概念理解的圖示：基于模型建構(gòu)和推理論證的整合設(shè)計(jì)

摘? ?要：“圖示教學(xué)法”以圖像、圖畫(huà)為核心來(lái)展示科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)過(guò)程，能將科學(xué)概念具象化，幫助理解科學(xué)概念的內(nèi)涵和外延。在分析概念理解的困境和發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用基于模型建構(gòu)和推理論證的三種圖示教學(xué)設(shè)計(jì)：一是理解為先、因果邏輯的核心概念驅(qū)動(dòng)圖示設(shè)計(jì)；二是比對(duì)遷移、以終為始的逆向理論追溯圖示設(shè)計(jì)；三是實(shí)踐重構(gòu)、迭代發(fā)展的項(xiàng)目學(xué)習(xí)物化圖示設(shè)計(jì)。明晰了圖示教學(xué)法的步驟，將其修正和完善，實(shí)現(xiàn)了有效應(yīng)用與遷移。

關(guān)鍵詞：概念理解；圖示教學(xué)；模型建構(gòu)；推理論證

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2024）6-0035-5

在《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）的課程理念和教學(xué)建議中提到，要遵循“少而精”的原則篩選出科學(xué)課程的核心概念，在聚焦學(xué)科核心概念的基礎(chǔ)上領(lǐng)悟跨學(xué)科概念，關(guān)注知識(shí)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化［１］。概念是人腦在感覺(jué)、知覺(jué)和表象的基礎(chǔ)上對(duì)感性材料的思維加工和改造的產(chǎn)物，每個(gè)概念都包含反映事物本質(zhì)的內(nèi)涵和拓展范圍的外延。概念作為思維的基本單元，具有承上啟下和一路伴隨的作用。促進(jìn)科學(xué)概念的理解，對(duì)學(xué)生的知識(shí)體系架構(gòu)和領(lǐng)悟核心素養(yǎng)的內(nèi)涵至關(guān)重要。圖示是動(dòng)作的結(jié)構(gòu)和組織，可以將圖示作為外顯的行動(dòng)框架和內(nèi)在的理解體系，與學(xué)習(xí)環(huán)境中的各要素交互作用?！皥D示教學(xué)法”以圖像、圖畫(huà)為核心來(lái)展示科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)過(guò)程，便于學(xué)生逐步、逐層理解概念的名稱、例證、屬性、屬性價(jià)值和規(guī)則。

1? ? 概念理解存在的困境和發(fā)展

科學(xué)課程的核心素養(yǎng)內(nèi)涵分為科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、責(zé)任態(tài)度四個(gè)方面，而有機(jī)融合１３個(gè)學(xué)科核心概念和４個(gè)跨學(xué)科概念是培育核心素養(yǎng)的有效路徑之一，所以首先認(rèn)識(shí)到概念理解的難點(diǎn)和面臨的困境，才能找到合適的方式改善現(xiàn)狀。

1.1? ? 理解的功利與實(shí)效

在實(shí)際的概念教學(xué)中，往往存在“告訴代替思考的教學(xué)枯燥”“灌輸代替提問(wèn)的教學(xué)低效”“練習(xí)代替建構(gòu)的教學(xué)機(jī)械”“記憶代替理解的教學(xué)呆板”和“經(jīng)驗(yàn)代替策略的教學(xué)隨意”五種教學(xué)樣態(tài)［２］。由于概念教學(xué)設(shè)計(jì)與先進(jìn)的教學(xué)理念相割離，缺少“基于真實(shí)情境的問(wèn)題設(shè)計(jì)”和“大概念視角下的任務(wù)驅(qū)動(dòng)”，導(dǎo)致思維擱淺。學(xué)生知道大量相關(guān)事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)，零碎知道概念的一些基本要素，但缺少事物之間的關(guān)聯(lián)和意義建構(gòu)，這就削弱了概念之間的遷移，減少了對(duì)科學(xué)概念內(nèi)涵和外延的持續(xù)理解。

