培養(yǎng)學生推理論證能力的“聲音”單元概念教學

◇周恩榮 張衛(wèi)芳 夏 娟（湖南：長沙市岳麓區(qū)實驗小學）

在小學科學教學過程中，引導學生建構科學概念是一項重要的學習任務。在教學中，我們最期待的是科學概念與學生思維能力協(xié)調發(fā)展。因此，我們團隊對“聲音”單元進行了嘗試與研究。本文以“聲音是能量的一種表現(xiàn)形式”這一大概念為例，對如何精準把握大單元結構中的關聯(lián)概念，基于推理能力培養(yǎng)的概念教學策略進行研究。

一、單元解讀，引導學生建構概念模型

研讀2017年版課標，我們發(fā)現(xiàn)，建構“聲音”單元的所有科學概念，聲音的產生、聲音的傳播、我們是如何聽到聲音的、聲音的強弱及聲音的高低、應用遷移，都與聲音的振動分不開。因此，讓學生真正了解振動是這一單元學習的基礎和關鍵，具體的關聯(lián)概念的關系如圖1 所示。“聲音是能量的一種表現(xiàn)形式”這一大概念需要在每一課的教學中落實。從科學思維發(fā)展的角度看，學生在建構“聲音是由物體的振動產生，通過物質傳播”這一科學概念的過程中，要多次運用比較、抽象、概括等思維方法，集中體現(xiàn)為學生運用推理論證，建構概念模型。

圖1

二、了解學生的元認知，明確概念教學的起點

要讓學生建構“聲音”單元的相關概念，首先要了解學生之前的經驗和認知，然后才能更有針對性地幫助學生建構新的概念，在建構概念的同時，培養(yǎng)學生的論證推理能力。為了探查學生的真實想法，我們采用線上線下相結合的方式。對于聲音產生的原因，有69.57%的學生知道聲音是由物體振動產生的，大部分學生認為打、彈、敲等方式能夠產生聲音。但他們關注的是什么動作使物體發(fā)出了聲音，對于聲音產生的根本原因是物體產生振動的認識明顯不足。

在對“聲音可以在固體、液體和氣體中向各個方向傳播”這一科學概念的調查中，我們發(fā)現(xiàn)，小學生對聲音在空氣中傳播有一定的了解，而對聲音在固體和液體中傳播的認識比較薄弱，很難用科學的語言表述清楚，而且大部分學生在傳播方向的認識方面存在錯誤。

在對“聲音的高低、強弱與物體的振動有關”這一科學概念的調查中，我們發(fā)現(xiàn)，學生對聲音的強弱與振動有關較為熟悉，他們習慣用聲音的大小來形容聲音的強弱，而對聲音的高低與振動快慢的關系較為陌生。

綜合以上的前概念調查及小學中年級學生思維發(fā)展的特點（以形象思維為主，向抽象邏輯思維過渡），可知在思維發(fā)展的過程中，學生需要以觀察為基礎，在觀察的基礎上進行推理、想象，從而構建并發(fā)展抽象邏輯思維。在構建“聲音因物體振動而產生”“聲音通過不同介質進行傳播”“聲音的高低、強弱與物體的振動有關”這些具體的科學概念時，要多次經歷比較、分析、抽象、概括的思維過程，運用歸納、演繹等思維方法，讓學生經歷推理論證，實現(xiàn)概念的建構。

三、精選實驗材料，促進學生推理論證

如何幫助學生建構“聲音是由物體振動產生的”這一科學概念，我們課題組的丁彩梅老師精心選擇了實驗材料：皮筋、鋼尺、音叉、鼓、鐵架臺、水、泡沫、乒乓球等。其中振動明顯且持續(xù)發(fā)聲的是皮筋和鋼尺，振動不明顯但持續(xù)發(fā)聲的是音叉和鼓，水、泡沫、乒乓球是為了讓音叉和鼓的振動變得明顯而特意選擇的。在教學過程中，讓學生充分體驗和觀察皮筋、鋼尺振動時會發(fā)聲的現(xiàn)象，并讓學生按發(fā)聲前、發(fā)聲時和發(fā)聲后的順序分別將兩種材料的形態(tài)變化描述清楚，同時鼓勵他們比較兩種物體發(fā)聲時的異同。學生推測物體振動時會發(fā)出聲音，老師提出問題：“其他物體在發(fā)出聲音時是否也在振動呢？”引發(fā)學生進一步思考。在老師的引導下，學生很快意識到有些物體發(fā)聲時并沒有看見它在振動，如鼓、音叉。老師順勢提問：“那怎樣讓振動看得見呢？”學生就這個問題提出自己的想法。在學生想法的基礎上，老師出示精心準備的水、泡沫及懸掛在鐵架臺上的乒乓球，學生有序地分組觀察實驗。從學生的匯報中可以看出，他們從放在鼓面上的泡沫會起跳、用音叉靠近水面水花會濺起來等現(xiàn)象中，觀察到了物體發(fā)聲時振動不明顯的現(xiàn)象。

