小学自然学科设计知识结构图的实践探索

方 华 上海市黄浦区徽宁路第三小学

一、知识结构图的界定

美国康奈尔大学心理学家诺瓦克和高登提出知识结构图是由知识节点和逻辑连线组成的，反映知识之间相互关系的结构表征图，也是一种表示、检查、修正和完善知识结构的认知工具和策略。

从以上描述中可以看出，知识结构图是由有逻辑关联的知识点构成。现在科学学科注重学生对知识之间关联性的理解和掌握，提升学生的科学素养。单课设计相比单元整体设计需要具体化的知识及其结构性，促使学生对单课知识点有结构性认知，所以知识结构图就是依据单课知识点和学科内在的逻辑，将探究过程中得到的知识用直线和符号连接起来，构成了一个有结构的知识图示。

知识结构图是将概念词汇通过直线连接起来，构成一个结构清晰的关系图，以方便学生清晰地纵观整个知识脉络，而且学生记忆起来也更加容易。知识结构图不仅可以了解学生对知识点的理解，也可以看出学生对知识框架的掌握情况，是一种评判学生对知识理解水平的手段。

二、设计知识结构图的作用

知识结构图主要展示了概念之间的联系，使得知识从陈述性转向程序性，加深了学生对自己所学知识的掌握，使得记忆更加持久，从而提高了学生的学习效果。知识结构图虽是一种辅助教学工具，但其在教学中的作用不容小觑。

（一）新课导入工具

作为新课导入工具，可以帮学生理解掌握中心概念的组成；作为复习工具，可以帮学生快速厘清已学的知识；作为评价工具，可以优化评价结构。

小学自然中涉及的基本概念很多，因此，选择合适的方法讲授新课，才能让学生更好地理解掌握新的抽象概念。利用知识结构导入新的课程，可以有效解决这一难题。

使用知识结构图时，可以将核心概念词汇放在中间位置，将其他的相关概念放在周围，然后用箭头将概念连接起来，这样就形成了发散式的关系图。知识结构图主要是将概念词汇通过直线连接起来，构成一个结构清晰的关系图，以方便学生清晰地纵观整个知识脉络，而且学生记忆起来也更加容易。在应用知识结构图时，要按照步骤一步一步地构建，先要把中心点确定，然后围绕中心点找出概念知识，分析并排列。知识结构图是一种有层次的知识图，因此，当将相关概念全部罗列完后，接着需要把各词汇之间的关系弄清楚。把含义较为广泛的概念词汇放置在图的顶端，然后进行逐一排列。这种知识结构图的层次设置比较少，并且同一层之间的各种概念都是独立存在的，因此，可以帮助学生理解和掌握中心概念的组成。

（二）教学评价工具

知识结构图不仅可以了解学生对知识点的理解程度，也可以看出学生对知识框架的掌握情况，是一种评判学生对知识结构理解的手段。学生通过知识结构图，可以认识到自己的不足，从而进行反思与改正，使自己的知识结构更加完善；教师通过看学生设计的知识结构图，可以了解其知识掌握和理解程度，反思、评价教学过程中存在的问题，进行实时改进。首先，教师应该引导学生去反思自己的学习情况，然后再对学生画的图进行评价，这样就可以更好地引导学生去掌握学得比较欠缺的知识点。其次，教师通过具体分析学生的手绘知识结构图，可以发现大部分学生在学习某些知识点时存在的问题，通过进一步的讲解，帮学生掌握与理解这些知识点。最后，教师也可以让学生结合知识结构图进行自我评价。此外，绘制知识结构图也有利于学生厘清学习的思路，帮学生实现理性学习的目的。因此，在进行教学评价时，教师应该突破传统的单一评价方式，有效地将知识结构图这一工具应用其中。

三、设计知识结构图

（一）设计建构知识结构图的路径

设计建构知识结构图的路径一般包括五个步骤：分析单元知识结构图、分析教学内容与学情、细化单课知识点、创建联系、形成知识结构图。具体操作路径如图1所示。

图1 设计建构知识结构图的路径图

1.分析单元知识结构图

单元知识结构基于主题内容结构，知识结构图又基于单元知识结构。如果单元知识结构图中牵涉的单课知识内容及其关联和教材的内容完全一致，知识结构图可以从单元知识结构图中按单课知识内容逐一完整拆分，一般以课时划分为依据，直接形成知识结构图。更多的是在单元知识结构图中按单课知识内容寻找的相应部分并不能和教材内容完全一致，或者无法包含整个单课内容，那就要根据教材单课知识内容及其关联和学生情况进行进一步的细化和设计，再形成知识结构图。