1.2? ? 標(biāo)準(zhǔn)的模糊與內(nèi)隱

概念包含了具體的物體，也包含了抽象的觀念。理解作為認(rèn)知序列中更為復(fù)雜和完整的含義，使得當(dāng)我們希望理解概念的時(shí)候，并沒(méi)有真正理解“理解”的含義，更無(wú)法用明確的量規(guī)去判斷和評(píng)價(jià)理解的表現(xiàn)。從“追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)”出發(fā)，可以通過(guò)5個(gè)層面來(lái)界定理解：（1）理解是一種從專家經(jīng)驗(yàn)中得出的重要推理，表現(xiàn)為具體有用的概括；（2）理解具有可遷移性，大概念具有超越特定主題的持久價(jià)值；（3）理解包含了抽象的、違反直覺(jué)的、容易被誤解的概念；（４）獲得理解的最好方式是揭示式學(xué)習(xí)及“應(yīng)用”；（５）理解總結(jié)了技能領(lǐng)域的重要策略原則［３］。

1.3? ? 圖示的重構(gòu)與推理

理解源于大量的事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)學(xué)習(xí)者原有的圖示來(lái)內(nèi)化或順應(yīng)。納入原有認(rèn)知框架的過(guò)程，就是通過(guò)循循善誘的方式，將模型不斷重構(gòu)和發(fā)展的過(guò)程，并把模型遷移到真實(shí)情境中，在面對(duì)更多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題時(shí)運(yùn)用概念來(lái)推理論證。建構(gòu)模型和推理論證是認(rèn)知概念、規(guī)律和遷移創(chuàng)新必不可少的兩個(gè)環(huán)節(jié)［４］，所以基于模型建構(gòu)和推理論證的圖示設(shè)計(jì)有利于概念的深度理解，從而逐步形成科學(xué)觀念。

2? ? 促進(jìn)概念理解的圖示設(shè)計(jì)策略

模型和推理的圖示設(shè)計(jì)策略基于事實(shí)證據(jù)（圖１），從教學(xué)線和思維線聚焦概念線的“三線合一”，在學(xué)生經(jīng)歷探究實(shí)踐的過(guò)程中，領(lǐng)悟科學(xué)思維，發(fā)展學(xué)生的概念層級(jí)。采用核心概念驅(qū)動(dòng)、逆向理論追溯和項(xiàng)目學(xué)習(xí)物化的設(shè)計(jì)策略能夠達(dá)到“經(jīng)驗(yàn)—映射—關(guān)聯(lián)—系統(tǒng)—整合”的發(fā)展，從而逐步形成核心概念統(tǒng)整的科學(xué)觀念。

2.1? ? 核心概念驅(qū)動(dòng)圖示設(shè)計(jì)：理解為先，因果邏輯

新課標(biāo)注重以核心概念來(lái)建構(gòu)課程的頂層設(shè)計(jì)，推動(dòng)學(xué)生從習(xí)慣事實(shí)性知識(shí)的識(shí)記趨向概念性理解的深度學(xué)習(xí)，以真實(shí)情境中的真實(shí)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，篩選和提取事物變化的相關(guān)要素，在事實(shí)和證據(jù)的基礎(chǔ)上自主建構(gòu)模型進(jìn)行解釋和預(yù)測(cè)。可以用注重理解為先、因果邏輯的方式來(lái)修正和發(fā)展圖示，并用聚合圖示來(lái)提煉和升華以核心概念為中心的框架，能持續(xù)發(fā)展學(xué)生的高階思維能力。具體包含三個(gè)方面：（1）通過(guò)可遷移的概念和概念性理解發(fā)展發(fā)現(xiàn)新、舊知識(shí)之間的模式和聯(lián)系的能力；（2）將知識(shí)分類儲(chǔ)存到頭腦的概念性圖示中，以便更為有效地處理信息；（3）跨文化、跨時(shí)間、跨情境遷移概念和概念性理解的能力［５］。

