指向思维进阶的初中科学概念教学

摘    要：概念教学是初中科学教学培育科学思维的重要一环。教师可根据相关专家的研究，解析思维发展层级，设计指向思维进阶的概念教学。具体教学中，教师可通过“促生问题研究，调动思维动力”“分析映射关系，搭建思维台阶”“探究变量关系，建构科学概念”“解释生活现象，提升系统思维”“统整学科概念，培养科学观念”等环节，引导学生联结事物的具体特征与抽象术语之间的关系，建构相关科学观念。此外，教师还需关注促进概念理解、建构科学观念、发展学科思维，引领学生发展学科核心素养。

关键词：思维进阶；概念教学；初中科学

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“《义教科学课标》”）指出，科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式。思维培养是关键能力发展的重要内容，而其中非常重要的一点是引导学生进行思维方式的运用，即引导学生逐步学会基于事实证据和科学推理对不同信息、观点和结论进行质疑和批判，予以检验和修正，进而提出创造性见解的品格与能力［1］ 。概念教学是初中科学教学培育科学思维的重要一环，但当下的教学中，教师往往只是简单地给出概念。如“压强”教学，许多教师只是通过简单的压力作用效果定性实验得出压强的概念。这样的教学过程设计不够完整，缺少对学生已有错误前概念的修正，并且概念建构的过程存在断层，不利于学生学科思维的培养以及学生核心素养的发展。

富含思维的科学课堂教学需要一个渐进式、螺旋上升的进阶水平发展过程。下面，笔者以浙教版义务教育教科书《科学》七年级下册第3章第7节《压强》第1课时为例，先根据郭玉英等人提出的五个思维进阶层级［2］，分析出各层级应达成的目标，再具体阐述指向思维进阶的概念教学。

一、概念教学中的思维发展层级解析

科学思维发展分为五个水平进阶，分别为经验（水平1）、映射（水平2）、关联（水平3）、系统（水平4）、整合（水平5）［3］。据此，笔者针对《压强》一节的内容，对思维发展层级进行了具体的描述，并设计了相应的思维进阶过程（如表1所示），以促进学生对科学本质的理解和内在联系的认识。

二、指向思维进阶的概念教学设计

在教学中，笔者发现如下问题：一是学生对分别放在海绵和木板上的相同物体虽产生了不同的形变，却有着相同的压强备感疑惑；二是由于“压强”的概念运用了比值定义法，而学生对压强、压力、单位面积这三者的比值关系不清晰，很难建立它们间的定量关系，只能依靠浅层的机械记忆。于是，笔者尝试进行思维进阶设计，从五个思维发展层级模型进行概念教学，利用生活中的零散经验和事实，联结事物的具体特征与抽象术语之间的关系，探究压强、压力、单位面积的比值关联，建立三者间的定量关系，帮助学生建构相关科学观念。

（一）促生问题研究，调动思维动力

在教学中，教师需要创设真实的生活化情境，激发学生的学习动机，促使学生生成研究性问题。如笔者以“快递”这一学生熟知的生活化情境引入，引导学生自主分析造成物品破损的原因，凭借已有的经验去猜想答案。此时，学生的思维还处于一种混沌的状态，需要教师对学生的思维进行调整。

【生活化情境】一直以来，易碎品的运输都是个难题。如何解决快递运输中物品的破损问题？请以鸡蛋为例进行研究。

【活动体验】学生利用报纸、快递盒包装好鸡蛋，再将快递盒向高处抛出，待其落地后观察盒内鸡蛋的破损情况。

【引出问题】破损说明鸡蛋受到力的作用，在力的作用下发生了形变。那么，鸡蛋形变与哪些因素有关呢？

此时，学生可能会出现思维上的混沌。生活经验会让学生感觉重力是导致鸡蛋形变的原因。因为鸡蛋是受到地球的吸引，从而掉落到地面破碎的。因此，教师需要协助学生厘清思维，做到去伪存真，让学生理解产生这一现象的本质原因。