以小学自然科教版第十册第3 单元“感知外部世界”单元为例。单元知识结构图如图2所示：

图2 “感知外部世界”单元知识结构图

从图2 可以看出，整个单元由四个课时构成，每个课时都是以人体某个感觉器官的结构和功能为知识点，从逻辑上各知识点呈并列关系。以本单元第一节课“眼睛的作用”为例。从单元知识结构图中找到关于眼睛的结构与功能的以下部分，作为设计知识结构图主要依据（如图3 所示）。其中眼睛的组成部分并没有全部罗列进去，是根据《小学自然学科教学基本要求（试验本）》的知识要求所作的处理。

图3 “眼睛的作用”单课知识逻辑图

2.分析教学内容与学情

图3 显然不是我们需要的知识结构图，它展现的是粗线条的知识点和知识点之间的逻辑关系，我们需要基于图示来分析教学内容，了解学情。根据图示分析教学内容需要考虑到知识点是否在课标和教材范围内，学生对其探究需求的程度，以此来分析细化图上的知识点。了解学情是为了更好地确定知识点，知识点应该难度合适且符合学生需求。知识的获得与形成结构要通过探究活动实现，所以知识点要细化和具体化，才能落实到位，让活动设计有的放矢。

例如通过小学自然科教版第十册第3 单元“感知外部世界”单元第一节课“眼睛的作用”，可以分析出单课知识内容有两点：①人的眼睛结构；②眼睛各部分功能。

分析学情可以了解到学生通过以前的学习及生活经验，知道眼睛能接收很多外部信息，能说出眼睛的一些组成部分名称，但是没有全面了解人眼的具体结构，对人眼的工作原理、眼球内各部分协同工作知之甚少。在教学中，学生往往会产生“为什么人要用双眼”的问题。这个问题教材中也是有的，探究难度不高，通过简单的对比实验即可认识，而且对学生掌握视觉形成的相关知识是有帮助的。根据学情分析，在单课知识内容上加入“双眼比单眼在视觉上有优势”的内容。

现在可以进一步完善单课知识内容。将原本的知识内容完善为“物体发出的光线通过角膜、瞳孔、晶状体后在视网膜上形成像，并通过视神经被大脑感受到，我们就看到了物体”；增加知识内容。

完善后的单课知识内容如下：

①人的眼睛主要由角膜、瞳孔、晶状体、视网膜与视神经等构成；

②物体发出的光线通过角膜、瞳孔、晶状体后在视网膜上形成像，并通过视神经被大脑感受到，我们就看到了物体；

③双眼比单眼在视觉上有优势。

3.细化单课知识点

完善后的单课知识内容还不能形成知识结构图，必须要将其细化为更具体、学生可以接受的语言所描述的知识点。在“眼睛的作用”一课中，三个知识内容中人的眼睛结构是显性的知识点，无需细化，而眼睛看到物体的原理和双眼的功能并没有完全在知识点中显性出来，并且学生在理解知识的时候会产生疑问：“视网膜上的像是倒的，为什么我们看到的像是正的？”“双眼为什么会比单眼有优势？”所以单课知识内容需要进一步地细化为单课知识点：

①眼睛的组成包括角膜、瞳孔、晶状体、视网膜与视神经等；

②角膜、瞳孔、晶状体能让物体的光通过；

③视网膜能形成物体的像；

④视神经能传递信息到大脑，大脑能翻转倒立的像、能组合双眼看到的像；

⑤双眼的好处在于视野范围大、能产生立体视觉。

4.创建联系

细化的知识点之间是有着联系的，要确定是并列关系还是递进关系。如果是并列关系，那么知识点的顺序是可以前后调换的；如果是递进关系则不能随意调换知识点的顺序。“眼睛的作用”细化的知识点从知识逻辑来说，明显呈现递进关系，即眼睛的组成→眼睛各部分功能→眼睛各部分的协同工作→双眼的好处。那么知识结构图的构建必然从细化的知识点眼睛的组成开始，然后是眼睛各部分的功能，再是大脑的作用，最后是双眼的好处（如图4所示）。

图4 “眼睛的作用”单课知识联系图

5.形成知识结构图

各个细化的知识点建立联系后，就可以建构知识结构图。因为知识结构图依据的是单课知识点和知识点之间的逻辑关系，所以建构过程中必须加以体现。在知识结构图的形式上既要有单课知识点的描述，也要有符号加以连接，并且符号上有连接词进行串联。知识结构图的构建方式有很多种，如括弧法、云朵法、树状法等，本文中所采用的知识结构图用自左向右的横向树状图表示。

