立足概念建構(gòu) 優(yōu)化科學(xué)探究實驗設(shè)計策略 論文

立足概念建構(gòu)優(yōu)化科學(xué)探究實驗設(shè)計策略摘要：科學(xué)探究實驗中存在著動機(jī)不明確，僅僅追求形式上的“正確”實驗結(jié)果和實驗現(xiàn)象，用程序化的探究過程代替學(xué)生思維，學(xué)生缺乏深層次的探究體驗的普遍現(xiàn)象。本文以蘇教版科學(xué)五年級上冊《光的行進(jìn)》中光沿直線傳播實驗的改進(jìn)為例，提出基于概念建構(gòu)的科學(xué)探究實驗設(shè)計策略，優(yōu)化實驗設(shè)計，提高科學(xué)探究實驗的效能，提升學(xué)生核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。關(guān)鍵詞：概念建構(gòu)；光沿直線傳播；實驗創(chuàng)新；策略研究小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出小學(xué)科學(xué)課程的18個主要概念及75個小概念，涵蓋物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程四個領(lǐng)域。這些概念是組成科學(xué)知識的基本單元，是組成科學(xué)學(xué)科結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。因此概念教學(xué)是小學(xué)科學(xué)教學(xué)的重要組成，學(xué)生掌握扎實的科學(xué)知識和形成良好的科學(xué)素養(yǎng)，離不開對科學(xué)概念的積極建構(gòu)?？茖W(xué)概念是客觀事物的共同屬性和本質(zhì)特征在人腦中的反映，是對科學(xué)事實的一種抽象表征，是學(xué)生在觀察、實驗過程中與思維相結(jié)合的一種產(chǎn)物。然而在教師的指導(dǎo)、組織下，學(xué)生雖然經(jīng)歷了程序化的探究實驗過程，學(xué)生卻常常是“做”大于“學(xué)”，“學(xué)”多于“思”，缺乏深層次的探究體驗，只是機(jī)械獲取科學(xué)知識，缺乏科學(xué)思想、科學(xué)方法的領(lǐng)悟及學(xué)習(xí)。我們對學(xué)生通過傳統(tǒng)實驗建構(gòu)“光沿直線傳播”概念的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了調(diào)查，并對原有的探究實驗進(jìn)行了優(yōu)化，并以此為例，提出基于概念建構(gòu)的科學(xué)探究實驗設(shè)計策略。一、學(xué)情分析“光沿直線傳播”的實驗來源于蘇教版《科學(xué)》五年級上第二單元《光與色彩》第一課《光的行進(jìn)》，本課是以課標(biāo)中“識別光源；知道光在空氣中沿直線傳播的概念”為依據(jù)建構(gòu)的，是學(xué)生認(rèn)識其它光現(xiàn)象的基礎(chǔ)。在以往的教學(xué)當(dāng)中，我們都會用到這樣的實驗：學(xué)生假設(shè)光沿直線傳播，我們把一組帶孔的卡片沿直線排列，小孔對齊，這時我們打開光源，會在后面的屛上出現(xiàn)一個光斑。左右移動卡片，光斑會發(fā)生變化或消失，這就說明了光沿直線傳播。這是實驗中的一個基本邏輯。經(jīng)過這樣的實驗探究，學(xué)生是否真正能夠建構(gòu)光沿直線傳播的概念呢？我們帶著這樣的疑問對學(xué)生（73人）進(jìn)行了后測（見表1：后測結(jié)果統(tǒng)計），并對結(jié)果進(jìn)行了分析。傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式后測內(nèi)容：在圖上畫出手電筒發(fā)出的光是怎樣傳播的后測結(jié)果人數(shù)百分比912%6488%表1:后測結(jié)果統(tǒng)計從結(jié)果可以看出大多數(shù)的學(xué)生通過實驗驗證了光沿直線傳播的假設(shè)，都知道光沿直線傳播?？