指向概念进阶的科学实验教学设计

章荣华

摘    要    为了破解小学生在概念理解中的障碍，应以大概念教学为基础，从引发概念争议、突破概念难点、深究概念关联、丰盈概念要义、修复概念盲区等方面对实验教学过程做出优化设计，建构符合小学生认知特点的教学思路，帮助学生实现概念认识的有效进阶。

关键词   概念进阶   实验教学   教学过程设计

“学习进阶是对学生在各学段学习同一主题概念时所遵循、连贯的典型的学习路径的描述。”[1]其中，概念进阶是重要内容之一，它的落实有利于提升学生的科学思维品质。个体对概念的理解一般按照前概念、简单的事实性概念、分解概念、核心概念、哲学概念的序列进阶，本文主要针对个体在前三项概念进阶中的问题，设计符合小学生认知脉络的实验教学过程，帮助其克服概念理解上的肤浅，实现深度发展。

一、制造矛盾，引发概念争议

矛盾情境是学生形成认知冲突的基础。教学中，教师要善于利用个体先前认识与现实的差别、利用学生间的认识差异引发概念争议，启迪主动思维，促进概念进阶。

为了帮助学生建构“导体、绝缘体”概念，教材将“铁钉、木头、人体、水、木条”等20多种物体接入电路检测器，通过观察灯泡的亮与灭，判断导体和绝缘体，以此帮助学生建构“容易让电流通过的物体是导体，反之则是绝缘体”的认识。事实上，这样的教学是肤浅的，概念是基于当下事实的概括性解释，教材实验只能促进学生的认识到达“能让电流通过的物体是导体，反之就是绝缘体”这一层级。

怎樣才能实现认识进阶？设计三组充满矛盾的递进实验就是不错的选择。当学生认识到“能点亮小灯泡的物体是导体”后，教师首先让学生把“有、无塑料外壳的回形针，粗细不同的铅笔芯”接入电路检测器，发现只有部分回形针、铅笔芯接亮了小灯泡，促发学生质疑“能点亮小灯泡是判断导体与绝缘体的标准吗？”接着，用“人体导电球”代替检测器中的小灯泡，重新检验“人体、水”，发现导电球竟然被点亮了，这个出人意外的结果再次激活课堂……持续探究中，学生了解到导电球“容易感知微弱电流”，认识马上产生质变，指出水等物体虽没能点亮小灯泡，但依然能让微弱的电流通过，因此“电流容不容易通过”是判断导体和绝缘体的真正标准。为了进一步认清彼此关系，教师还可让学生用 “导电球”检测同一棵树上的干湿木条，其中干木条不显示导电，而新鲜木条显示导电，学生在新矛盾的启发下，知道了导体与绝缘体之间没有界限，只要材料的成分有足够的差别，就极易彼此转化。

只要教学设计紧紧围绕矛盾、分歧展开，就能打破学生的认知平衡，驱使学生做出行为、认知和心理上的努力，在思维迭代中形成新的解释。

二、简化过程，突破概念难点

感知觉活动的泛化会制约学生概念理解水平的发展，因此，“一英尺宽，一英里深”的格局是科学教育的追求，其特点是以大概念为轴心，删繁就简，在简约而不简单的设计中突破概念难点。

摆长是悬点到摆的重心之间的距离。为了帮助学生理解，教材安排了三个小活动：先让学生用一组摆绳一样长、摆锤（木条）长短不同的摆测量摆动次数，认识到摆长不单指“摆绳长”，而应是“摆绳、摆锤的总长”;再次引入一个金属圆片，将其固定在30厘米长的木条末端，观察摆动次数，探究摆次增加的原因;最后引导学生将金属圆片分别贴在离悬点10厘米、20厘米、30厘米处的木条上，继续研究摆的次数，使学生认识到摆锤的重心会影响摆的总长。

