解释科学现象，建构科学概念

解释科学现象，建构科学概念

郭萌

天津市河西区教师发展中心 郭萌 300203

摘要：小学阶段的科学概念是用于特定观察和实验的小概念。小而具体的概念进展到更大的概念，需要在教师的帮助下，通过有效的学习方式形成对概念的理解，逐步建构更为抽象的科学概念。以“解释科学现象”为目的的探究活动，可以将概念学习与要研究和解决的事物结合起来，学生能够同时体验到科学概念获得与应用的过程，是促进科学概念建构的有效方式。

关键词：解释 建构 科学概念

小学阶段的科学概念是用于特定观察和实验的小概念。小而具体的概念进展到更大的概念，需要在教师的帮助下，通过有效的学习方式形成对概念的理解，逐步建构更为抽象的科学概念。以“解释科学现象”为目的的探究活动，可以将概念学习与要研究和解决的事物结合起来，学生能够同时体验到科学概念获得与应用的过程，是促进科学概念建构的有效方式。

一、小学阶段科学概念的特点

科学概念作为科学知识的一部分，是基于实证研究的、系统的，而且是被科学家共同体接受和承认的客观知识。由于小学生的年龄特点及认知特点（形象性和直观性），小学科学概念大多来自对自然界的观察，以“可感知的科学事物的外部特征”为主。　

（一）与大概念相比是小概念

能够解释和预测较大范围自然界现象的概念是大概念，而小学阶段的科学概念来源于特定的观察和实验，与大概念相比是小概念。例如，小学生通过观察密封在注射器中的空气被压缩，而建立“空气可以被压缩，压缩空气有弹性”的概念。与之相对的大概念是“气体分子间的距离比较大，作用力很小，因此容易被压缩。”

（二）由具体概念向科学概念过渡

根据小学生的年龄特点及认知特点（形象性和直观性），小学阶段的科学概念大多来自对自然界的观察。低年级（1-2年级）主要以具体概念为主，是从观察材料里描述和记录实验事实而形成的概念。随着学生年龄增长，脑额叶发育趋于成熟，逻辑思维的发展，学生学习的科学概念抽象程度会越来越高，逐渐从具体概念过渡到科学概念。以“水的三态”为例：1-2年级学生建立关于水的颜色、状态、气味等外部特征等具体概念；3-4年级通过测量的方法关注到水的三态变化的原因——温度，并进一步从物质本质上认识到：虽然状态不同，但都是同一种物质；5-6年则研究三态变化对生活的影响，解释生活中与“水的三态变化”相关的自然现象。这样，由具体到抽象分3个层次引导学生逐步建立关于水的三态的科学概念

（三）对特定内容或情境具有解释作用

从逻辑学角度看，科学概念有两个主要作用：一是通过科学概念的演绎形成理论或提出假说，二是科学概念对观察材料具有解释作用，起到科学理论的作用。科学教育研究者将学生的概念称为“小理论”，具有像科学理论一样的解释作用，而小学阶段的科学概念对特定内容或情境具有解释作用。

二、“解释”对建构科学概念的意义

“解释”是将现象与推理联系起来，形成一个符合证据的因果链的过程。实施以“解释科学现象”为目的的探究活动，对建构科学概念有以下三方面的意义：

（一）激发探究的内在动力

以“解释”为目的的探究活动，是将科学概念学习与要研究和解决的事物结合起来，激励、指导探究活动的进展，活动内容一般选择小学生日常生活中发生的科学现象。比如：“声音是怎样产生的？穿上羽绒服为什么这么暖和？昼夜是怎样形成的？盐放入水中为什么不见了？”在解释这些现象的过程中，他们体会到科学对他们日常生活的意义，调动他们参与科学探究活动的内在动力，促使学生在亲历科学实践的基础上建构科学概念。

（二）促进观点的形成与发展

“观点”是学生建构科学概念的基础和工具。形成标准化的科学概念之前，学生首先需要形成自己的观点。在“以解释为目的”的探究活动中，为了能够建构合理的解释，学生会积极观察客观事物，从中发现一些现象作为一种可能的解释，使事实获得意义，初步形成观点。获得证据并集体论证之后，观点获得标准化意义而发展为概念，纳入自己的认知结构。

（三）加深对科学概念的理解

科学概念的建构包括概念的获得和迁移。只有当科学概念可以被学生迁移到更广泛的情境中，解决更多的实际问题，才能够真正被学生所理解，成为认知结构中的一部分。随着年龄的增长，逻辑思维能力的提高，小学生对于现象的解释不仅基于他们的已有经验，更要依据已有科学概念。他们在解释现象时会根据已有概念提出假设，通过推理得出可能的结果，最后通过证据验证而得出结论。在这个过程中，学生根据对已有概念的理解形成各种解释，通过相互质疑、研讨，不断完善自己的认知结构，促进对科学概念更为深入的理解。

3. 在“解释”中建构科学概念的思维过程

小学阶段科学概念学习的最佳方式是在探究活动中进行学习。而在以解释为目的的探究活动中学习科学概念，可以将科学概念学习与真实探究任务相结合，通过“假设－演绎推理”对概念的标准属性形成假说，对客观事物或现象的原因建构解释，并通过学习共同体的论证判定解释的合理性，合作探寻最佳解释，从而达到解决问题，建构理解的目的。