（二）分析映射关系，搭建思维台阶

教师可通过问题链的方式引导学生分析问题，找到概念间的简单联系，进而学会从表观现象中抽象出概念的本质内涵。在此过程中，教师要充分利用学生对基本概念的原始认知，为概念建构搭建起思维的台阶，让学生在思维冲突中寻找出物理量的映射关系，经历思维完善的加工过程。

【认识压力】鸡蛋发生形变是压力引起的还是重力引起的？教师通过问题让学生思考压力与重力的区别，结合创新实验让学生直观地观察到——物体发生形变时，它的重力不变，但所受压力的大小在改变。

实验：将金属块置于塑料直尺上方，将压力传感器的压敏电阻置于金属块与直尺之间，用手将直尺一端缓缓抬升，观察抬升过程中压力传感器的示数变化。（该实验可让学生马上理解引起物体形变的原因与压力有关，而与物体的重力无关）

【感受压力】学生用两根食指同时按压铅笔两端，感受笔尖和笔尾处手指的疼痛感，并观察手指接触面的形变程度。在感受压力的活动中，学生两食指所承受的压力相同，但形变情况却不同，可见压力的作用效果与受力面积的大小也有关。

【关注受力面积】杠铃片压鸡蛋演示实验。教师准备三个3 kg的杠铃片，在最下方的杠铃片内壁涂上红色染料，缓慢地压到一个鸡蛋上，让学生观察到鸡蛋的破损情况。实验中，鸡蛋能承受一个3 kg杠铃片的压力而不破损。教师引出受力面积的大小也是影响压力作用效果的重要变量。将杠铃片取下，鸡蛋上侧有一红色区域，即为鸡蛋与杠铃片的受力面积，该面积明显大于鸡蛋放置于水平面上的接触面积。

如此，笔者通过各种活动和实验引导学生去认识压力、感受压力、关注受力面积，建构起压力的作用效果与压力、受力面积大小的映射关系，帮助学生搭建思维发展的台阶。

（三）探究变量关系，建构科学概念

科学概念的建立是学生思维发展的重要一环，教师要搭建台阶、提供方法，为学生提供帮助，从而提升其推理论证、模型建构等能力。教师要引导学生理解概念建构中各知识之间的联系，通过探究理解概念的本质。具体做法是：先通过定性实验让学生理解压力作用效果与压力大小和受力面积的关系，再从定量实验的具体数据分析出压力作用效果与压力大小成正比、与受力面积成反比，进而建构出压强的概念。

【定性探究】学生小组合作，自主选择实验器材：沙盘、海绵、小桌子、长方形木块、砝码等，设计影响压力作用效果因素的实验。教师提供实验设计评价量表（如表2所示）。实验后，学生分组进行展示与评价。

通过上述实验，学生可得出压力作用效果与压力大小和受力面积间的定性关系。但要建构压强的概念，仅仅依靠这一定性关系还不够，还需要建构起三个变量之间的定量关系，从定量关系中建构出概念模型。为提高评价量表的难度设置，笔者增设一栏方案设计的定量评价指标（即“正确运用科学方法，实验现象明显，能得出压力作用效果与影响因素的定量关系”，评价标准为“☆☆☆☆”），引导学生通过如下创新实验进一步探究。

【定量探究】创新实验：设计相关装置，将带有刻度的注射器固定在板上，在注射器活塞下安装相同的弹簧。实验时，在针筒上分别叠放1块、2块、3块相同的铁板，观察弹簧形变量并记录于表格（包含实验次数、注射器个数、铁块数量、弹簧形变量4个要素）。

通过数据，学生可分析得出物理量间的定量关系：受力面积相同时，压力作用效果与压力大小成正比；压力相同时，压力作用效果与受力面积大小成反比。

【概念迁移】教师引导学生根据压力作用效果与压力大小和受力面积间的定量关系进行建模并迁移。

笔者采用类比的方法让学生回顾速度概念及公式，引导学生进行概念迁移建模。通过对表格中记录的实验数据作进一步分析，学生会发现有些组的弹簧形变量相等，再经计算可发现铁块数量与注射器个数的比值也相等。这就意味着压力大小与受力面积大小虽然在变，但有一个隐含的不变的物理量，即它们的比值，这个比值正好反映了压力的作用效果。因此，根据比值定义方法可将压力大小与受力面积大小之比来定义压强，模型即为p=F/S。