赏瑫r我們也發(fā)現(xiàn)了很嚴(yán)重的問題，88%的學(xué)生只畫出了穿過小孔的那一條光線。這說明：學(xué)生對于這一概念的建構(gòu)僅僅停留在穿過小孔的那一條光線沿直線傳播，其它的光線他沒有關(guān)注到。在他們腦海中沒有形成光束是由一道道光線組成的微觀的線性模型概念。這種機(jī)械式的、表象性的、不完整的對概念的理解，讓學(xué)生無法進(jìn)行知識的遷移，很難解釋生活中的現(xiàn)象，比如光斑、影子的形成，小孔成像的原因等。如何幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)的光線模型成為我們教學(xué)的核心。二、實驗優(yōu)化1.實驗教學(xué)目標(biāo)根據(jù)后測結(jié)果、課標(biāo)及學(xué)生認(rèn)知水平，我們將探究實驗教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為：（1）探究光在空氣中的傳播路徑，建構(gòu)光沿直線傳播的概念。（2）通過系列實驗及現(xiàn)象分析，建立科學(xué)的“光線”模型。（3）運用光線模型解釋小孔成像的原因。2.實驗內(nèi)容設(shè)計怎樣才能達(dá)到我們的實驗?zāi)繕?biāo)呢？我們對原有的實驗進(jìn)行了創(chuàng)新，教具進(jìn)行改進(jìn)。將傳統(tǒng)實驗轉(zhuǎn)變?yōu)槿齻€層級的系列實驗（表2：光沿直線傳播系列實驗）。光沿直線傳播系列試驗第一層級：“一條線”實驗1：一條光線沿直線傳播第二層級“一個面”實驗2：光區(qū)平面內(nèi)每一條光線沿直線傳播第三層級：“立體空間”實驗3：立體空間內(nèi)每一條光線沿直線傳播表2：光沿直線傳播系列實驗通過3個層級的系列實驗探究，讓學(xué)生經(jīng)歷“形象思維”→“抽象思維”→方法規(guī)律的“邏輯思維”的過程，逐級進(jìn)行概念的理解和建構(gòu)。實驗1：一條光線沿直線傳播：第一層級的實驗探究使用的還是教材中的實驗。打開手電，將3張帶孔卡片，放在假設(shè)的光的傳播路徑上。當(dāng)卡片沿直線排列，小孔對齊時，屏上會出現(xiàn)一個光斑。實驗說明：穿過小孔的這一條光線沿直線傳播。通過后測我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)學(xué)生關(guān)注的只是穿過小孔的這條光束，其它的光線他們并沒有關(guān)注到。我們尋找原因發(fā)現(xiàn)：手電筒發(fā)出的光從學(xué)生觀察的平面上看起來比較窄（如圖1）。于是我們對教具進(jìn)行了改進(jìn)，改變光源。將傳統(tǒng)手電筒改為可變焦手電筒（如圖3），同時將手電筒的聚光透鏡拆除（如圖4），擴(kuò)大手電筒的光區(qū)面積（接近180度）（見圖2）。這時學(xué)生就會關(guān)注到，除了穿過小孔的這條光線，其它的光線還有那么多呢，是不是也是沿直線傳播的呢？創(chuàng)新實驗傳統(tǒng)實驗創(chuàng)新實驗傳統(tǒng)實驗圖1圖2可變焦手電筒可變焦手電筒圖3圖4實驗2：光區(qū)平面內(nèi)每一條光線沿直線傳播在實驗1的基礎(chǔ)上，學(xué)生會觀察到小孔之外還有很多光線，這時給學(xué)生提供多組帶孔的卡片，學(xué)生就會用之前實驗1的方法，在白板上擺放多組卡片，自主探究平面內(nèi)的其它光線是否沿直線傳播。他們會像之前一樣依次去進(jìn)行求證，其它光線是如何行進(jìn)的。最終呈現(xiàn)的實驗場景如圖5，白板上擺滿了帶孔的卡片，而且每一組沿直線擺放的帶孔卡片后面出現(xiàn)一個光斑。此時就說明，這些穿過小孔的光線都是沿直線傳播的?？墒谴藭r學(xué)生會說，邊上還有這些空隙當(dāng)中還有一些光線，它們沒有穿過小孔，那這些光線是不是也是沿直線傳播的呢？我們怎樣求證呢？于是，我再一次對教具進(jìn)行了調(diào)整。將手電筒固定在可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺上，使發(fā)光點與旋轉(zhuǎn)軸位于一條直線，如圖6。