科学概念教学中的图形表征策略——以物质科学领域为例

陈有志

概念是科学知识体系中的地基，只有当学生对概念形成准确深刻的理解，才能形成认知基础，进而更有效地学习其他部分内容。概念有很强的抽象性和逻辑性，如果仅凭描述难以完全让学生理解。图形表征则可以用直观图形来展示概念中包含的要点，以可视化的方式支持学生学习。下文，笔者以物质科学领域的概念教学为例，探讨如何运用图形表征策略促进学生的概念学习。

一、小学阶段的物质科学概念

《义务教育小学科学课程标准》（以下简称“课标”）将小学科学的课程内容分为“物质科学”“生命科学”“地球与宇宙科学”“技术与工程”四大领域。物质科学领域有六个主要概念：物体具有一定的特征，材料具有一定的性能；水是一种常见而重要的单一物质；空气是一种常见而重要的混合物质；物体的运动可以用位置、快慢和方向来描述；力作用于物体，可以改变物体的形状和运动状态；机械能、声、光、热、电、磁是能量的不同表现形式。

我们生活在物质世界中，每时每刻都在接触各种各样的物质，对于刚刚接触科学课程的小学生来说，让他们形成对物质世界的正确认识，是小学阶段科学教学的重要任务。物质科学领域的六个概念聚焦于对物质、运动、能量的解释，并将此领域的知识点联成整体，成为认识科学世界的基本图式。

二、物质科学概念教学中的图形表征方式

图形表征作为解释概念的直观方式，可以帮助学生理解概念。结合课标对主要概念的描述，教师可用以下方式对概念进行图形表征。

（一）以图形表征概念的内涵

物质科学概念的内涵包含多个层次，许多基本概念涉及不同的知识模块。使用图形表征的方式能够清晰显示概念内涵的层次，为学生认识概念提供支架，让学生对概念形成全面的理解。如：与“空气”这一概念有关的知识相当丰富，教师可以借助如下概念图（见图1）表征“空气”概念的内涵。

图1 空气概念的内涵

以上概念图整合了新编苏教版《科学》一下和三上中有关“空气”的内容，体现了知识点的联系性和递进性，包含了课标中“空气是一种常见而重要的混合物质”概念中的主要内容。如关于“形态”的内容让学生了解空气是一种物质，关于空气组成的内容让学生了解空气是一种混合物质。在对“空气”各维度进行阐释时体现了延伸性，由空气“会流动”的特征延伸至风的产生原理。本概念图可在三年级“空气”部分教学后使用，可让学生形成对“空气是一种常见而重要的混合物质”大概念的整体认知，并在深度认识空气的基础上加固对物质世界的理解。

（二）以图形表征概念的联系

科学概念之间存在一定的联系性。教材各单元中往往存在不同概念之间的交叉点，此时，教师可以用图形来表征概念之间的联系，让学生建立系统化的思维网络。如对“小水轮”探究活动可以建立如下概念图（见图2）。

图2 “小水轮”活动的概念图

图2将空气、水、力、运动等方面的概念整合了起来，表现了不同概念之间的联系。“小水轮”这个实验出现于探究“水”的专门单元中，但其中涉及的知识点并不局限于“水”的有关概念。其中与水有关的知识主要是水体现物质的流动性，其余则以力、运动和能量转换的知识为主。图2融入了物质科学领域的一些大概念，再将其与本课具体内容相结合，表现了用嘴吹、用手拨和用水冲三种产生力的方式，其作用于小水轮的共同结果是改变了机械运动形态，使其从静止变为转动。用这样的概念图进行教学，可以帮助学生把握概念之间的联系，探寻事物的相同点和普遍规律，并形成结构化的知识。

三、小学物质科学概念教学中图形表征策略的运用

物质科学概念教学中的图形表征策略既是教的策略，也是学的策略，使用时要与教学的实际情况相结合，从而让其更好地发挥作用。

（一）结合具体知识图解概念

概念是认识世界的基本构件，其中许多都具有元认知的特征，是组成思维的元素。在小学阶段，一般并不直接对这些概念本身进行教学，而是将其融入具体的知识点，这有助于学生理解。

1.基于大概念分析知识。

教师要从物质世界本质的角度认识概念，进而有效勾连各模块知识，整理知识发展的链条。在面对小学科学的课程内容时，教师要能找准其在物质科学领域大概念下所占的位置，了解其对于学生理解大概念的作用。对知识在概念体系中的定位产生清晰的认识，是运用图形表征策略的前提。如：新编苏教版《科学》三下“身边的材料”单元对应的大概念是“材料”，该单元教学要让学生理解“材料有一定的性能”。材料的性能对应着它们的用途，只有让学生从用途的角度来理解材料，才能帮助学生将各种信息纳入知识网络。又如：新编苏教版《科学》二下“玩磁铁”单元对应的大概念是“材料”和“运动”，通过该单元的学习，学生要知道磁铁是有磁性的材料，能够对某些物体产生作用，通过运动释放能量。有了这些大概念引路，知识才能形成网络。基于大概念分析知识能够为图形表征策略的运用奠定良好的基础。

