李婷婷

【摘 ? 要】圖形表征是開展小學(xué)物質(zhì)科學(xué)概念教學(xué)的重要手段。教師可以借助圖形表征，運用圓圈化代物、箭頭化示力、圖表化分析、簡易化記錄等策略，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)概念;運用圖景化想象、有形化顯現(xiàn)、概括化聯(lián)結(jié)等策略，幫助學(xué)生自如記憶概念;運用遷移法、圖解法等策略，幫助學(xué)生自覺應(yīng)用概念去解決問題，生發(fā)新的研究點。

【關(guān)鍵詞】圖形表征;物質(zhì)科學(xué);概念教學(xué)

物質(zhì)科學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其運動和相互作用規(guī)律的基礎(chǔ)自然科學(xué)。其中，小學(xué)物質(zhì)科學(xué)運動形式涵蓋機械、聲、光、電、磁等，學(xué)習(xí)這些概念的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于學(xué)生的認(rèn)知水平，且大部分實驗無法用感覺器官直接觀察，需要借助各類儀器才能完成，理解、記憶、應(yīng)用概念更加困難。

圖形表征是指學(xué)生在探究客觀世界的過程中，畫出與物體及現(xiàn)象相關(guān)的圖形，借以幫助學(xué)生觀察、推理、思考、表達(dá)，是一種形象、生動的圖景表現(xiàn)形式。在物質(zhì)科學(xué)概念教學(xué)中，圖形表征主要分為示意圖形和圖表圖形兩大類。示意圖形主要是用簡單的線條、箭頭、圓圈等平面圖形，示意物質(zhì)結(jié)構(gòu)、受力和運動過程以及電路、實驗裝置等;圖表圖形主要是用表格、柱狀圖、線形圖等平面圖形，反映不同物理量的過程，從而起到歸納、分析、揭示科學(xué)概念的作用。

小學(xué)生的認(rèn)知水平處在具體運算階段。他們能充分感知物理世界，但難以用語言表征，卻可以輕松地用圖形表征。因而，科學(xué)教師應(yīng)該借助圖形表征進(jìn)行可視化教學(xué)，從而幫助學(xué)生建立概念、記憶概念、應(yīng)用概念。

一、借助圖形表征的直觀性，建立科學(xué)概念

圖形表征具有生動的直觀性，可應(yīng)用于物質(zhì)科學(xué)概念教學(xué)的各環(huán)節(jié)：在猜測環(huán)節(jié)暴露學(xué)生前概念;在實驗觀察、記錄環(huán)節(jié)把握關(guān)鍵因素;在總結(jié)環(huán)節(jié)理清思路，建立科學(xué)概念。

（一）圓圈化代物，體現(xiàn)物質(zhì)變化

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)是可分的，許多現(xiàn)象都能用物質(zhì)的微粒模型來解釋，并用探測微觀世界的工具驗證了物質(zhì)模型。因此，教師在教學(xué)物質(zhì)科學(xué)概念時，可以將不同層次的微觀粒子視作小球，用一個個圓圈來表示水微粒、空氣微粒、糖微粒等物質(zhì)。

以三年級上冊“水”單元《水到哪里去了》一課為例，教師請學(xué)生用示意圖畫出自己對“黑板上的水不見了”現(xiàn)象的理解。學(xué)生一般認(rèn)為是黑板縫隙、空氣流動、太陽照射等因素導(dǎo)致水跑到黑板里、空氣中和云中。于是，教師播放了兩杯完全相同的水（其中一杯蓋著塑料膜）多天后變化的視頻，使學(xué)生認(rèn)識到水可以在無風(fēng)、無光的環(huán)境下蒸發(fā)到空氣中。教師提示水是由很多水微粒組成的，一個圓圈表示一個水微粒，請學(xué)生站在微粒角度用示意圖表示水消失的原因。學(xué)生第一次畫出的示意圖暴露了錯誤的前概念，經(jīng)實驗現(xiàn)象和教師提示，第二次畫出的示意圖體現(xiàn)了物質(zhì)變化過程（見圖1），學(xué)生由此建立了“蒸發(fā)是水的微粒自身處在運動當(dāng)中，從水面到空中”的科學(xué)概念。

把物體抽象成只有質(zhì)量而無幾何形狀和大小的一個點（質(zhì)點），是一種將復(fù)雜的機械運動問題轉(zhuǎn)化為簡潔圖形（通常以圓點記錄）的研究方法。如三年級下冊“物體的運動”單元《各種各樣的運動》一課，教材引導(dǎo)學(xué)生在陀螺、小車、跳跳球等物體上貼一個圓點，將具體的物體抽象為一個“質(zhì)點”，并用多種方法使它們運動起來，以便觀察圓點的運動形式。記錄時，教師可以提示學(xué)生用線條和箭頭來表示物體的運動形式（見圖2），從而歸納出“物體的機械運動有不同的形式。按照運動軌跡來分，可分成直線運動和曲線運動”的概念。用直觀形象的圖形表征記錄實驗現(xiàn)象，符合學(xué)生的認(rèn)知水平，便于學(xué)生描述運動軌跡，容易幫助學(xué)生建構(gòu)物質(zhì)科學(xué)概念。