在构建过程中确定关键概念，也就是单课所要探究的最终目标或对象。一般可以从课题中进行寻找或总结。例如，课题“眼睛的作用”的关键词就是“眼睛”。在图3 中，角膜、瞳孔和晶状体的功能是一致的，将其用大括号合并在一起。而双眼的优势被单独列出，实际上它是可以和大脑能组合双眼看到的像这个知识点联系起来的，所以可以将其变成这个知识点的一个分支呈现。最后形成知识结构图（如图5所示）。

图5 《眼睛的作用》知识结构图

（二）设计建构知识结构图的要点

1.基于单元整体知识的结构设计知识结构图

单课教学实施，必定基于主题内容之下。主题内容是知识结构化的重要表现，它是依据课程标准，围绕某一核心内容组织起来的。虽然是单课，但学生需要在教师的引导下，全面把握知识内容的本质联系，如果单纯地学习单课知识，容易让学习停留在表层，缺乏学习深度。所以在知识结构图的设计过程中，教师要有单元整体设计的观念，前后单课要有联系，若干单课结合起来要能反映整个单元的知识结构。

有联系的单元知识结构图能更加清晰地呈现单元中知识及其联系，是教师设计单课可以参考的有价值的工具。当然，知识结构图是知识的提炼，不能照搬单元知识结构图，要根据教学内容、学情、理解程度、学习过程对知识结构图进行细化，完善建构整堂课的知识结构。例如，小学自然科教版第十册第3 单元“感知外部世界”单元第一节课“眼睛的作用”从单元知识结构图中首先找到了单课的两个知识点。（详见图3“眼睛的作用”单课知识逻辑图）经过一系列的分析，最终细化出四个具体的知识点，添加了一个知识点，这样用五个知识点来构建知识结构图，完成了基于单元整体知识结构来设计知识结构图的过程。

2.知识结构图主要罗列学习结果

在学习单课教学内容之前，学生的头脑里并非一无所有，而是有着一些零散的已有知识或经验，分别来自低阶的学习、课外的阅读或生活中的经历。这些知识或经验有些是与教学内容一致的，有些是不完整的，或者矛盾甚至背道而驰的。因此，教师首先要清楚主要罗列的学习结果，准确地帮助学生共同建构知识结构图。利用知识结构图对整个知识内容进行梳理，呈现给学生的必须是正确完整的知识以及知识之间的联系，以此帮助学生建立结构化的知识体系，养成整体把握知识的良好习惯。

在探究中，每一个知识点都是学生通过学习活动获得的成果，源自学生亲身的探究。教师引导学生将它们用知识结构图来呈现，并帮助学生理解知识间的关联，久而久之，使学生形成构建知识结构图的能力。例如，小学自然科教版第十册第3 单元“感知外部世界”第一节课“眼睛的作用”的知识结构图。在这个结构图中，每一个箭头都罗列了细化的知识点，学生整堂课的学习结果一目了然。

3.正确表述学习结果和补充的事实性知识

设计的知识结构图必须保证学习结果的正确性，最好的方法就是逐行读一读知识呈现的结果，并与预先设定的知识点进行对比。

有些事实性知识在单元知识结构图上没有呈现，但在教材中有所体现，或者是学生会提出相关问题，那就需要在知识结构图上补充上去。例如，小学自然科教版第十册第3 单元“感知外部世界”单元第一节课“眼睛的作用”中的知识点“双眼好处在于视野范围大、能产生立体视觉”并没有出现在单元知识结构图上，但由于教材中有所呈现，对于单课知识结构有着补充的作用，所以可以在知识结构图上添加上去。但是有些事实性知识超出课标要求就不适合在知识结构图中呈现。

4.创建联系时确定选择合适的连接词正确表达逻辑关系

设计的知识结构图要有可读性，可以帮助学生迅速理解和掌握单课知识结构。在设计知识结构图过程中，每一条分支从头至尾连起来都可以读成一句通顺的话，这句话一般都和教学目标中的知识内容相符。其中连接词尤其重要，连接词不仅要把几个词语或短句连成通顺的句子，还要准确表达其中的联系。一般使用比较多的连接词如“能”“可以”“包括”“有”等；有些连接词表达的是唯一性的结果，例如“是”“有”等；有的连接词表达的是非唯一性的结果，例如“可以”“如”等；还有些是表达范围的连接词，例如“包括”“组成”等，教师面对知识点及其之间的联系要灵活准确地使用连接词。

