关》一课，在前一课《导体和绝缘体》的基础上，带领学生观察开关的结构，认识到开关是由导体和绝缘体两部分组成。开关的结构是新概念，学生要应用教师提供的材料制作小开关、理解开关的工作原理。

按照以上教学流程，学生应用导体和绝缘体的概念进行小开关的实践制作，整个过程只是对记忆中的概念进行再现和强化，对开关结构中底座必须是绝缘体、接线柱和刀体必须是导体这个新概念本质上不理解。要理解概念的本质内涵，需启用已有的概念，并与思维结合起来进行概念辨析，通过科学实践达到概念的精准。分析开关结构环节，学生建构的新概念是开关由导体和绝缘体组成。

因此，我们改进了教学流程。制作开关环节，我们给学生提供了三组材料。第一组：橡皮擦、金属板、小木板和泡沫板;第二组：金属图钉和塑料图钉;第三组：回形针和铜丝。要求学生从三组材料中各选择一种，制作开关。学生根据对手电筒上开关的观察结果，建立起来的开关结构的概念，针对教师提供的材料进行思维辨析;并通过分析开关的基本结构、选择制作开关的材料、设计开关的结构，进行科学实践操作，探究制作开关的奥妙，达到更加精准地理解开关底座必须是绝缘体、接线柱和刀体必须是导体的科学概念的目的。

要达到概念精准，不只是对概念的再现和复制。学生通过思维辨析，深化了对科学概念的理解、掌握概念的本质，并通过科学实践建构概念，使概念精准化。

（三）从记忆到逻辑，经历概念关联过程

科学教育的很多概念、知识都是零散的，是粒状的、块状的，呈现出“点”的特征。其实，概念之間不是绝对割裂的，是有关联的，是具有整体性、系统性的“面”的特征的。

教科版六年级《科学》上册《神奇的小电动机》一课，要求学生在掌握了磁铁、电产生磁、电磁铁等概念的基础上，将上述概念进行关联、整合成一个整体来建构电动机转动起来的概念。

通过解剖发现，电动机是由后盖（电刷通电）、转子（通电后成为电磁铁）、外壳（两块永久磁铁）三部分组成的。涉及的科学概念分别是给导线通电后产生磁性，转子成为一个电磁铁，电磁铁有南北极，电流方向改变南北极也会发生改变，永久性磁铁的南北磁极不会发生改变，等等。每一个概念都是一个“点”，将这些“点”互相关联，形成“面”，实现概念建构的整体性。

我们对教学进行了如下改进。教学时首先让学生认识小电动机的结构，每部分结构的功能是什么，提出猜想后用实验验证。电刷是连接导线的，说明其作用是导电。观察转子发现：转子是铁芯和线圈组成，初判是电磁铁，通过给转子通电发现转子可以吸引大头针，说明产生了磁性;断电后不能吸引大头针，说明转子磁性消失，证明了转子是电磁铁。外壳里面是永久性磁铁，正是因为它的存在，磁极和电磁铁的磁极之间发生作用才能动起来。如何证明我们的想法？把转子安装在自制支架上，用两块磁铁去靠近转子，给转子通电后，可以发现转子转动起来了。这样，一步一步带领学生进行探究，一点一点对分散的科学概念加以整合，将科学概念拼合成网状，实现概念的整体性。本课可以用一张图来表示零散概念组合成的整体概念。（图1）

在科学教学中，很多概念点是分散的，其实是形散而神不散，具有整体性的特点。教师在教学设计时，要注意各离散的概念点在教学中的角色，要综合地、整体地把握，引导学生不断对已学知识进行从记忆到逻辑的关联，让学生在科学实践中搭建起相互关联的概念框架，从而实现科学概念的整体性。

（四）结合实际问题，经历概念探索過程

《义务教育小学科学课程标准》提出，小学科学课程强调从学生日常生活出发，通过学生亲身经历动手动脑等实践活动，理解基本的科学知识，并尝试用科学方法和科学知识予以解决。

在科学教学中，学生完成学习获得概念后，需要“应用科学”。因此，在概念获得和概念应用之间，教师要有意识地设计教学，帮助学生在两者之间建立联系，让学生理解概念内涵。

教科版四年级《科学》下册《比较不同的土壤》一课，主要内容是研究沙质土、壤土、黏质土的颗粒大小，以及渗水性和黏性的不同，根据实验结果说说对植物生长的影响。这样的教学流程就是在概念获得的基础上进行概念应用，概念应用成了一个单独的环节，联系性不强。

为更有效地实现概念应用，我们将教学调整为，出示西瓜、荷花、凤仙花三种植物，同时告诉学生这三种植物的生长对土壤的要求是不一样的。西瓜需要渗水速度快、保水性差、黏性差的土壤;荷花需要渗水速度慢、保水性好、黏性好的土壤;凤仙花需要渗水性一般，透气、保水、黏性较好的土壤。教师从三个地方找到了这三种土壤，哪个地方的土壤适合种植上面的三种植物呢？学生带着生活中实际需要解决的问题，在教师的引领下对三种土壤的特点进行研究，获得相关概念，并将这些概念运用到解决实际问题中去。这样，概念应用就与概念获得处在了同等的位置，并将它们充分联系起来，让科学应用有科学概念的依托，科学应用也能促进科学概念的理解、深化和迁移。

三、实践成效，科学测评

2020年9月，我校毕业生参加了苏州市义务教育学业质量监测，科学能力水平监测。指标得分情况如图2所示。

2020届毕业生科学能力水平的指标得分，在“了解、理解和应用”三个维度与2018年和2019年两次监测相比，有了明显的提升;与区域水平相比，三个维度均超过了区域水平，说明本届毕业生对科学概念的理解和应用方面都得到了整体提升。

通过本次监测数据，可以说明我们在创设良好的学习情境、发生有效的探究过程、学生自主学习建构整体概念并利用科学概念解决生活中的问题等教学方式的探索中，学生的科学能力水平都有了一定的提升，在概念获得、概念理解、概念应用的概念学习上都有了深度发展。

因此，在落实概念教学和概念理解中，我们一定要有针对性地落实课程标准解读、教学目标设定、教学设计思考、课堂教学方式调整等措施;要注重科学实践，让学生经历概念的获得和应用过程，促进对科学概念建构和理解，实现学生在科学概念上的深度发展，从而促进学生形成良好的科学素养。