此设计因过于强化学生实证意识的培养，过多强调实验次数、实验操作标准（精细的移动圆片位置）和实验数据采集的重要性，影响了对重心概念的关注。

此时，重构实验比重，对实验服务概念的发生与发展过程很重要的。因此，实验可围绕“摆长是什么”的问题展开，通过观测“摆绳长度不同，摆锤相同”“摆绳长度相同，摆锤长短不同”“摆绳、摆锤（“T”型）长短相同（如图1）”三组摆的摆次变化，聚焦“重心”，实现对摆长的理解从“摆绳长”发展到“摆的总长”，直至认识摆长的本质是“悬点到重心的距离长”。

与教材相比，设计“摆绳、摆锤（‘T型）长短相同”的摆是很巧妙的，它表明“摆的总长一样，摆的快慢也会有所不同”，完全打破了前一次实验的认识。学生很快将注意力聚焦到了正挂（“T”形）和倒挂（“■”形）的摆锤上，他们用手拎起摆锤，发现“T”形摆锤上面重，“■”形的摆锤下面重。在学生用圆点标出“重”的位置后，教师指出这就是摆锤的重心，它会影响摆的总长。接着，教师让学生标记摆长，在对比中看清了“重心”与摆长的关系。为了判断学生对“摆长”概念是否真正理解，教师还可以呈现教材中“金属圆片位置不同的摆”，让学生运用概念开展新一轮的假设与验证。

三、再度实验，深究概念关联

科学是在怀疑中发展的，纵观科学史上“伽利略的球”等经典事件，无不证明了质疑是科学进步的永动力。教学中，教师应尽可能鼓励学生质疑，走出概念教条式习得的困境。

对“水具有热胀冷缩的性质”概念的习得，教师习惯于教材思路：在烧瓶中盛满水，塞紧橡胶塞，并插入细玻璃管，将其放入热水和冷水中，分别观察液柱的变化，从而建立“水受热体积膨胀，受冷体积缩小”的结论。

不加细思，这样的教学甚称经典。但走近学生，发现学生非常关注“烧瓶中的水是否真正受热或受冷？”“液柱上下变化中，水吸收、释放热量的过程是怎样的？”等问题。如若教师能满足学生的追问，让学生再度实验，对概念的认识就不会只停留在“水受热体积膨胀，受冷体积收缩”这个口令的熟记上，还能从温度计的数值变化中看到热量的获得和释放是一个较缓慢的过程，懂得受热膨胀、遇冷收缩与物体本身的热量变化之间存在密切关系。

因此，当学生完成教材实验后，教师可引导学生对实验过程及其结论提出质疑，抓住“水的体积变化与热量变化之间有怎样的关系”这一问题展开研究。实验中，用两颈烧瓶替代普通烧瓶，一个口子插入细玻璃管，观察水的体积变化，另一个口子插入电子温度计，观测水的温度变化。学生在数字导航下看清热量缓慢传递，水柱慢慢上升（或下降）的现象，懂得两者是同时发生的。这个实验的补充，不但提升了学生探究的积极性，而且加深了学生对体积与热量变化之间的关系认识，丰富了概念内涵。

四、添补证据，丰盈概念要义

“语词是概念的最终形式或最明确的形式。” [2]其内涵丰富，是由大量经验和事实结晶而成。教学的重任是带领学生历经丰富事实，理解概念内涵，实现从“知其然”向“知其所以然”进阶。

弹力是物体形状改变时产生的要恢复原来形状的力。其间，“形状改变”和“恢复原来形状”都是概念中的关键语词。教学中，教材思路是让学生在三根橡皮筋上分别挂1、3、5个钩码，看到橡皮筋被拉长后，依次取下钩码，橡皮筋则恢复原位，从而获得弹力概念，认清弹力的大小与方向。

这样的教学，在关键语词的突破上略显单薄。一是橡皮筋被拉长只是形变的一种形式，对“弹簧压短、充气气球挤扁、海绵揉成一团”等形变并未提及，造成学生理解片面。二是学生没能立足“弹力方向”视角审视“恢复原来形状”的要义，造成认识一知半解。三是仅让学生经历“用橡皮筋挂钩码”实验，学生对弹力方向的认识只会囿于“向上”的片面认识中。