（四）解释生活现象，提升系统思维

学生要学会运用科学概念来解释生活生产中的一些问题，这也会使其对科学意义的认识逐步深化，提升思维的系统性。问题的解决需要学生能够从具体事物中抽象出概念来，有时学生还要做好概念间的整合，让思维融入更大的系统中去思考，从而提升问题解决能力。

【学以致用】在学习了压强概念后，学生理解防止鸡蛋破损应从减小压力和增大接触面积两方面考虑。教师再次组织学生用报纸和快递盒包裹鸡蛋，做到随意抛出快递盒而里面的鸡蛋不破。学生学以致用，用一张报纸仔细包裹一个鸡蛋，使鸡蛋与报纸间的空隙尽可能地小，在减少碰撞间产生压力的同时增大鸡蛋与报纸间的接触面积，从而有效防止鸡蛋碰撞破损。

【概念拓展】压强知识与我们的生活息息相关，如冰面救援、逃生锤避险都与压强知识有关，理解科学概念可以在危急时刻挽救我们的生命。大国工程设计也离不开科学概念。中国第一高楼上海中心大厦地基的建造过程就涉及压强相关科学原理的运用。

通过科学概念的拓展延伸，学生能认识到科学知识随处皆在，科学概念可以真正改变我们的生活，推动社会的进步。

（五）统整学科概念，培养科学观念

学科大概念具有概括性、整合性和统领性等特点，它可以统整地概括整个学科的核心性内容，整合相关知识内容，并且可以统领下层的规律、概念等，从而进行有意义的知识网络建构［4］。

【观念教学】学生逐步能够从核心概念进阶到对科学观念的理解，进而建构大的科学观念。《义教科学课标》提到科学学习中共有13个核心概念，其中之一为“物质的运动与相互作用”。该核心概念包含力是改变物体运动状态的原因、电磁相互作用及声音和光的传播这三个重要概念，而压强是“力是改变物体运动状态的原因”的基础概念。

《压强》教学不仅要让学生理解概念内容，学会知识的迁移运用，还要让学生站在更高的位置来看待压强概念与其他科学概念间的联系与区别，知道压强与二力平衡及压强与浮力间的关联，理解“物质的运动与相互作用”这一大概念。

三、指向思维进阶的概念教学反思

科学思维的创造性是一种思考和解决科学问题时思维的自觉能动表现，是一种十分复杂的心理和智能活动，需要有创见的设想和理智的判断。设计指向思维进阶的概念教学，需要符合学科课程标准的要求，有利于培育学生的核心素养。

（一）促进概念理解

科学概念的理解不能靠教师的简单讲授，听明白不代表真理解。学生生活中有很多前概念，有些是错误的经验，它们不利于学生对科学概念的建立，反而会起到负迁移的作用。在设计教学时，教师要基于学生的已有认知，激发学生的兴趣，促进学生对问题的思考，给予学生概念建构的过程体验，让学生真正理解概念形成的过程。

（二）建构科学观念

《义教科学课标》指出，科学观念是在理解科学概念、规律、原理的基础上形成的对客观事物的总体认识。学生应在掌握科学课程的核心概念和学习内容的基础上，通过对核心概念的学习，理解物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化四大跨学科概念，形成整体的科学观念。

（三）发展学科思维

教师不能仅从概念层面进行简单告知，而要考虑学生思维发展的层级水平，通过思维的进阶设计，引领学生更多地去体验、思考和讨论，通过对科学本质的分析、推理、概括，抽象出学科概念模型，进而提升关键能力，发展学科思维。

参考文献：

［1］柳怡.融合6版本教材素材    以问题引领思维型课堂：以“物体的浮沉”为例［J］.物理教学探讨，2024（6）：87-90，96.

［2］［3］郭玉英，姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计［J］.课程·教材·教法，2016（11）：64-70.

［4］何冠燚，陈红君，张诗婉.基于大概念的初中物理单元设计：以“内能的利用”为例［J］.中学物理，2023（2）：56-59.