构建图示模型，内化科学信息
----运用图示模型进行小学科学核心素养培养的策略研究
马鞍镇中心小学滨海校区 戚越峰
【摘要】教育心理学表明，通过构建图示模型可以让学生找到新信息与旧知识内部联系的方法，达到“保持、完善、重构”的学习结果。图示模型能突破时间空间限制，进一步优化科学课堂效果，将学生的学习过程变得更为直观化、形象化，提高学生的自主意识和独立思考能力，增强学生的科学核心素质和创造能力。本文主要从运用图示模型表述科学信息，巧用图示模型显现思维信息，善用图示模型建构科学信息三个方面阐述图示模型如何促进科学核心素养培养。
【关键词】图示模型 科学信息 构建知识 核心素养
小学科学是一门培养孩子科学核心素养的启蒙课程。面对年龄较低的孩子，小学科学教材设计时就运用了众多的图片形象的描述了科学活动的开展过程。课本封面上孩子们认真探究的画面，是科学学习的开始；清晰直观的生活插图，是科学学习的源泉；简洁明了的实验绘图，是科学学习的本真；形式多样的记录表格，是科学学习的基础。小学科学学习，就是引导孩子们观察并思考生活中的直观现象，继而通过理性分析实现从感性知觉到逻辑思维的飞跃，最后内化为自我的科学信息。《小学科学课程标准》中指出要让学生能用自己擅长的方式表达探究结果，进行交流并参与评议。课标还指出要让学生能用画图和文字表达的方式记录物体观察和实验结果。如何在课堂中构建图示模型，渗透形象思维于科学教学过程，帮助学生有效的内化科学信息，我们做了一些有益的尝试。
小学科学中的信息组织主要在方案设计，实验操作和改进，结果的分析和获得等环节，其中的思维过程十分隐蔽，抽象，难以表述和评价，而这些又正是提升科学核心素养的关键之处。为此在这些环节运用多种直观图形帮助学生构建新知，分析问题，组织信息就显得十分重要。图示模型不仅是传统学习中的几何图形、线段图、统计图等标准图示，更是如维恩图、气泡图、概念图、分析表等科学学习特有的直观图示。运用图示模型可以让课堂化繁为简，减少实验材料造成的认知错觉，将教学情景中难以直观阐述的思维走向“图示化”，把问题的产生过程直观化，把概念的理解过程清晰化，把规律的探索过程可视化，使内隐变外显，随意变创意，抽象变形象。
图示模型就是通过绘制图形表格搭建认知模型表达自己思维想法的方式，它可以是图片、表格、符号甚至是文字。即在科学探究过程中，指导学生用绘图的方式表达生活常识构建科学概念过程中的中间状态，展示自己的思维，记录对信息观察、理解的过程，并最终在头脑中用图示模型内显科学知识。与此同时教育心理学表明，通过构建图示模型可以让学生找到新信息与旧知识内部联系的方法，达到“保持、完善、重构”的学习结果。而学生在内化信息的学习过程和结果都是抽象的、隐性的，需要根据小学生形象具体的思维模式进行外显化、形象化。综上所述，在小学科学中构建图示模型来内化科学信息，可以帮助教师深入、全面的了解学生的思维，并促进学生思维的发展和科学概念的有效构建，成为打开科学核心素养培养的新方式。
一、运用图示模型，表述科学信息
流利的语言，顺畅的讲解并不是科学课堂的教学方式；华丽的词藻，优美的文字也不是科学课堂的呈现方式。现代教育学告诉我们以文字、语言方式教给学生的科学概念、知识体系最终会被学生丢到思维的垃圾箱里，只有通过有趣的现象、精彩的实验、丰富的交流才能将科学信息传递给学生并带动和引导学生对于科学现象的思考，最终转化为自己的科学信息。换句话说，任何一个学生，他学习的都不是教师讲解的知识，而是他思考、加工、生成的内容。
那如何让学生将自己理解的内容表达出来呢？在每个学期初我就让同学们设计制作了科学记录本（如图1），让他们将科学课中学到的东西用图画加文字的方式记录下来，下课后我对学生科学记录本并逐个进行指导批注，对于好的记录表不光展示表扬而且免除作业，这样每节课下来他们多多少少会画个图记录一些内容，这些正是学生科学知识的学习轨迹，通过学生的学习进度，教师就可以调整课堂策略，更好的培养科学核心素养。