2.细化切入点进行表征。

对物质科学领域的概念进行图形表征，常须基于一个较小的切入点。教师需要将大概念中的要素与具体主题结合起来，并贯穿于主题下的主要分支知识点，形成一个网络，以便于学生理解和表述。在课堂中演示相关图示，能够将知识化抽象为直观，有效地支持学生学习。以三下“身边的材料”单元为例，教师可将“天然材料与人造材料”“纸”“金属”“塑料”作为立足点，然后对“材料”概念进行如下表征（见图3）。

图3 “材料”概念表征

布卢姆将学习活动分为识记、理解、运用、分析、综合、评价六个层次。运用以上概念表征图，能够帮助学生实现高层次的学习。在图3中，教师引入“材料”的上位概念“物质”，同时点明“材料是具有特殊性能的物质”，这可作为学生认知的本源，然后再沿分支概念“材料”进一步引出其他要点。在学习科学课程时，许多学生会感到结论很多、知识点很多，以至于出现单纯“识记”的情况。这种学习活动层次低、效率低，而且不符合科学课程的特征。使用概念表征图，能帮助学生更好地进行分析和综合，能够让学生理解知识的结构，知道知识是如何产生的，从而使学习不再依赖于简单的识记。

（二）使用图表整理探究结果

在小学科学教学中，概念应由学生探究得来，而非教师告知。在探究活动结束后，教师可使用图表引导学生整理探究结果，使概念的图形表征与学生的自主学习相结合。

1.根据教材巧设活动。

开展探究性活动是引导学生认识科学概念的重要方式。学生只有像科学家那样亲历观察、实验、对比、思考的过程，才能收获属于自己的结论，而不是仅仅学习现成的知识。教师可基于教材对探究性活动的方式、梯度进行设计，使活动更加清晰地指向概念理解，让学生在探究中逐步明晰概念。

以二下“玩磁铁”单元为例，该单元可以以“探究磁铁的磁性”为总目标，力求让学生建立探索材料性能的概念，然后，分两个阶段开展探究活动：首先，让学生用磁铁尝试吸各种各样的物品（探究一），在大量的操作与观察基础上通过归纳得出结论。其次，开展接力吸钢珠（探究二）、钉子取钢珠（探究三）、隔练习本吸回形针（探究四）、隔水取回形针（探究五）的实验，让学生进一步探究磁力对物体产生作用的方式。在开展活动时突出磁性和磁力两个概念，让学生在现象中感知能量的传导，体会磁力如何在不接触物体的情况下引起其他物体的运动。

2.运用图表解析概念。

课标在物质科学领域的主要概念中指出：机械能、声、光、热、电、磁是能量的不同表现形式。在该概念的分支概念中指出：磁铁有磁性，可对某些物体产生作用。在完成探究活动后，学生需要结合“磁性”和“对某些物体产生作用”进行知识梳理与呈现，形成完整的知识体系。当学生完成探究结果汇报后，教师可以出示图4。

（图4）

图4列出了五个探究活动得出的结论，直观呈现了“玩磁铁”单元的主要内容，同时体现了对知识的耙梳，将不同的结论归结到“磁铁的磁性”和“磁铁对某些物体产生作用的方式”概念下，体现本课与物质科学领域大概念之间的关系。开展这样的教学，有利于学生知识学习的系统化、结构化。本课探究活动的类型十分多样，探究子目标十分明确。但仅凭各个探究活动，只能得出多个不同的结论，难以让学生形成系统性的认知。在探究活动后运用以上图表开展教学，可以引导学生聚焦上位概念，从而理解本课的知识，进而让学生对通过探究获得的知识进行再加工，提升思维品质。

（三）巧用概念图促能力提升

1.基于图形开展有效互动。

概念的图形表征有一定的深度，仅凭演示图表是无法让学生真正理解的。概念图只是知识呈现的一种载体，要使其发挥助力教学的作用，需要教师结合图形与学生进行互动，让学生跟随图形进行思维活动。从教学技巧的使用方面看，教师可以鼓励学生读图，让学生读出图示所代表的意义。在演示概念图时，要将演示、讲授与互动相结合。教师可以使用提问法，针对图示中涉及的知识进行提问，学生在思考、讨论后回答，然后教师显示图示中相应的内容。借助这种方式，可让学生参与到概念图的形成过程之中。

2.引导学生自主制作概念图。

教学中，教师除了要利用概念图开展科学概念教学外，还应让学生感受概念图制作的过程，习得利用概念图进行学习的方法。教师可以选择较简单的知识模块，然后对主要概念进行深入讲解，再引导学生尝试制作概念图。如在学习与声音有关的知识后，学生了解了“声音是经物体振动而产生的”，这对多数学生的旧有知识体系是一个冲击。以往学生只能从功能的角度将声音理解为一种信号，并不知道声音是怎样产生的。开展本课教学时，教师可以引入“物质”“运动”“能量”的概念，在“运动”的大概念下讲解“振动”概念，从能量传递的角度讲解声音的传播，然后由学生制作概念图，画出物体经振动在物质世界中传播声音的过程。教师在教学中要做到循循善诱，引导学生在已有知识基础上进行扩散、联结，分析知识的本源。绘图的过程是思考的过程，教师在教学中开展这样的训练，可以提升学生的思维精细度，让学生在学习中始终关注概念，并运用概念进行思考。

总之，概念教学在小学物质科学领域的教学中至关重要。教师要让学生在具体知识的学习中领悟主要概念，以主要概念串联起整个物质科学领域的知识体系，进而促进学生科学素养的发展。