（二）箭頭化示力，解釋運動狀態(tài)

箭頭是描述力的最佳圖形，可以完整地呈現(xiàn)力的作用點、方向、大小等。例如五年級下冊“沉與浮”單元《浮力》一課，學(xué)生把泡沫塊壓入水中后，教師引導(dǎo)他們用箭頭表示手按泡沫塊的感受：手能感受到水對泡沫塊有一股向上的力，即浮力;水中的泡沫塊亦同時受到重力的作用。繼而，學(xué)生通過對靜止物體受力平衡的分析，繪制了“泡沫塊受力分析圖”（見圖3），推斷出“向上的浮力=向下的重力”的概念。

箭頭除了描述浮力和重力之外，也可以表示摩擦力、彈力等，形成“力作用于物體，可以改變物體的形狀和運動狀態(tài)”的概念，還可用來表示物體的運動形式。例如三年級上冊“空氣”單元《風(fēng)的成因》一課，要求學(xué)生做模擬實驗，用圖或文字記錄觀察到的現(xiàn)象（見圖4）。學(xué)生發(fā)現(xiàn)點燃盒中的蠟燭

后，頂部小孔附近靜止不動的紙條開始搖晃起來，蚊香冒出的煙由向上變?yōu)橄蚝凶觾?nèi)部運動。教師引導(dǎo)學(xué)生用箭頭畫出空氣流動的路徑，發(fā)現(xiàn)“空氣受熱會上升，周圍的冷空氣補充進(jìn)來，空氣在水平流動過程中形成了風(fēng)”，從而解釋風(fēng)的成因（見圖5）。

（三）圖表化分析，概括科學(xué)規(guī)律

實驗數(shù)據(jù)記錄表是教學(xué)中最常見的圖形表征。學(xué)生借助表格進(jìn)行分析、概括，能從中發(fā)現(xiàn)變量之間的關(guān)系，得出相應(yīng)的規(guī)律。以六年級上冊“工具與機械”單元《杠桿的科學(xué)》一課為例，學(xué)生從杠桿實驗數(shù)據(jù)表中發(fā)現(xiàn)（見表1），如果用力點與阻力點離支點的距離相同，使用杠桿不省力也不費力;如果用力點離支點比阻力點遠(yuǎn)，使用杠桿就比較省力，反之則費力。

（四）簡易化記錄，降低思維難度

電路問題在物質(zhì)科學(xué)中占有重要地位。二維電路圖是將實物電路中的各種元件轉(zhuǎn)化為各種符號并用直線連接起來的示意圖，從而將復(fù)雜的電路用簡化的方式清晰呈現(xiàn)，降低思維難度，找出電器之間的串、并聯(lián)關(guān)系，解決實際問題。例如四年級下冊“電”單元《簡單電路》一課的電路圖，省去了與電路無關(guān)的部分，只保留通路的器件，用以分析該電路工作原理（見圖6）。這種簡易化的圖形表征使學(xué)生豁然開朗，找出問題的本質(zhì)，建立“電路是包括電源在內(nèi)的閉合回路”的概念。

二、借助圖形表征的形象性，記憶科學(xué)概念

圖形表征是一種生動形象的科學(xué)語言，是思維品質(zhì)與科學(xué)語言相結(jié)合的能力。它能形象地表述科學(xué)概念和規(guī)律，鮮明地顯示各種物質(zhì)之間的關(guān)系和變化趨勢，因而，教師可以運用圖景化想象、有形化顯現(xiàn)、概括化聯(lián)結(jié)等策略，幫助學(xué)生記憶科學(xué)概念。

（一）圖景化想象，記憶動態(tài)過程

物質(zhì)科學(xué)概念中有很多抽象問題，需要學(xué)生有很好的空間思維能力。空間想象能力差是導(dǎo)致學(xué)生難以記憶概念的主要原因。因此，把物體時間、空間上的變化用圖形表征出來，可以降低想象難度，找出臨界條件，記憶動態(tài)過程。

如三年級上冊“水”單元《冰融化了》一課，學(xué)生在親眼觀察后，用試管、冰、水等圖形和簡短的文字記錄冰融化成水的三個階段——融化前、融化一半、完全融化（見圖7）。探究過程中的各種現(xiàn)象具有實時性、生動性的特點，圖形表征可以將學(xué)生大腦中儲存的有關(guān)冰變成水的變化過程動態(tài)呈現(xiàn)，梳理和強化了“冰融化成水，體積變小”的科學(xué)概念，達(dá)到輕松記憶的目的。

（二）有形化顯現(xiàn)，記憶定格畫面

圖形表征往往能將一些抽象甚至無形的科學(xué)現(xiàn)象有形呈現(xiàn)，從而幫助學(xué)生牢牢記住科學(xué)現(xiàn)象，記住科學(xué)概念。

