李婷婷

【摘   要】图形表征是开展小学物质科学概念教学的重要手段。教师可以借助图形表征，运用圆圈化代物、箭头化示力、图表化分析、简易化记录等策略，引导学生自主建构概念;运用图景化想象、有形化显现、概括化联结等策略，帮助学生自如记忆概念;运用迁移法、图解法等策略，帮助学生自觉应用概念去解决问题，生发新的研究点。

【关键词】图形表征;物质科学;概念教学

物质科学是研究物质结构及其运动和相互作用规律的基础自然科学。其中，小学物质科学运动形式涵盖机械、声、光、电、磁等，学习这些概念的难度远远高于学生的认知水平，且大部分实验无法用感觉器官直接观察，需要借助各类仪器才能完成，理解、记忆、应用概念更加困难。

图形表征是指学生在探究客观世界的过程中，画出与物体及现象相关的图形，借以帮助学生观察、推理、思考、表达，是一种形象、生动的图景表现形式。在物质科学概念教学中，图形表征主要分为示意图形和图表图形两大类。示意图形主要是用简单的线条、箭头、圆圈等平面图形，示意物质结构、受力和运动过程以及电路、实验装置等;图表图形主要是用表格、柱状图、线形图等平面图形，反映不同物理量的过程，从而起到归纳、分析、揭示科学概念的作用。

小学生的认知水平处在具体运算阶段。他们能充分感知物理世界，但难以用语言表征，却可以轻松地用图形表征。因而，科学教师应该借助图形表征进行可视化教学，从而帮助学生建立概念、记忆概念、应用概念。

一、借助图形表征的直观性，建立科学概念

图形表征具有生动的直观性，可应用于物质科学概念教学的各环节：在猜测环节暴露学生前概念;在实验观察、记录环节把握关键因素;在总结环节理清思路，建立科学概念。

（一）圆圈化代物，体现物质变化

物理学家发现，物质是可分的，许多现象都能用物质的微粒模型来解释，并用探测微观世界的工具验证了物质模型。因此，教师在教学物质科学概念时，可以将不同层次的微观粒子视作小球，用一个个圆圈来表示水微粒、空气微粒、糖微粒等物质。

以三年级上册“水”单元《水到哪里去了》一课为例，教师请学生用示意图画出自己对“黑板上的水不见了”现象的理解。学生一般认为是黑板缝隙、空气流动、太阳照射等因素导致水跑到黑板里、空气中和云中。于是，教师播放了两杯完全相同的水（其中一杯盖着塑料膜）多天后变化的视频，使学生认识到水可以在无风、无光的环境下蒸发到空气中。教师提示水是由很多水微粒组成的，一个圆圈表示一个水微粒，请学生站在微粒角度用示意图表示水消失的原因。学生第一次画出的示意图暴露了错误的前概念，经实验现象和教师提示，第二次画出的示意图体现了物质变化过程（见图1），学生由此建立了“蒸发是水的微粒自身处在运动当中，从水面到空中”的科学概念。

把物体抽象成只有质量而无几何形状和大小的一个点（质点），是一种将复杂的机械运动问题转化为简洁图形（通常以圆点记录）的研究方法。如三年级下册“物体的运动”单元《各种各样的运动》一课，教材引导学生在陀螺、小车、跳跳球等物体上贴一个圆点，将具体的物体抽象为一个“质点”，并用多种方法使它们运动起来，以便观察圆点的运动形式。记录时，教师可以提示学生用线条和箭头来表示物体的运动形式（见图2），从而归纳出“物体的机械运动有不同的形式。按照运动轨迹来分，可分成直线运动和曲线运动”的概念。用直观形象的图形表征记录实验现象，符合学生的认知水平，便于学生描述运动轨迹，容易帮助学生建构物质科学概念。

（二）箭头化示力，解释运动状态

箭头是描述力的最佳图形，可以完整地呈现力的作用点、方向、大小等。例如五年级下册“沉与浮”单元《浮力》一课，学生把泡沫块压入水中后，教师引导他们用箭头表示手按泡沫块的感受：手能感受到水对泡沫块有一股向上的力，即浮力;水中的泡沫块亦同時受到重力的作用。继而，学生通过对静止物体受力平衡的分析，绘制了“泡沫块受力分析图”（见图3），推断出“向上的浮力=向下的重力”的概念。

箭头除了描述浮力和重力之外，也可以表示摩擦力、弹力等，形成“力作用于物体，可以改变物体的形状和运动状态”的概念，还可用来表示物体的运动形式。例如三年级上册“空气”单元《风的成因》一课，要求学生做模拟实验，用图或文字记录观察到的现象（见图4）。学生发现点燃盒中的蜡烛

后，顶部小孔附近静止不动的纸条开始摇晃起来，蚊香冒出的烟由向上变为向盒子内部运动。教师引导学生用箭头画出空气流动的路径，发现“空气受热会上升，周围的冷空气补充进来，空气在水平流动过程中形成了风”，从而解释风的成因（见图5）。

（三）图表化分析，概括科学规律

实验数据记录表是教学中最常见的图形表征。学生借助表格进行分析、概括，能从中发现变量之间的关系，得出相应的规律。以六年级上册“工具与机械”单元《杠杆的科学》一课为例，学生从杠杆实验数据表中发现（见表1），如果用力点与阻力点离支点的距离相同，使用杠杆不省力也不费力;如果用力点离支点比阻力点远，使用杠杆就比较省力，反之则费力。

