落實(shí)科學(xué)概念，提升科學(xué)素養(yǎng)
——以《壓縮空氣》一課為例

□金蕾紅 蔣柳青

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“2022 年版課標(biāo)”）指出，科學(xué)素養(yǎng)包括：科學(xué)思維、態(tài)度責(zé)任、科學(xué)觀念和探究實(shí)踐。科學(xué)觀念是在理解科學(xué)概念、規(guī)律、原理的基礎(chǔ)上形成的對(duì)客觀事物的總體認(rèn)識(shí)。學(xué)生“需要明確與科學(xué)概念相關(guān)的現(xiàn)象和過(guò)程，能夠運(yùn)用科學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述或解釋自然現(xiàn)象，并理解概念之間的關(guān)系，靈活應(yīng)用科學(xué)概念”。可見(jiàn)，對(duì)科學(xué)概念的教學(xué)是提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的有效抓手。

然而，在當(dāng)前的課堂中，許多學(xué)生只是被動(dòng)地接受教師的指令，開(kāi)展探究活動(dòng)，導(dǎo)致科學(xué)概念的建構(gòu)停留在表層，不利于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。要解決這一問(wèn)題，教師須立足學(xué)情，設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的探究環(huán)節(jié)，讓學(xué)生經(jīng)歷概念建構(gòu)的全過(guò)程。

《壓縮空氣》是教科版《科學(xué)》三年級(jí)上冊(cè)第二單元“空氣”中的內(nèi)容，教材主要編排了兩個(gè)活動(dòng)：一是利用兩個(gè)相同的注射器，分別抽進(jìn)同樣多的水和空氣，再用大拇指指腹堵住注射器管口，將活塞往里推，然后松手，觀察注射器有什么變化；二是慢慢用力往外拉注射器活塞，然后松手，觀察注射器有什么變化。學(xué)生不難從實(shí)驗(yàn)中得出“水不容易被壓縮，而空氣容易被壓縮，且被壓縮的空氣有彈性”的結(jié)論。最后是讓學(xué)生嘗試從微粒的角度對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。三年級(jí)的學(xué)生第一次在科學(xué)領(lǐng)域中接觸“微?！边@個(gè)詞，而空氣是看不見(jiàn)摸不著的，學(xué)生難以從這一角度解釋相關(guān)現(xiàn)象。本課的基本概念是空氣，教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生理解空氣和石頭、水一樣，是一種物質(zhì)，并且讓學(xué)生知道宇宙中所有的物質(zhì)都是由微粒構(gòu)成的，空氣也不例外。對(duì)此，教師要給學(xué)生提供便于探究的環(huán)境和學(xué)習(xí)科學(xué)概念的支架。

一、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)材料，助力高效課堂

科學(xué)教學(xué)中，選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料至關(guān)重要。良好的實(shí)驗(yàn)材料往往能激發(fā)學(xué)生的探究興趣，使學(xué)生初步感知概念?！秹嚎s空氣》一課的教學(xué)中，為了保證實(shí)驗(yàn)操作方便，成功率高，筆者多次試教并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)材料，具體如表1。

表1 試教與實(shí)驗(yàn)材料改進(jìn)過(guò)程

在用不帶封口套的注射器進(jìn)行自主研究的過(guò)程中，有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)注射器管口射出來(lái)的空氣是冷的；有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)注射器可以像水槍一樣把空氣吸進(jìn)去；有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)用手堵住管口后，先用力往里壓，再突然松手，活塞會(huì)反彈出去。給注射器管口套上封口套后，往里推活塞或往外拉活塞，沒(méi)有出現(xiàn)漏氣的現(xiàn)象。學(xué)生排除了干擾因素，課堂觀察更易聚焦在空氣被壓縮和擴(kuò)張的現(xiàn)象上。在這一過(guò)程中，注射器封口套這一實(shí)驗(yàn)材料是幫助學(xué)生理解概念的“重要幫手”?？梢?jiàn)，精選實(shí)驗(yàn)材料，有助于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使科學(xué)課堂更高效。

二、鼓勵(lì)自主探究，暴露前概念

科學(xué)課堂上，由于探究活動(dòng)缺乏重心，部分學(xué)生對(duì)概念的理解只停留在前概念水平。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主探究，暴露前概念，使后續(xù)教學(xué)更有針對(duì)性。