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)手電筒，讓平面光區(qū)內(nèi)的每一條光線都穿過這些小孔。我們可以看的很清楚，很神奇，后面的光斑沒有發(fā)生變化。此時就說明，這個平面內(nèi)每一條光都穿過了這些小孔，它們都是沿直線傳播的。學(xué)生對于光沿直線傳播的認(rèn)識經(jīng)歷了第二個層級的實驗探究，它認(rèn)識到在這個平面內(nèi)有許多條光線，而且每一條光線都是沿直線傳播。圖5圖6實驗3：立體空間內(nèi)每一條光線沿直線傳播學(xué)生的認(rèn)識是不斷發(fā)展的，有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)老師這個手電筒發(fā)出的光不僅限于在這一個平面內(nèi)，它是一個立體的，“上面這兒也有光”。這些光線是不是也是沿直線傳播呢？是不是也可以用之前的方法進(jìn)行求證呢？通過對前面兩組實驗的分析，類比，學(xué)生推測只要把帶孔紙板舉起來，置于立體空間中，稍微調(diào)整三張紙板的角度即可。依據(jù)學(xué)生認(rèn)識的發(fā)展，同時根據(jù)便于操作的實驗需求，我再一次對教具進(jìn)行改進(jìn)，將一組帶孔卡片用強(qiáng)力磁鐵和夾子固定在透明直尺上（如圖7）并沿直線排列。將尺子傾斜抬起，使卡片與光源成一定角度。打開光源，調(diào)整直尺角度，直到光屏出現(xiàn)光斑。這個實驗相當(dāng)于把第二層級的實驗放到一個立體空間當(dāng)中。我將實驗3設(shè)定為演示實驗，所以提前預(yù)設(shè)了一組沿直線擺放帶孔的卡片，上下轉(zhuǎn)動光源，可以看到光斑位置沒有改變。那么依據(jù)之前的實驗邏輯，這就說明了在這個立體空間里有許多光線，每條光線都沿直線傳播。圖7圖8學(xué)生進(jìn)行了3個層級的實驗探究，對于光沿直線傳播這個概念的建構(gòu)也經(jīng)歷了由“一條直線”→“一個平面”→“立體空間”三個層級的發(fā)展變化，通過這一系列的創(chuàng)新實驗，學(xué)生們有效完整的建構(gòu)了光在空氣中沿直線的概念，認(rèn)識到光是從光源出發(fā)向各個方向沿直線傳播。三、教學(xué)過程設(shè)計呈現(xiàn)學(xué)生前概念呈現(xiàn)學(xué)生前概念當(dāng)手電打開時，光是怎樣傳遞到屏上的？能不能把你的想法畫在實驗臺的白板上。給大家準(zhǔn)備了10個帶孔卡片，孔的位置是相同的。把卡片放在你所認(rèn)為的光的傳播路徑上?？匆豢闯霈F(xiàn)什么樣的現(xiàn)象？怎樣解釋這種現(xiàn)象？實驗給大家準(zhǔn)備了10個帶孔卡片，孔的位置是相同的。把卡片放在你所認(rèn)為的光的傳播路徑上?？匆豢闯霈F(xiàn)什么樣的現(xiàn)象？怎樣解釋這種現(xiàn)象？實驗1：一條光線沿直線傳播實驗2：光區(qū)平面內(nèi)每一條光線沿直線傳播實驗2：光區(qū)平面內(nèi)每一條光線沿直線傳播通過實驗我們發(fā)現(xiàn)穿過圓孔的光是沿直線傳播的，那光區(qū)里的其它光線都是沿直線傳播的嗎？怎樣驗證？又有什么發(fā)現(xiàn)？實驗3：立體空間內(nèi)每一條光線沿直線傳播實驗3：立體空間內(nèi)每一條光線沿直線傳播上面這些光是也是沿直線傳播的嗎？怎樣驗證？又有什么發(fā)現(xiàn)？應(yīng)應(yīng)用你能解釋小孔成像的原因嗎？四、基于概念建構(gòu)的科學(xué)探究實驗設(shè)計策略1．通過“前測”搭建“已知”和“未知”的橋梁基于科學(xué)概念建構(gòu)的探究實驗，要以學(xué)生前概念為切入點，找到學(xué)生認(rèn)知沖突的關(guān)鍵點，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的“盲區(qū)”，并據(jù)此為學(xué)生設(shè)計合適的探究實驗，提供概念轉(zhuǎn)變或概念建構(gòu)的腳手架，讓學(xué)習(xí)有“方向”的進(jìn)行。