图1 科学实验记录表两例
四年级上册《声音》单元的学习过程中，学生老是把音强与音高混淆，敲打一个响亮的音，学生就认为这个是高音强音，听到低沉的音却会认为声音低、弱。对初学声音的学生来说是两个很容易混淆的概念，总是将“音高≈音强”，“ 音低≈音弱”。其实，音调与响度是声音的两个不同特征，那响度、音调怎么正确反映声音的两个不同特征呢，不光对于学生，连对教师本身都是一个巨大的挑战。在不知道本质的情况下，即使教师深情并茂的反复讲解，学生也是一头雾水。
为了解决这个难题，我在网上观看了省教研员喻伯军老师的课堂视频，但是看着明白了回头就忘了，实际教学效果并不理想，后来我在小学科学网上发现了以“↑”、“↓”为符号，把观察钢尺、橡皮筋在发声时的运动状态用图示的方式记录下来的“音量与音高”图示表（如图2），立马恍然大悟，通过图示表格的学习，学生就能很快模仿着画出自己的图示模型（如图3），并通过箭头的长短，疏密迅速的判断音量和音高。
图2 “音量与音高”图示表 （原图来源于浙江省小学科学网）
图3 直尺长度与音高变化
通过以上例子发现，在课堂中教师难以表达的科学概念，学生难以表述的科学知识，通过有效的图示模型，可以一目了然的展现科学内容，这样大大降低了科学信息的认知加工难度，并促进学生将学到的科学信息快速的加工表述出来，培养了科学的核心素养。
二、巧用图示模型，显现思维信息
由于小学生的各种能力还处于发展期，特别是思维认知，正处于一个由感性认识逐步向理性分析发展的过渡阶段。在科学课堂中如果把长时探究的过程，仅仅是用一二句科学概念几个科学符号来表述，这是完全无法了解学生在科学探究中的思维过程的。这时候就需要运用图示模型，让学生在具体的事物情景和抽象的科学信息之间建立联系。一般就是一个个相关的图形，串连成一副表达学生思维过程的模型图，整个图示模型就会透过表象，指向科学信息的建立过程。
五年级下册《沉与浮》单元结束后为了考察学生对于沉浮的了解清楚，我出了这样一个题目：
描述：三个相同大小的小球放进水槽中，A球浮出水面，B球悬浮在水中，C球沉在水底。
问题：三个小球浮力大小的关系？重力大小的关系？加入一些盐后，小球会有什么变化？
沉浮关系在小学阶段是一个非常复杂的关系，是教学的难点，为此我为学生设计了粗细不同的箭头来表述各种力的大小，通过小球受力分析图（如图4），学生将力的大小用不同粗细的箭头表示，箭头粗代表力大，箭头细代表力小，阴影部分代表增加的力，这样便会很快梳理各种力的关系，顺利完成解答。
图4 三个小球受到的浮力大小关系分析图
一个个小球力的分析图组合在一起让我们马上看到了学生思维的分析过程，这就是完整的显现了思维的信息，借助图示模型可以让学生在探究过程中将一些抽象的思维过程形象直观的显现出来，为内化为科学信息提供重要的依据。当然在图示模型建构中也要遵循循序渐进的原则，从易到难，慢慢形成综合的图示模型。比如在进行“三个小球受力分析”前，我组织了学生分析“上浮物体和下沉物体受到的浮力大小”问题。
问题：上浮物体和下沉物体在水中受到的浮力大小是多少呢？
上浮物体的浮力图 下沉物体的浮力图
这样的教学课堂气氛非常活跃，学生的思维积极性被迅速调动起来，对于静止的物体力是平衡的这样概念已经牢牢把握，在思考如何测量浮力大小时，学生就可以自主分析下面的图示（如图5）来解决问题。
图5 上浮物体和下沉物体所受浮力大小示意图
在经历了以上的图示学习过程后，好多学生就能很快分析《曹冲称象》。大象的重量让船下沉了，大象一下船，水位又回到了原点，要让水继续下沉到大象的位置，必须再有一个力强加在船上，它的方向一定是向下的，所以石头的重量就等于大象的重量。所以可画成三个力的平衡图（如图6）。
图6 曹冲称象—力的分析示意图