《壓縮空氣》一課的學(xué)習(xí)中，給注射器管口套上封口套后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：往里推活塞，空氣占據(jù)的空間變??；往外拉活塞，空氣占據(jù)的空間變大。筆者提問(wèn)：活塞往里推，空氣占據(jù)的空間變?。换钊饫?，空氣占據(jù)的空間變大。在這兩個(gè)過(guò)程中，是什么發(fā)生了變化，導(dǎo)致空氣占據(jù)的空間發(fā)生了變化？如果我們用點(diǎn)來(lái)表示空氣微粒，你能畫(huà)出活塞向內(nèi)推、向外拉后空氣微粒的狀態(tài)嗎？學(xué)生通過(guò)畫(huà)圖的形式表達(dá)自己的想法，如圖1、圖2。

圖1

圖2

如圖1、圖2所示，學(xué)生主要有兩種猜想：（1）空氣占據(jù)空間大小的變化過(guò)程中，總量是不變的；（2）空氣占據(jù)空間大小的變化過(guò)程中，總量可能變少也可能變多。這一過(guò)程暴露了學(xué)生的前概念，為后續(xù)教學(xué)的推進(jìn)提供了方向。

三、調(diào)動(dòng)已有經(jīng)驗(yàn)，修正思維偏差

為了糾正學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)知，筆者組織學(xué)生討論，幫助學(xué)生初步建立科學(xué)概念。

師：有的小組認(rèn)為空氣壓縮前后，空氣總量是不變的；有的小組認(rèn)為空氣壓縮前后，空氣總量發(fā)生了變化。這些都只是你們的猜測(cè)，你們有什么證據(jù)可以證明自己小組的觀點(diǎn)呢？

生：如果空氣總量是不一樣的，那么在活塞往里推或往外拉的過(guò)程中會(huì)有空氣從封口套處進(jìn)出。

師：怎么判斷是否有空氣進(jìn)出？

（學(xué)生小組討論。）

生：把注射器放進(jìn)水里，往里推，如果封口套處有氣泡冒出，就說(shuō)明有空氣出來(lái)，反之亦然。

學(xué)生調(diào)動(dòng)已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是封口套處沒(méi)有氣泡冒出，說(shuō)明注射器中的空氣總量在空氣被壓縮前后是一樣的。由此，學(xué)生的思維偏差得到了修正。

四、提供學(xué)習(xí)支架，滲透科學(xué)概念

經(jīng)過(guò)上述學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生進(jìn)一步證明：在空氣占據(jù)空間大小的變化過(guò)程中，其總量是不變的。在此基礎(chǔ)上，筆者繼續(xù)帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行探討，幫助學(xué)生建立科學(xué)概念。

師：我們知道，在注射器往里推或往外拉的過(guò)程中，里面的空氣總量是不變的。那么，注射器在往里推和往外拉的過(guò)程中，其中的空氣微粒發(fā)生了什么變化？

（學(xué)生思考。）

師：讓我們?cè)俅蝿?dòng)手，分別將注射器往里推、往外拉，看看空氣微粒到底發(fā)生了什么變化。

（學(xué)生動(dòng)手操作。）

師：同學(xué)們遇到了什么困難？

生：空氣是透明無(wú)色的，我們無(wú)法看見(jiàn)，更不可能看見(jiàn)空氣微粒。

師：老師這里有一種有顏色的氣體，用它替換空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，看看能觀察到什么現(xiàn)象。

（學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行匯報(bào)。）

生：注射器活塞往里推時(shí)，氣體顏色變深；注射器活塞往外拉時(shí)，氣體顏色變淺。

師：這個(gè)現(xiàn)象能證明什么呢？

生：注射器活塞往里推時(shí)，氣體顏色變深是因?yàn)闅怏w微粒堆積在一起；注射器活塞往外拉時(shí)，氣體顏色變淡是因?yàn)闅怏w微粒分散開(kāi)了。