【案例１】 核心概念：運(yùn)動(dòng)和相互作用

在對(duì)物體受力分析時(shí)需充分考慮所有力的綜合作用，如果沒(méi)有凈力，物體將不會(huì)改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)有凈力時(shí)，物體的速度大小或方向?qū)?huì)改變。這隱含了在力作用下，功與能量之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)新、舊知識(shí)之間的同質(zhì)模式，就可以采用圖示方式溝通力與運(yùn)動(dòng)、功和能量等核心概念之間的關(guān)聯(lián)（表1）。

核心概念架構(gòu)起科學(xué)學(xué)科的基本框架，也架構(gòu)起學(xué)生知識(shí)概念體系的框架。通過(guò)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和認(rèn)知過(guò)程，將知識(shí)體系進(jìn)行橫向的關(guān)聯(lián)和縱向的進(jìn)階發(fā)展，充分發(fā)揮核心概念的可遷移性和持續(xù)的理解性。通過(guò)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化進(jìn)行深層理解，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的思維能力。

2.2? ? 逆向理論追溯圖示設(shè)計(jì)：比對(duì)遷移，以終為始

逆向設(shè)計(jì)是“以終為始”的一種設(shè)計(jì)方式。掌握一個(gè)事物、事件或場(chǎng)景的意義，就是要觀察它與其他事物的關(guān)聯(lián)：觀察它的運(yùn)作方式、功能、產(chǎn)生的結(jié)果、原因以及如何應(yīng)用［3］。逆向設(shè)計(jì)主要包含確定預(yù)期結(jié)果、確定合適的評(píng)估證據(jù)、設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的體驗(yàn)和教學(xué)這三個(gè)階段。通過(guò)將期望的學(xué)習(xí)結(jié)果和路徑可視化，明了在學(xué)習(xí)過(guò)程中的教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生可以從原有的認(rèn)知框架中提取和加工有用的信息，根據(jù)功能的要求來(lái)尋找相關(guān)的結(jié)構(gòu)，逐步建構(gòu)符合要求的模型，并與之前認(rèn)知框架中的相似模型進(jìn)行比對(duì)，塑造和提煉成具有遷移價(jià)值和更持久的聚合圖示。

【案例２】 有關(guān)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的整體圖示設(shè)計(jì)

基本電路的教學(xué)主要包括基本電路元件、連接方式、電路狀態(tài)和相應(yīng)規(guī)律及應(yīng)用，電路圖是對(duì)電路研究過(guò)程的圖示化建模。在學(xué)習(xí)家庭電路時(shí)，可以根據(jù)電路特點(diǎn)演變四大基本元件，根據(jù)相應(yīng)需求來(lái)增加元件。在電學(xué)基本實(shí)驗(yàn)中，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的原理及要求，逐步構(gòu)造出電路圖，并將歐姆定律、測(cè)電阻、測(cè)功率和焦耳定律給出統(tǒng)一聚合圖示（表２）。

物理的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)都可以采用這種比對(duì)遷移、以終為始的思維策略來(lái)提取有用信息進(jìn)行加工，逐步、逐層來(lái)整體架構(gòu)大概念。例如，電與磁的關(guān)系；電生磁現(xiàn)象的逆向思維衍生出磁生電；從小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)受力，分析、提煉出在電和磁都有的情況下的生力。力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系中，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，逆向思維根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以判斷受力情況——在初中連接力和運(yùn)動(dòng)的是凈力為零的“牛頓第一定律”和“二力平衡”；高中是凈力不為零的自由落體運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。熱學(xué)中的熱機(jī)可以用“污染少，轉(zhuǎn)化效率高”的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分析推理“外燃機(jī)—內(nèi)燃機(jī)”的躍遷，接著從一般概念“燃燒的條件：可燃物、助燃劑和溫度高于著火點(diǎn)”和跨學(xué)科概念“結(jié)構(gòu)與功能”的角度來(lái)設(shè)計(jì)和物化。