在建構“聲音可以在氣體、液體和固體中向各個方向傳播”這一科學概念中，我們課題組的張衛(wèi)芳老師巧妙地改進了土電話的材料，用橡皮筋代替土電話的棉線，讓很多小組的學生聽到了土電話傳播的聲音，同時他們還通過看和觸摸的方法，觀察到橡皮筋傳播聲音的時候在不停地振動，幫助學生看到聲音在固體中的傳播。

在建構“聲音的高低與物體振動快慢有關”這一科學概念的教學活動中，老師從學生最熟悉的鋁片演奏入手，提出問題：鋁片琴發(fā)出的高低不同的聲音是怎樣產生的？引導學生關注鋁片琴的長短與聲音的高低有關。緊接著，出示學生熟悉的口風琴，讓學生按一定順序吹奏口風琴，帶領他們了解口風琴的內部結構，讓他們主動發(fā)現(xiàn)口風琴發(fā)出的高低不同聲音與其內部結構——簧片有關。再次聚焦聲音的高低與發(fā)聲物體的長短有關，自然而然地引導學生探究尺子發(fā)出聲音的高低與物體長短的關系，在探究過程中進一步發(fā)現(xiàn)聲音高低不同與發(fā)聲物體振動快慢有關。利用鋁片琴、口風琴、鋼尺這三種典型的有梯度的材料，幫助學生更好地觀察和分析。

在《我們是怎樣聽到聲音的》這一課中，我們將實驗材料改為大礦泉水瓶、小礦泉水瓶、一次性橡膠手套、橡皮筋、泡沫、鼓、膠槍。根據(jù)學生的邏輯思維發(fā)展規(guī)律，用一大一小的塑料瓶模擬耳郭和外耳道，用輕質的染了顏色的泡沫模擬聽小骨，代替碎紙屑。我們發(fā)現(xiàn)，用鼓代替音叉能夠制造更大的聲音，便將改進的實驗模型固定在鐵架臺上，把鼓放在模型的下方，適當調整高度。把泡沫球染成紅色，使觀察到的現(xiàn)象更為明顯（見圖2）。

圖2

縱觀學生建構“聲音是由物體的振動產生，通過物質傳播”這一科學概念的過程，精選材料，讓振動明顯，是學生進行有效觀察和推理論證的關鍵和保證。同時也讓學生感受到振動帶來了能量的產生、傳遞及大小的變化，進而上升到對“聲是能量的一種表現(xiàn)形式”這一大概念的理解。

四、運用信息化手段，促進學生思維可視化

在聲音產生的實驗中，播放水滴入水中的慢鏡頭；老師播放尺子、橡皮筋、音叉和鼓的慢動作視頻，將振動放大，讓學生看見。在《聲音是怎么傳播的》這一課中，張衛(wèi)芳老師利用信息技術的聲音分析技術，讓學生發(fā)出聲音，觀察聲音分析儀的反應。再通過播放視頻：聲音的形狀——樂器發(fā)出聲音時會讓固體沙粒變化出各種形狀。一系列的操作都是為了讓“振動”這一不明顯的現(xiàn)象變得更明顯，助力學生思維的可視化。

五、利用示意圖，助力學生形成科學概念

小學3～4 級學生思維發(fā)展的特點是以形象思維為主，向抽象邏輯思維過渡。在思維發(fā)展的過程中，學生需要以觀察為基礎，在觀察的基礎上進行推理、想象，從而構建并發(fā)展抽象邏輯思維。利用示意圖（結構化的記錄單及板書）能更好地幫助學生整理分析實驗數(shù)據(jù)，在思維發(fā)展的過程中逐步建構概念。例如，在《聲音是怎么傳播的》這一課中，有結構的板書逐漸完善了學生所觀察和描述的現(xiàn)象。在探究固體傳聲的過程中，學生去找生活中能傳聲的固體，在發(fā)現(xiàn)很多固體能傳聲的基礎上總結出“固體能幫助傳聲”這一概念，實現(xiàn)了從演繹到歸納的過程。通過記錄單讓學生將聲音的傳播表達出來。

我們通過以下策略，力求學生的推理論證能力與科學概念協(xié)調發(fā)展：精準研讀單元內容，聚焦關鍵科學思維能力，梳理核心概念；依據(jù)學生元認知開展教學，促進學生概念轉變；精選實驗材料，引導學生觀察；利用示意圖法，助力學生對比整理分析實驗信息；在實踐與推理的過程中，讓學生的思維發(fā)展得以最大程度顯性化。