可见图示加工策略确实很好地帮助学生解决了思维上的瓶颈。图示模型的构建创新性的帮助学生解决了“力”这一物理概念，并且再未来遇到有关“力”的思维瓶颈时，都可以通过这一图示模型进行分析、解决、成功内化为自己的科学概念，切实的提高了学生的科学核心素养。
三、善用图示模型，建构科学信息
在小学科学教材中引入了大量的图片用以培养小学生形象思维转向抽象思维，同时也希望这些图片能够加深学生对于科学探究的理解，提高学生自主科学探究的能力，但是可视化的图片也会干扰学生对于科学信息的判断，只有在教师的有效干预，才能真正转换成科学概念，帮助学生自然而然地运用图示模型建构起独特的科学信息，提高学生独立科学思考能力。
例如在六年级上册《种类繁多的动物》一课学习时，大量的图片都是学生熟悉的动物，有老虎、鸽子、金鱼、蜗牛等等，随后要求学生把所列举的动物进行分类。开始时，学生的分类方法五花八门，有人主张水中游的、地上跑的、天上飞的进行分类，有人则建议从素食肉食方面进行分类……这时我们发现大量的图片同样干扰了学生的知识建构。我适时向学生呈现了（如图7）所示的分类图，让学生将零散的图片转换成图示模型，选择分类标准，将丰富的图片转换成文字，整理后的信息变的清晰而简洁（如图8）。
图7 动物的分类 图8 脊椎动物和无脊椎动物
当我们通过有无脊椎这个标准清晰的分类后，已经学会了用一个标准量对于知识进行分类整理，这时候丰富的图片就不再是干扰我们思维的乱入者，而是我们进行概括归纳的好帮手。如在有无脊椎动物分类后就可以用维恩图概括了不同动物的特点（如图9）。
图9 脊椎动物和无脊椎动物特点维恩图
不同的图示模型具有各自不同的特点，在不同的单元和课例中需要最直观易懂的图示模型，是构建科学信息又一重要方式。如在六年级下册《宇宙》单元中，同学们在我的帮助下设计了关于宇宙的分类图（如图10），但是图示中发现宇宙和总星系的区别并不明确，而且在一次作业中遇到：太阳系，银河系，河外星系的大小关系时，学生自然而然的选择了：“银河系＝河外星系＞太阳系”。盲目的选择图示不仅会让概念模糊，而且会产生错误信息，为此我们对宇宙单元的图示进行了优化，设计了更为清晰的“宇宙关系图”（如图11）
图10 “宇宙分类图” 图11 “宇宙关系图”
当我们将图示模型运用到大单元的概念梳理时，发现图示中图片的形式越来越简洁，而形成的知识系统性越来越强，重要内容之间的关系更为突出，学生也发现图示模型对于构建科学信息的重要性。例如六年级下册《物质的变化》单元学完后，为了有效地进行单元复习，我编制了（如图12）所示的单元概念图。
图12 “物质的变化”单元概念图
当我们在构建图示模型时发现作业本中也同样要求我们“用图表的形式归纳本单元的知识内容”。如《物质的变化》单元，我们发现它涵盖了本单元很重要的概念，例如物理变化和化学变化，也包含了变化伴随的现象，例如发光发热、产生气体、颜色改变、产生沉淀等，用一种很有逻辑关系的图示把它们有机地串联起来，便于学生整理知识和整体把握单元内容。学生通过模仿分析也在单元练习中创造性的发挥运用图示模型，将科学概念清晰表述（如图13）。
图13 “物质的变化”单元概念图（学生版）
综上所述，构建有效的图示模型是小学科学学习的重要方法，其本质是将抽象的思维过程予以形象化的显现，让我们像手术刀般准确的帮助学生理解概念、把握规则，内化为自主的科学信息。通过实践发现合理的构建图示模型，可以让科学课堂教学形式更为丰富，学生学习科学的探究欲望更为强烈，为形象思维到抽象认知建构搭建脚手架，刺激学生将图片模式构建为图示模型的转变，逐步形成学生思维方式由表及里、层层递进、步步深入的转化，最终帮助学生突破科学信息认知逻辑的难点，加强对所学知识的理解，并将所学知识概念进一步地内化融合，所以图示模型是重要的培养和提升学生科学核心概念的方法。
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