2.3? ? 項(xiàng)目學(xué)習(xí)物化圖示設(shè)計(jì)：實(shí)踐重構(gòu)，迭代發(fā)展

從“２０１１年初中科學(xué)課標(biāo)”特點(diǎn)的“探究”發(fā)展成“２０２２年科學(xué)課標(biāo)”核心素養(yǎng)內(nèi)涵的“探究實(shí)踐”，要求在突出科學(xué)思維和探究方式的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)知行合一、學(xué)思結(jié)合，提倡“做中學(xué)”“用中學(xué)”和“創(chuàng)中學(xué)”。立足學(xué)科的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)更具有生命力，在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中融入了“做中學(xué)”的科學(xué)探究原型，強(qiáng)調(diào)在真實(shí)問(wèn)題中運(yùn)用科學(xué)思維和方法進(jìn)行持續(xù)探究，使得現(xiàn)在的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)具有強(qiáng)烈的設(shè)計(jì)導(dǎo)向和科學(xué)探究意味，體現(xiàn)為映射學(xué)科和跨學(xué)科的核心概念和原理，是有項(xiàng)目成果的實(shí)踐活動(dòng)［7］。

基于模型和推理的建構(gòu)和發(fā)展，需要不斷通過(guò)定性研究和定量測(cè)量相融合的方式來(lái)驗(yàn)證比對(duì)。而“測(cè)量”不僅是探究實(shí)驗(yàn)中獲得數(shù)據(jù)實(shí)證的科學(xué)方法，還是與觀察緊密關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)操作技能，更蘊(yùn)含在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)、檢測(cè)和物化評(píng)價(jià)的全過(guò)程中。所以，“測(cè)量”不僅是概念教學(xué)視角下的一個(gè)核心技能，更是能促進(jìn)學(xué)生理解和遷移的大概念。所以，對(duì)“測(cè)量”的概念辨析可以分別從概念層面、操作技能和大概念的視角出發(fā)，這樣有利于測(cè)量技能的動(dòng)手實(shí)踐，組合測(cè)量的遷移領(lǐng)悟，以及項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的物化應(yīng)用（表３）。

新概念的習(xí)得與項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方式的融合已經(jīng)成為當(dāng)今科學(xué)教學(xué)的一種方式，選取核心概念作為項(xiàng)目化的精神內(nèi)核，在項(xiàng)目化的“做中學(xué)”中不斷體悟，在動(dòng)腦、動(dòng)手中深化理解概念的內(nèi)涵和外延。通過(guò)這種內(nèi)外結(jié)合的持續(xù)作用，在真實(shí)情境中不斷探索實(shí)踐真實(shí)問(wèn)題，讓思維的融合不斷推動(dòng)概念層級(jí)的躍遷。

3? ? 圖示設(shè)計(jì)促進(jìn)概念理解的啟示

3.1? ? 圖示設(shè)計(jì)的步驟

圖示設(shè)計(jì)的基本思路是在歸納經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用概括抽象的方式形成相關(guān)的物理概念、規(guī)律和原理，然后對(duì)有內(nèi)在緊密關(guān)聯(lián)的、特征相似的概念進(jìn)行融合比較，形成核心概念。對(duì)不能直接觀察或不易測(cè)量的物體，通過(guò)抓住關(guān)鍵特征來(lái)建立模型，通過(guò)原型與模型之間的比對(duì)進(jìn)行推理論證?；谀Ｐ偷耐评硪馕吨搅酥苯佑^察到的結(jié)果，而將利用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)得出的結(jié)果與觀察到的結(jié)果相比較，可以證實(shí)推理和觀察結(jié)果之間仍然保持著聯(lián)系［6］。