師：類(lèi)比這種有顏色的氣體，注射器活塞往里推和往外拉時(shí)空氣微粒又發(fā)生了什么變化？

生：注射器活塞往里推時(shí)，空氣微粒堆積在一起；注射器活塞往外拉時(shí)，空氣微粒分散開(kāi)了。

此環(huán)節(jié)遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，通過(guò)層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)為學(xué)生的概念建構(gòu)提供了有效的學(xué)習(xí)支架，有助于學(xué)生形成正確的科學(xué)概念。

五、組織動(dòng)手實(shí)踐，深化概念理解

（一）開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)

科學(xué)教學(xué)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。教師應(yīng)組織學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的探究熱情。

師：這里有一個(gè)注射器、一塊橘子皮。老師先在注射器內(nèi)吸入一些空氣，然后用橘子皮堵住注射器管口，最后用力壓縮活塞，你們覺(jué)得橘子皮會(huì)怎么樣？

生：橘子皮會(huì)“彈”出去。

師：一起動(dòng)手試試。

（學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。）

師：你們觀察到了什么？

生：橘子皮確實(shí)像子彈一樣彈出去了。

師：你們能解釋這個(gè)現(xiàn)象嗎？

生：注射器活塞往里推時(shí)，橘子皮堵在管口，相當(dāng)于封口套。這時(shí)我們感覺(jué)空氣被壓縮了。被壓縮的空氣具有彈性，所以橘子皮被“彈”出去了。

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生用注射器制作空氣壓縮槍?zhuān)ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)、觀察、現(xiàn)象解釋?zhuān)M(jìn)一步驗(yàn)證“空氣能夠被壓縮”這一結(jié)論。教師要為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)基于思維模型的概念學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生的思維得到發(fā)展，使學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解得以深化。

（二）引入思維導(dǎo)圖，總結(jié)類(lèi)比知識(shí)

學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)明確了壓縮空氣具有的性質(zhì)和特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，筆者引導(dǎo)學(xué)生使用思維導(dǎo)圖對(duì)學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)新的概念進(jìn)行類(lèi)比。學(xué)生制作的思維導(dǎo)圖（如圖3）。

圖3

由圖3 可見(jiàn)，學(xué)生在學(xué)完壓縮空氣的性質(zhì)后，從兩個(gè)方面對(duì)水進(jìn)行了類(lèi)比，拓寬了認(rèn)知視野。

六、聯(lián)系生活實(shí)際，遷移內(nèi)化概念

學(xué)習(xí)科學(xué)概念的最終目的是為生活提供服務(wù)。教學(xué)中，教師應(yīng)努力搭建課堂教學(xué)與真實(shí)生活之間的橋梁，引導(dǎo)學(xué)生靈活地應(yīng)用科學(xué)概念，深化認(rèn)知。本課教學(xué)中，筆者引入了生活元素，讓學(xué)生遷移運(yùn)用知識(shí)，具體教學(xué)過(guò)程如下。

師：我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了壓縮空氣的有關(guān)知識(shí)，想一想，生活中的哪些事物也應(yīng)用了這一知識(shí)？

生：游樂(lè)場(chǎng)里的充氣城堡就是利用空氣容易被壓縮的原理設(shè)計(jì)的。

生：救生氣墊、救生圈也是利用空氣容易被壓縮的原理設(shè)計(jì)的。

師：沒(méi)錯(cuò)。哪個(gè)同學(xué)能說(shuō)說(shuō)被壓縮的空氣有彈性這一原理在生活中的應(yīng)用？

（學(xué)生思考。）

生：我們打籃球時(shí)，籃球里充滿(mǎn)了空氣，當(dāng)我們往下拍籃球時(shí)，籃球碰到地面，里面的空氣被壓縮。因?yàn)楸粔嚎s的空氣具有彈性，所以碰到地面的籃球會(huì)彈起。

師：你說(shuō)得真好。利用被壓縮的空氣具有彈性這一原理的例子還有很多，比如空氣壓縮槍、建筑工人用的氣槍等。只要我們留心觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)生活與書(shū)本知識(shí)之間是緊密聯(lián)系的。

總體而言，教師要精準(zhǔn)把握學(xué)情，充分了解學(xué)生的前概念，抓住學(xué)生在建構(gòu)科學(xué)概念時(shí)的思維過(guò)程，精心設(shè)計(jì)思維模型，讓學(xué)生在探究中建立科學(xué)概念。