探究基于概念建构科学探究实验的设计策略

杨茜

科学探究实验中存在着动机不明确，仅仅追求形式上的“正确”，用程序化的探究过程代替学生思维，学生缺乏深层次的探究体验的普遍现象。本文以苏教版《科学》五年级上册《光的行进》中“光沿直线传播”实验的改进为例，提出基于概念建构科学探究实验的设计策略，优化实验设计，提高科学探究实验的效能，提高学生的核心素养和实践能力。

一、学情分析

“光沿直线传播”的实验来源于苏教版《科学》五年级上册第二单元“光与色彩”第一课《光的行进》，本课是以课标中“识别光源;知道光在空气中沿直线传播的概念”为依据建构的，是学生认识其他光现象的基础。

在以往的教学当中，我们都会做这样的实验：学生先假设光沿直线传播，然后我们把一组带孔的卡片沿直线排列，小孔对齐，这时我们打开光源，会在后面的屛上出现一个光斑。左右移动卡片，光斑会发生变化或消失，这就说明了光沿直线传播。这是实验中的一个基本逻辑。经过这样的实验探究，学生是否真正能够建构光沿直线传播的概念呢？我们带着这样的疑问对学生（73 人）进行了后测，并对结果进行了分析。

从结果可以看出，大多数学生通过实验验证了光沿直线传播的假设，都知道光沿直线传播这一特性。可同时我们也发现了很严重的问题：88% 的学生只画出了穿过小孔的那一条光线。这说明学生对于这一概念的建构仅仅停留在穿过小孔的那一条光线沿直线传播上，并没有关注到其他的光线。在他们脑海中没有形成光束是由一道道光线组成的微观的线性模型概念。这种机械式的、表象性的、不完整的对概念的理解，让学生无法进行知识的迁移，很难解释生活中的现象，比如光斑、影子的形成，小孔成像的原理等。如何帮助学生建构科学的光线模型成为我们教学的核心。

二、实验优化

1. 实验教学目标

根据后测结果、课标及学生的认知水平，我们将探究实验教学目标设定为：

（1）探究光在空气中的传播路径，建构光沿直线传播的概念;

（2）通过系列实验及现象分析，建立科学的 “光线”模型;

（3）运用光线模型解释小孔成像的原理。

2. 实验内容设计

怎样才能达到我们的实验目标呢？我们对原有的实验进行了创新，对教具进行了改进。通过三个层级的系列实验探究，让学生经历“形象思维”→“抽象思维”→“逻辑思维”的转变过程，逐级进行概念的理解和建构。

实验一：一条光线沿直线传播

第一层级的实验探究使用的还是教材中的实验。打开手电，将3 张带孔卡片放在假设的光的传播路径上。当卡片沿直线排列，小孔对齐时，屏上会出现一个光斑。实验说明：穿过小孔的这一条光线沿直线传播。通过后测，我们已经发现学生关注的只是穿过小孔的这条光束，并没有关注到其他的光线。造成这一结果的原因是手電筒发出的光从学生观察的平面上看起来比较窄。

于是我们对教具进行了改进，改变光源。将传统手电筒改为可变焦手电筒，同时将手电筒的聚光透镜拆除，扩大手电筒的光区面积（接近180 度）。这时学生就会关注到，除了穿过小孔的这条光线，还有很多其他的光线，这些光线是不是也是沿直线传播的呢？

实验二：立体空间内每一条光线沿直线传播

学生的认识是不断发展的，有的学生发现老师这个手电筒发出的光不仅限于在这一个平面内，它是一个立体的，这些光线是不是也是沿直线传播呢？是不是也可以用之前的方法进行求证呢？通过对前面两组实验的分析、类比，学生推测只要把带孔纸板举起来，置于立体空间中，稍微调整三张纸板的角度即可。

依据学生认识的发展，同时根据便于操作的实验需求，我再一次对教具进行改进，将一组带孔卡片用强力磁铁和夹子固定在透明直尺上并沿直线排列。将尺子倾斜抬起，使卡片与光源成一定角度。打开光源，调整直尺角度，直到光屏出现光斑。

这个实验相当于把第二层级的实验放到一个立体空间当中。我将实验三设定为演示实验，所以提前预设了一组沿直线摆放的带孔的卡片，上下转动光源，可以看到光斑位置没有改变。那么依据之前的实验逻辑，这就说明了在这个立体空间里有许多光线，每条光线都沿直线传播。

三、基于概念建构科学探究实验的设计策略

1.通过“前测”搭建“已知”和“未知”的桥梁

学生进入课堂前已经掌握了相关的科学概念。在进行“光沿直线传播”概念教学时，通过“前测”探明学生原有的对“光线”的概念，找到形成“原概念”的原因，通过逐级推进的系列探究实验，帮助学生逐步建构完整的 “光线”模型。因此在每个单元开始时，教师要认真做好诊断性评估，主动了解学生在每个单元中存在的误区。师生在此基础上经过教学互动发生概念转变，从而形成或建构出正确的概念。

2.实验现象和结果是学生思维发展的“素材”

探究实验的过程要呈现学生对现象进行比较、分析、归纳、演绎等思维活动，思做结合，培养学生的科学素养。教材上的“光沿直线传播”实验只是简单让学生用三张带孔纸板验证生活经验，学生缺少深度的思考。建构主义学习理论认为，学习是主动建构知识和新旧经验交互作用的过程。教师不仅要帮助学生在探究过程中获得对信息的正确理解，同时还要能够赋予新的解释，并在此基础上重新建构知识。

实验不仅要凭着本身的特点去激发和满足学生的好奇心，更要强调实验的过程，使学生认识到科学求证的重要性。学生在实验设计、操作、观察中能不停地思考，形成对科学概念的正确理解，优化学生对科学知识的建构。实验不仅是验证假设的过程，更应该是学生思维参与的探究过程。