3.2? ? 持續(xù)修正和完善

認(rèn)知心理學(xué)家皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論將認(rèn)知結(jié)構(gòu)水平分為四種，從低到高分別為運(yùn)動(dòng)圖示、表象圖示、直觀思維圖示和運(yùn)算思維圖示。學(xué)生將真實(shí)情境和文字描述轉(zhuǎn)化為圖像和圖畫(huà)，揭示物理現(xiàn)象和過(guò)程，將抽象化的知識(shí)具象化?？梢圆捎脠D像的方式呈現(xiàn)模型，在模型的基礎(chǔ)上推理論證；也可以建立概念圖、思維導(dǎo)圖等圖示方法，在原有的知識(shí)基礎(chǔ)上，不斷豐富內(nèi)涵，修正和完善圖示模型，串聯(lián)起相互之間的關(guān)聯(lián)。

3.3? ? 有效應(yīng)用與遷移

圖示思維教學(xué)在教學(xué)實(shí)踐中起到很大作用，錘煉了學(xué)生的模型建構(gòu)、推理論證和創(chuàng)新的科學(xué)思維，而且將科學(xué)的文字圖像化，將科學(xué)的圖像動(dòng)畫(huà)化，是我們進(jìn)行科學(xué)教學(xué)過(guò)程中的基本思路。理解核心概念和跨學(xué)科概念，對(duì)不同階段的學(xué)生有相應(yīng)的認(rèn)知提升。注重科學(xué)概念的理解就是體現(xiàn)概念的通用價(jià)值，在概念生成和發(fā)展的過(guò)程中體驗(yàn)和應(yīng)用知識(shí)，揭示知識(shí)體系之間的關(guān)聯(lián)，逐步形成能發(fā)展的概念知識(shí)體系。

我們要讓模型建構(gòu)和推理論證過(guò)程立足于科學(xué)思維，要通過(guò)聚合圖示來(lái)促進(jìn)核心概念的凝聚和發(fā)展，要遵循認(rèn)知規(guī)律，依照“事實(shí)經(jīng)驗(yàn)—一般概念—核心概念—跨學(xué)科概念—科學(xué)觀念”的認(rèn)知發(fā)展，讓概念理解在不斷同化和順應(yīng)的過(guò)程中完善和漸進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

［１］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（２０２２年版）［S］．北京：北京師范大學(xué)出版社，２０２２.

［２］陳鋒．初中科學(xué)概念教學(xué)范式的創(chuàng)新研究［Ｍ］．上海：上海教育出版社，２０１７.

［３］格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格．追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)［Ｍ］．閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯.上海：華東師范大學(xué)出版社，２０１８.

［４］蔡鐵權(quán)，鄭瑤．物理觀念建構(gòu)的方式和途徑——物理觀念教育思考之四［Ｊ］．物理教學(xué)探討，２０１９，37（６）：１０－１３，18.

［５］林恩·埃里克森，洛伊斯·蘭寧．以概念為本的課程與教學(xué)：培養(yǎng)核心素養(yǎng)的絕佳實(shí)踐［Ｍ］．魯效孔，譯.上海：華東師范大學(xué)出版社，２０１９.

［６］溫·哈倫．科學(xué)教育的原則和大概念［Ｍ］．韋鈺，譯.北京：科學(xué)普及出版社，２０１１.

［7］夏雪梅．項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的實(shí)施：學(xué)習(xí)素養(yǎng)視角下的中國(guó)建構(gòu)［Ｍ］．北京：教育科學(xué)出版社，２０２２.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2023-11-19

基金項(xiàng)目：2024年浙江省教研課題“基于科學(xué)概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型的研究”（G2024192）；2023年度浙江省教育科學(xué)規(guī)劃課題“素養(yǎng)導(dǎo)向的初中科學(xué)概念理解的創(chuàng)新范式研究”（2023SC209）；第三批紹興市“品質(zhì)課堂”深化行動(dòng)研究項(xiàng)目“基于科學(xué)概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型的研究”（2024XK22）。

作者簡(jiǎn)介：沈強(qiáng)（1979-），男，特級(jí)教師，正高級(jí)教師，主要從事科學(xué)教學(xué)工作。