概念的理解怎样才能从单薄走向丰盈？让学生收集尽可能多的证据是重要方法。学生在拉皮筋活动中感受到“弹力”后，需要继续体验压弹簧、捏海绵和挤压充气气球等活动，明白物体被拉長、压短、挤扁、揉成团等都属于“形状改变”，懂得 “形状改变”是物体产生弹力的直接原因。在此基础上，学生继续完成“用橡皮筋挂钩码”实验（如图2），在观察到“橡皮筋被重力拉长，取下钩码恢复原状”的现象后，思辩“是谁让橡皮筋恢复了原样？”学生研讨中认识到橡皮筋被拉长会产生一股和重力方向相反的力，它是橡皮筋要恢复原来形状时产生的力，方向是向上的。那被压的弹簧、挤扁的充气气球、揉成团的海绵产生的弹力方向是否也一样呢？对比各个物体形状改变和恢复原来形状过程中力的方向，学生认识到弹力方向与施力方向是相反的，与物体恢复形变的方向一致。

见多识广是学生认识、理解概念并走向丰盈的基础，实验中结构化的事实和材料是学生思辨的内容，为学生认识编织了更多网点，帮助建立起更丰富的认识。

五、强化思辨，修复概念盲区

学生常会制约于一些不可见的事实而束缚思维发展。特别是像力、电、声音等无法直接感受的概念，小学生很难说服自己认同它们。此时，以实验为引子，强化对认识的思辨则能帮助学生修复概念认识上的盲区。

空气的不可见性制约了学生对“空气流动形成风”这一概念的理解，小学生对“空气流动能形成风”的观念是认同的，但对“（大自然的）风是冷热空气相互作用形成的”理解十分困难。“我们没有用嘴去吹，也没有扇扇子，（大自然的）风又是谁制造的？”“让空气流动起来的力量来自哪里？”为了破解这些问题，教材引领学生历经风的模拟实验：在上下开口的直筒中放置一根蜡烛，将点燃的蚊香置于直筒的下开口处，观察蜡烛点燃和不点燃时烟流动的路径。帮助学生建立“风是热空气上升，冷空气流过来补充”的认识。

其实，风的成因理解远没这么简单。因为蚊香的介入，干扰了学生对筒内外冷热空气的识别。学生认为蚊香、蜡烛点燃后，筒内外的空气都是热的，因此很难将风的形成与筒内外的冷热空气有关建立联系。

怎样教学，学生才能认同“冷、热空气”不仅存在，还彼此联系呢？教学中要将“冷热空气相互作用形成风”作为教学重点，按照“空气流动形成风—冷热空气的相互作用形成了风—热空气上升，冷空气流过来补充形成了风”这样的概念进阶序列设计教学。

笔者重点呈现一组与教材不同的风模拟对比实验（如图3）。开始不介入蚊香，让学生直接观察小风车的转动来推测出筒内外空气的合作形成了风。然后用手触摸筒壁，认识到点燃蜡烛的筒内空气有冷热差别，不点燃蜡烛的筒内外空气都是冷的。借此思辨，学生认识到风的形成仅有空气是不够的，还需要有温差的空气联系才能推动空气流动。在此引入蚊香烟来观察筒内外冷热空气的流动方向，验证中理解风的成因。

只有学生对不可见物进行强力思辨，用理性说服感知觉，学生才能耦合无法用感官直接感受到的事物联系中自然理解概念。

总之，小学生要能实现概念进阶，需要对概念的“高、低锚点”做出剖析，合理梳理概念习得的障碍点，并着眼小学生特点设计简约、可见、有结构的教学活动，帮助学生逐级走向概念的本质理解。

参考文献

[1] 刘恩山，胡卫平，郝京华.义务教育小学科学课程标准解读 [M].北京：高等教育出版社，2018 .

[2] 陈嘉映.哲学·科学·常识[M].北京：中信出版集团，2018.

[责任编辑：陈国庆]