例如，在小学自然科教版第十册第3 单元“感知外部世界”第一节课“眼睛的作用”的知识结构图中读出的结论：眼睛的构成包括角膜、瞳孔、晶状体、视网膜和视神经。这里的连接词使用了“包括”，说明除了列举的五个部分外，还有其他部分并未呈现。双眼的好处如视野大、产生立体视觉。这句的连接词使用了“如”，说明双眼还有其他的好处。如果将“如”改为“是”，那就是说明双眼就只有这两个好处。

5.构图后核查知识结构图

构图完成并不意味着万无一失，必须根据先前细化的知识点逐一核查其准确性，保证无遗漏，无错误，特别是构图后由于用词不当、连接不当可能会造成的错误。例如，小学自然科教版第十册第3 单元《感知外部世界》单元第一节课“眼睛的作用”的如下知识结构图中眼睛组成部分视神经下少了省略号，会让学生误以为眼睛的结构就是这五个，另外缺少了体现双眼的好处部分，通过核查修改形成完整的知识结构图（如图6所示）。

图6 “眼睛的作用”知识结构图修正过程图示

知识结构图的核查需要完整地读整个结构图，如是否可以读通，是否呈现了正确的知识关联；还需要截取部分内容，朗读每一条知识是否读得通，每一句知识是否精确。这要求连接词的准确性和合理性。

四、运用知识结构图的反思和展望

（一）反思

1.设计知识结构图为学生形成科学观念积累事实

认知心理学认为“把心中生动的形象和言语或抽象资料联系起来，可以更轻松地在记忆中建立联系，检索资料”。设计知识结构图，利用图示的特点，将知识点及其联系的描述变成生动的形象，在这个生动形象中呈现抽象语言，利用直观的方式帮助学生积累事实。由于知识结构图强调知识的关联呈现，可以使学生形成能检索的长期记忆。连续的知识结构图能让学生不断积累事实及其关联，逐步建构单元知识体系，这种积累事实的方式和技巧，有利于学生形成知识关联的科学观念。

2.设计知识结构图有利于培养学生的分析思维和批判性思维

《义务教育科学课程标准（2022年版）》针对科学探究目标提出八大要素，其中“搜集证据”和“得出结论”要素都明确提到分析思维的方法，其他要素也涉及分析思维，这意味着分析思维贯穿科学推理的始终。知识结构图呈现的是知识关联，面对各知识点需寻找其中的关联，建立单课知识结构，学生需要进行大量的分析。知识结构图作为可视化思维工具，能更加生动、形象地表现各个知识点之间的内在逻辑关系，图像相比单纯的文字更容易让学生认识和理解，帮助他们进行各类分析活动。所以通过知识结构图可以引导学生由点及线、由线及面地理解基础知识，把握各个知识点之间的内在逻辑关系，培养学生的分析思维。

美国学者罗伯特·恩尼斯认为求真、反思、审慎、质疑是批判性思维的特点。学生通过知识结构图，可以验证自己的探究实践成果，从中认识到自己的不足，从而进行反思与改正，形成批判性思维。批判性思维能够在证据和结论之间建立联系，而知识结构图中有着知识间联系的认识和反思，这也为学生的批判性思维提供了更多尝试的机会。长期的尝试，有利于培养发展学生的批判性思维。

3.设计知识结构图有利于提高教师教学设计能力

要设计知识结构图，教师必须不断提升对小学阶段科学内容的结构、知识体系的认识，从整体到局部再到单课，从“大观念”到“大主题”再到单课。因为在设计知识结构图的过程中，教师必须加深对每条知识的理解，避免教学设计中出现科学性错误。教师要思考知识间的联系，提升对知识探索过程中的应对能力，久而久之，对整个知识结构体系有所了解，这样才能提升教学设计能力。这些都有利于教师设计相应的活动和问题，帮助学生去理解知识。

（二）展望

知识结构图研究未来必将延伸至单元关联式教学设计。结合知识结构图能在单元视域下细化单元知识点之间的相互联系，并以此为载体展开的一种系统化、科学化的教学设计。单元关联式教学设计对教师的教、学生的学均有明显的优势。单元关联式教学设计可以使单元中课与课之间、活动与活动之间、问题与问题之间都能相互勾连，交相辉映，从而让教师清楚地了解单元内的每一节课、每一个活动甚至每一个问题由何而来、为谁铺垫，有利于培养学生的结构性认知，在科学观念层面，让学生不断拓展与核心知识相关的知识点；在责任与态度层面，帮助学生形成整体看问题的意识，而不是片面、孤立地看问题；在科学思维层面，促进学生高阶思维的发展；在探究实践层面，发展学生运用已学知识解决问题的能力。