（四）简易化记录，降低思维难度

电路问题在物质科学中占有重要地位。二维电路图是将实物电路中的各种元件转化为各种符号并用直线连接起来的示意图，从而将复杂的电路用简化的方式清晰呈现，降低思维难度，找出电器之间的串、并联关系，解决实际问题。例如四年级下册“电”单元《简单电路》一课的电路图，省去了与电路无关的部分，只保留通路的器件，用以分析该电路工作原理（见图6）。这种简易化的图形表征使学生豁然开朗，找出问题的本质，建立“电路是包括电源在内的闭合回路”的概念。

二、借助图形表征的形象性，记忆科学概念

图形表征是一种生动形象的科学语言，是思维品质与科学语言相结合的能力。它能形象地表述科学概念和规律，鲜明地显示各种物质之间的关系和变化趋势，因而，教师可以运用图景化想象、有形化显现、概括化联结等策略，帮助学生记忆科学概念。

（一）图景化想象，记忆动态过程

物质科学概念中有很多抽象问题，需要学生有很好的空间思维能力。空间想象能力差是导致学生难以记忆概念的主要原因。因此，把物体时间、空间上的变化用图形表征出来，可以降低想象难度，找出临界条件，记忆动态过程。

如三年级上册“水”单元《冰融化了》一课，学生在亲眼观察后，用试管、冰、水等图形和简短的文字记录冰融化成水的三个阶段——融化前、融化一半、完全融化（见图7）。探究过程中的各种现象具有实时性、生动性的特点，图形表征可以将学生大脑中储存的有关冰变成水的变化过程动态呈现，梳理和强化了“冰融化成水，体积变小”的科学概念，达到轻松记忆的目的。

（二）有形化显现，记忆定格画面

图形表征往往能将一些抽象甚至无形的科学现象有形呈现，从而帮助学生牢牢记住科学现象，记住科学概念。

例如二年级下册“磁铁”单元《磁铁的两极》一课，该如何让学生记忆磁力概念呢？磁力场客观存在却又看不见摸不着。为判断磁铁S端与N端的磁力大小以及磁铁中间是否存在磁力，教师在白纸上放一块条形磁铁，把铁屑撒在纸上，轻微、快速抖动白纸后，铁屑就清晰呈现出磁场力线的纹路。教师请学生记录一条条磁场力线，用图形表征磁力大小和方向分布（见图8），学生会因为这幅磁场力线图而对于“条形磁铁两端磁力大，中间磁力小，有2个磁极”的科学概念记忆深刻。

（三）概括化联结，记忆科学本质

图形表征有着高度的概括性，能清晰现实物质之间的关系及相互作用，呈现科学本质，帮助学生加深记忆。例如五年级上册“光”单元《光的反射》一课揭示了“光遇到物体时，会发生反射现象，光的传播方向会发生变化，反射光也是直线传播的”这一概念，学生只需画出光的反射路径图（见图9），就可轻松记忆光的反射规律。

因为图形表征的过程是对研究对象的感受、储存、判断、创造的过程。图形是被概括化的思维的结晶，是根据科学情境抽象出来的特征且能反映科学规律的新形象。这种新形象兼具逻辑性和概括性，是学生对感性形象取其精华、去其糟粕的结果。学生由此抓住了主要矛盾，揭示出科学的本质，把握了物质运动的规律。

三、借助图形表征的方法，应用科学概念

图形表征既是对客观事物的反映，又是被加工的对象，因为在科学研究中，圖形表征就是一种有效解决问题的方法。图形表征不仅有助于建立、记忆物质科学概念，更能帮助学生应用概念，解决实际问题。

（一）迁移图形表征，解决现实问题

图形表征兼具抽象性和形象性的特点。如果能将一个问题用图形来表征，说明学生已经掌握了问题的关键，有利于问题创造性地解决。例如，学生在五年级上册“力和运动”单元就已经掌握了用示意图表征各种力以及与运动关系的方法。到了六年级上册“形状与结构”单元《做框架》一课时，教师提出了“空调外机支架的斜杠应该加在上面还是加在下面”的现实问题。学生将五年级习得的图形表征方法进行迁移应用，画出斜杠在不同位置的受力对比图（见图10），从而理解了“斜杆起到了推或拉的作用”的概念，判断出形变后斜杠连接两点间距离的变化，做出正确的选择。

（二）图解科学情境，生发新研究点

图形表征能直观反映探究结果，教师可利用其预测学生观看图解后产生的信息，引导他们生成新问题，发现新规律。

以六年级上册“能量”单元《电和磁》一课为例，教师指导学生分组完成丹麦科学家奥斯特曾经做过的实验——通电导线使指南针偏转。学生接通电路后，多次断开电路，观察并记录放于直导线之下磁针的变化。实验结束后，教师将6个小组的记录图表贴在黑板上（见图11）。学生不仅发现了通电的直导线会使小磁针发生偏转的现象，而且发现各组磁针偏转的方向不一样，角度不一样。直观形象的图形使学生很容易地发现问题，继而提出新的研究点——导致磁针偏转方向不同、角度不同的原因。

综上所述，图形表征是物质科学概念教学的重要手段。教师可以借助图形表征，运用圆圈化代物、箭头化示力、图表化分析、简易化记录等策略，引导学生自主建构概念;运用图景化想象、有形化显现、概括化联结等策略，帮助学生自如记忆概念;运用迁移法、图解法等策略，帮助学生自觉应用概念，从而解决实际问题，生发新的研究点。

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（浙江省杭州市行知小学   310012）