學(xué)生進(jìn)入課堂前總是帶著相關(guān)的科學(xué)前概念。在進(jìn)行“光沿直線傳播”概念教學(xué)時，通過“前測”探明學(xué)生原有的“光線”概念，找到形成“原概念”的原因，通過設(shè)計逐級推進(jìn)的系列探究實驗，幫助學(xué)生逐步建構(gòu)完整的“光線”模型。因此在每個單元開始時教師要認(rèn)真做好診斷性評估，主動了解學(xué)生在每個單元中存在哪些誤解。師生在此基礎(chǔ)上經(jīng)過教學(xué)互動，而發(fā)生概念轉(zhuǎn)變，從而形成或建構(gòu)出正確的理解。2．實驗現(xiàn)象和結(jié)果是學(xué)生的思維發(fā)展的“素材”探究實驗的過程要呈現(xiàn)學(xué)生對現(xiàn)象進(jìn)行比較、分析、歸納、演繹等思維活動，思做結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。教材上的光沿直線傳播實驗只是簡單讓學(xué)生用三張帶孔紙板驗證生活經(jīng)驗，學(xué)生缺少深度的思維參與。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是主動建構(gòu)知識和新舊經(jīng)驗交互作用的過程。教師不僅要幫助學(xué)生在探究過程中獲得對信息的正確理解，同時還要能夠重新解釋，并在此基礎(chǔ)上再重新建構(gòu)知識。實驗不僅要憑著本身的特點去激發(fā)和滿足學(xué)生的好奇心，更要強(qiáng)調(diào)實驗的過程，使學(xué)生獲得探索新知的經(jīng)歷，運用科學(xué)思維的機(jī)會。學(xué)生在實驗設(shè)計、操作、觀察中能不停的思考、形成對科學(xué)概念的正確理解，優(yōu)化學(xué)生對科學(xué)知識的意義建構(gòu)。實驗不僅是驗證假設(shè)的過程，更應(yīng)該是學(xué)生思維參與的探究過程。3．在實驗設(shè)計當(dāng)中還原真實情境，搭建實驗與認(rèn)知之間的橋梁課堂上學(xué)生是通過教師設(shè)計的探究實驗來認(rèn)識世界，建構(gòu)知識體系的。所以探究實驗應(yīng)該盡可能還原事物、變化或過程本來的面貌或關(guān)鍵特征，避免實驗現(xiàn)象本身“失真”帶來的錯誤概念，比如教材中的光沿直線傳播實驗中的手電光源及汽車燈光的圖例很容易讓學(xué)生產(chǎn)生光是一個柱狀光束的錯誤概念。所以實驗設(shè)計后，教師應(yīng)該通過后測等方式檢驗實驗內(nèi)容及方法設(shè)計的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，是否實驗材料、操作過程、觀察方式等本身會對學(xué)生的概念建構(gòu)形成障礙。實驗設(shè)計要把學(xué)生的注意力從對材料的操作，轉(zhuǎn)移到問題意識、實證意識、探究技能等科學(xué)核心素養(yǎng)上。通過良好的設(shè)計為學(xué)生的概念建構(gòu)搭建認(rèn)知橋梁?？傊?，只有立足概念建構(gòu)、立足學(xué)生自身實際，才能夠讓科學(xué)探究實驗的設(shè)計更加深入、有效，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。參考文獻(xiàn)[1]李菲.在科學(xué)觀察中追求思維進(jìn)階[J].小學(xué)教學(xué)研究,2020,No.736(30):13-15.[2]趙麗慧.把握“五要素”提高科學(xué)實驗教學(xué)有效性[J].小學(xué)科學(xué)(教師版),2020,No.261(09):45.[3]何潤金.在學(xué)生探究過程中建構(gòu)科學(xué)概念[J].小學(xué)科學(xué)(教師版),2020,No.261(09):64.[4]蔡峰黎.基于經(jīng)驗前測的初中物理典型光學(xué)前概念的引導(dǎo)策略[J].新智慧,2020,(16):80-81.[5