在这样的活动中建构科学概念，学生需要经历以下的思维过程：提出问题，形成观点，获得证据，建构解释。以六年级概念“圆顶形结构能承受很大压力”为例：

（一）基于观察，提出问题

这里的“观察”，是指对现象、事例进行辨别性分析的观察。学生要将眼前的事实与他头脑中的经验或有关概念进行对比、分析，引起他们认知上的冲突，引发他们的疑惑，进而提出可探究的问题。当学生观察到又薄又软的乒乓球壳可以承受50本科学书的时候，他们感到很惊讶。因为这个现象与他们的已有经验不符，于是产生了疑惑并提出问题“为什么又薄又软的乒乓球壳能承受这么大的压力呢？”

（二）形成观点，预测结果

提出探究问题后，学生会在已有概念的引导下，对产生现象的原因作出假设，形成观点。同时运用“如果-那么-因此”的推理方式对调查结果进行预测：如果假设是正确的，那么按照一定条件进行操作，就会出现预期结果。提出问题后，学生对乒乓球壳进行进一步观察，发现乒乓球壳好像有很多很多的拱形，而且拱足还连在一起。学生已经建立了拱形能够承受很大压力的原因在于“拱形结构能够将向下的压力向两边分散，只要抵住拱足就能承受很大压力。”在这个概念的基础上，结合学生对于乒乓球壳的观察，他们对乒乓球壳承受压力的原因提出假设：圆顶形可能由无数个拱形组成，将承受的压力向四周分散，而无数拱足相连可以抵消外推力。此时，教师出示很多拱形纸条，其拱足能够通过拼插连接在一起。引导学生通过建立“圆顶形模型”检验自己的假设。学生通过演绎推理预测结果：首先，如果圆顶形是由很多拱形组成，那么将拱形纸条拼搭在一起，就可以组成圆顶形。其次，如果拱足连接在一起能够抵消外推力，那么将拱形纸条的拱足连接在一起，就可以承受更多的垫圈（垫圈作为重物计数）。

（三）检验假设，获得证据

提出假设后需要检验其真伪，一般采用实验的方法，获得实验现象、相关数据等支持或反驳假设的证据。学生用拱形纸条按照计划建构模型并进行操作，获得相关数据作为验证观点的证据。

（四）基于证据，建构解释

获得相关数据后，与预测的结果进行对比：连接拱足后，圆顶形是否承受了更多的重物？在与同伴交流论证的基础上，找到规律、确定标准属性，建立科学概念并解释现象。

以上思维过程是“解释现象、建构概念”的基本过程。由于中、低年级段的学生逻辑思维能力还没有发展成熟，他们在解释现象时需要得到教师的帮助，并且要在某个思维环节降低要求，以适应他们的认知水平及思维水平。

四、课堂教学中的实施

（一）探究问题与具体事例结合

小学阶段建构的科学概念是用于特定观察和实验的小概念，我们设计的探究活动要能够促使这些小概念逐渐发展成较大的概念，为大概念的形成提供丰富的具体经验。因此，提出的探究问题要与学生生活相关的具体事例相结合。例如：“材料加工后性能会改变”，可以与生活中的瓦楞纸杯、快递纸盒、纸杯套的观察、研究相结合；研究“杠杆类的工具”与小杆秤的制作相结合；研究“力与运动的关系”可以通过制作各种动力驱动的小车进行研究……促使他们在建构更为抽象的大概念时，可以不断回顾已学知识，与新经验相联系，丰富他们头脑中相关科学概念的图式，为后面发展较大概念奠定认知基础。

（二）不同年级解释相应水平的问题

建构解释的能力需要在不同年级的科学探究活动中不断练习，以达到掌握并熟练的程度。即便1-2年级的学生逻辑思维还没有完全发展起来，教师也要设计相应的活动帮助学生逐步掌握这一思维能力。

对于1-2年级的学生而言，“解释现象”不能要求他们做出严谨的推理。他们的解释活动，更多的是对于一个自然现象基于已有经验或观察到的事实给出证据，做出初步的解释。

3-4年级的学生在逻辑思维能力、实验操作能力均有所提高，此时可以引导学生对现象发生的原因即潜在的变量进行假设，并通过实验搜集证据，运用这些证据验证自己的观点，从而解释现象。

5-6年级的学生可以借助一定的科学概念形成证据进行解释。他们在解释过程中，不仅可以从事物的结构、功能等方面进行假设，还能够通过推理演绎预测结果，并且可以通过对数据的分析获得证据，证明自己的观点。

在不同年级段，解释不同水平的问题，帮助学生在不断练习的过程中逐渐提高基于证据建构解释的能力：充分观察，积累经验丰富概念图式；表述假设的理由，提高演绎推理的能力；基于证据解释现象，理解科学概念对生活的意义。

3. 合理建构和使用模型

模型是对自然现象简化的表征，可以将现象、经验形象化，便于理解。因此，模型是解释现象的有力工具。模型包括两种形式：具象模型和头脑模型。具象模型包括具体实物或物理模型、数学模型、视觉或图像模型等，小学科学课上以建构实物模型为主，如前面所分析的“圆顶形模型”。学生建构实物模型之前，首先要在头脑中建立对所探究事物或现象的理解，即头脑模型。这种理解需要通过建构实物模型表达出来，并且在与伙伴的讨论中不断完善。在探究活动中合理巧妙地建构和使用模型，不仅可以模拟自然界的现象便于学生理解，同时为学生在“解释现象，解决问题”的过程中提供思考的工具，帮助学生形成观点，建构科学概念。

综上所述，小学阶段科学概念的建构要将科学概念学习与要研究、解决的事物结合起来，激励、指导探索的进展。因此，在小学科学课堂上促进科学概念的建构，就要促使学生进行以解释科学现象或事物为目的的探究活动，引导学生关注科学概念形成背后的推理过程，促进学生对科学概念的理解。

参考文献：

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