例如二年級下冊“磁鐵”單元《磁鐵的兩極》一課，該如何讓學(xué)生記憶磁力概念呢？磁力場客觀存在卻又看不見摸不著。為判斷磁鐵S端與N端的磁力大小以及磁鐵中間是否存在磁力，教師在白紙上放一塊條形磁鐵，把鐵屑撒在紙上，輕微、快速抖動白紙后，鐵屑就清晰呈現(xiàn)出磁場力線的紋路。教師請學(xué)生記錄一條條磁場力線，用圖形表征磁力大小和方向分布（見圖8），學(xué)生會因為這幅磁場力線圖而對于“條形磁鐵兩端磁力大，中間磁力小，有2個磁極”的科學(xué)概念記憶深刻。

（三）概括化聯(lián)結(jié)，記憶科學(xué)本質(zhì)

圖形表征有著高度的概括性，能清晰現(xiàn)實物質(zhì)之間的關(guān)系及相互作用，呈現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)，幫助學(xué)生加深記憶。例如五年級上冊“光”單元《光的反射》一課揭示了“光遇到物體時，會發(fā)生反射現(xiàn)象，光的傳播方向會發(fā)生變化，反射光也是直線傳播的”這一概念，學(xué)生只需畫出光的反射路徑圖（見圖9），就可輕松記憶光的反射規(guī)律。

因為圖形表征的過程是對研究對象的感受、儲存、判斷、創(chuàng)造的過程。圖形是被概括化的思維的結(jié)晶，是根據(jù)科學(xué)情境抽象出來的特征且能反映科學(xué)規(guī)律的新形象。這種新形象兼具邏輯性和概括性，是學(xué)生對感性形象取其精華、去其糟粕的結(jié)果。學(xué)生由此抓住了主要矛盾，揭示出科學(xué)的本質(zhì)，把握了物質(zhì)運動的規(guī)律。

三、借助圖形表征的方法，應(yīng)用科學(xué)概念

圖形表征既是對客觀事物的反映，又是被加工的對象，因為在科學(xué)研究中，圖形表征就是一種有效解決問題的方法。圖形表征不僅有助于建立、記憶物質(zhì)科學(xué)概念，更能幫助學(xué)生應(yīng)用概念，解決實際問題。

（一）遷移圖形表征，解決現(xiàn)實問題

圖形表征兼具抽象性和形象性的特點。如果能將一個問題用圖形來表征，說明學(xué)生已經(jīng)掌握了問題的關(guān)鍵，有利于問題創(chuàng)造性地解決。例如，學(xué)生在五年級上冊“力和運動”單元就已經(jīng)掌握了用示意圖表征各種力以及與運動關(guān)系的方法。到了六年級上冊“形狀與結(jié)構(gòu)”單元《做框架》一課時，教師提出了“空調(diào)外機支架的斜杠應(yīng)該加在上面還是加在下面”的現(xiàn)實問題。學(xué)生將五年級習(xí)得的圖形表征方法進(jìn)行遷移應(yīng)用，畫出斜杠在不同位置的受力對比圖（見圖10），從而理解了“斜桿起到了推或拉的作用”的概念，判斷出形變后斜杠連接兩點間距離的變化，做出正確的選擇。

（二）圖解科學(xué)情境，生發(fā)新研究點

圖形表征能直觀反映探究結(jié)果，教師可利用其預(yù)測學(xué)生觀看圖解后產(chǎn)生的信息，引導(dǎo)他們生成新問題，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律。

以六年級上冊“能量”單元《電和磁》一課為例，教師指導(dǎo)學(xué)生分組完成丹麥科學(xué)家奧斯特曾經(jīng)做過的實驗——通電導(dǎo)線使指南針偏轉(zhuǎn)。學(xué)生接通電路后，多次斷開電路，觀察并記錄放于直導(dǎo)線之下磁針的變化。實驗結(jié)束后，教師將6個小組的記錄圖表貼在黑板上（見圖11）。學(xué)生不僅發(fā)現(xiàn)了通電的直導(dǎo)線會使小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，而且發(fā)現(xiàn)各組磁針偏轉(zhuǎn)的方向不一樣，角度不一樣。直觀形象的圖形使學(xué)生很容易地發(fā)現(xiàn)問題，繼而提出新的研究點——導(dǎo)致磁針偏轉(zhuǎn)方向不同、角度不同的原因。

綜上所述，圖形表征是物質(zhì)科學(xué)概念教學(xué)的重要手段。教師可以借助圖形表征，運用圓圈化代物、箭頭化示力、圖表化分析、簡易化記錄等策略，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)概念;運用圖景化想象、有形化顯現(xiàn)、概括化聯(lián)結(jié)等策略，幫助學(xué)生自如記憶概念;運用遷移法、圖解法等策略，幫助學(xué)生自覺應(yīng)用概念，從而解決實際問題，生發(fā)新的研究點。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017.

[2]姜志強.巧用圖畫表征突破核心概念建構(gòu)難點[J].實驗教學(xué)與儀器，2016（7-8）.

[3]王超穎.高中生物理圖形表征的應(yīng)用能力研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2008.

[4]黃小飛.畫圖在科學(xué)概念建構(gòu)中的應(yīng)用[J].科學(xué)課，2011（10）.

（浙江省杭州市行知小學(xué) ? 310012）