《概念图在小学科学教学中的应用研究》课题题报告.docx
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《概念图在小学科学教学中的应用研究》课题题报告
《概念图在小学科学教学中的应用研究》课题结题报告
一、研究背景
1.现状述评：
科学概念是科学素养中的一项重要内容，儿童学习科学意味着修正和拓展对核心概念的理解，从而能更系统性地认识自然，提高科学素养，因此，概念教学也成为科学探究教学中的重点，随着课程改革浪潮的有序推进，科学探究过程取代了自然常识告知，亲历参与取代了纯粹结论灌输。
这是科学课程教学的进步，然而，不可否认的是，一些教师对科学课堂的过程设计与实践过程往往满足于被活动表象所充斥，而缺失了活动本身所应有的价值和内涵，活动过程显得苍白而无力，造成“活动有余，思维不足，概念混淆”的局面，学生探究活动后，还是停留在“好玩”的层面上，对所建构的科学概念不是很清楚，甚至不能用概念来解释问题和实现知识的再创造。
因此，如何建构有效的科学探究过程，促进学生真正掌握科学概念，形成概念的整体联系是我们急待研究的问题。
其中概念图就是一种较好的方法，它以直观形象的方式表达知识结构，有效呈现思考的过程及知识的关联，引导学生进行意义建构，非常接近人的自然思维过程，既能引导学生自主探究，又能形成整体思维能力。
2.国内外研究现状。
通过大量网络文献检索，国外从20世纪60年代运用概念图工作、学习至今，案例很多，成为中小学教学常用方法；国内1999年引入概念图，也有一些概念图教学的文章，以“概念图教学”在CNKI和“Google”网页收索，关于概念图运用到中学物理教学、生物教学等理科教学、医学教学、工程问题研究很多，在常州市教育局教研室网站上收索到瞿晓峰老师的物理学科概念图运用研究论文、张林关于概念图的研究论文，但运用到小学科学教学的案例几乎空白，这为我们提供了研究的基础和信心。
3.选题意义和研究价值：
鉴于此我们设计了《概念图在小学科学教学中的应用研究》这一课题，主要在科学教学中，应用以概念为核心创建概念图的策略，引导学生以框图的形式将概念以及概念之间的意义关系进行重组和优化，便于学习者对整个知识结构的掌握，有利于直觉思维的形成，促进知识的迁移，提高科学探究的效率。
研究概念图应用于科学探究教与学的过程中，其价值在于教师把概念图整合于自身的教学过程设计和教学评价，提高教师有效整体设计的效率，这是一种新的教学方式，给一线教师提供有益的教学启示，并且组织学生开展概念构图活动，为学生引导一条全新的学习方式，利用概念进行思维发散，思维过程可视化，从而更系统、有效地参与科学探究过程中，提高学习效率。
本研究将有助于推进概念图在科学探究中的应用，有助于科学教学的发展，有助于师生们改进教与学的方式，提高师生的科学素养。
二、概念界定
1.概念图。
概念图是20世纪六十年代美国康奈尔大学JosephD.Novak教授提出的用于表征和揭示知识结构中的意义联系的图表。
它是由代表概念的节点和表征概念间关系的连线组成，以视觉再现认知结构、外化概念和命题的一种方法，又称概念构图（conceptmapping）、概念地图（conceptmaps）或概念网（conceptwebbing）。
这种以图示表达人们头脑中的概念、思想、理论等的方法，能把人脑中的隐形知识显性化、可视化，便于人们思考、交流和表达。
并被证明是教师帮助学生学会如何学习的一种行之有效的教学策略。
2.概念图教学。
以构建概念为核心，引导学生以框图的形式将概念以及概念之间的意义关系进行重组和优化，便于学习者对整个知识结构的掌握，有利于直觉思维的形成，促进知识的迁移，提高学习效率。
对于教师和学生来说，是一种全新的教与学的方式。
三、理论依据：
1.奥苏贝尔的有意义学习理论：
影响学习的最主要因素是学习者已掌握的知识，当学习者有学习的意向，并把所要学的新知识同原有的知识联系起来时，意义学习便发生了。
学习者应会辨别新概念的层次。
根据层次，把这些概念放入他们知识结构中相应的位置上。
主张用一幅“大的图画”，首先呈现最笼统的概念，然后逐渐展现细节和具体的东西。
2.建构主义的学习理论认为：
要记住知识、并懂得意义，新知识就应当与现有知识结构整合。
概念图可以把整合过程清晰呈现，使学习者看到概念之间的关系，促进整合过程的形成。
概念图还是学生建构知识不错的脚手架。
由此，引发了对概念图更深入地实践应用以及研究。
3.脑科学理论：
泛脑网络学说认为，人的大脑可从宏观到微观分为回路、神经元群、神经元及分子序列四级层次的网络。
人的学习、记忆和思维正是通过这样一个网络系统来进行的。
概念图的结构特征充分地符合了这一人脑的生理机制。
四、研究目标和方法
研究目标：
1.在概念图的研制与运用中，提高教师有效设计的能力，从而促进教师的专业成长。
2.用概念图于科学探究，提高学生自主探究能力，培养整体思维，提升素养。
3．构建新型的基于概念图教学的模式和概念图学习的策略。
4.利用独特的概念图探究文化，形成学科教学特色。
研究方法
1.调查研究法。
在课题研究前期要充分调查师生对科学探究的方式方法的使用现状，以便于课题研究的实施。
课题中期调查学生对概念图学习的认可度和使用效率，以便有效推进概念图深入研究。
2．文献资料研究法。
在课题研究的整个过程中均要查阅相关的文献资料，认识概念图教学的现状，思考概念图教学的对策、与科学探究的联系点等。
3.行动研究法。
对课题研究中，教师的教和学生的学采用行动研究法，立足科学探究过程，提炼相应的策略
4.经验总结法。
对概念图教与学的方式进行有效的总结，边实验边总结，形成相应的教学模式和策略。
5.个案研究法。
采用个案研究来提升概念图教与学的力度，使本课题更加有说服力。
五、研究内容和主要过程：
课题组组建了一支以市科学中心组为依托的研究团队，创建了课题网站，先后用网络收索和CNKI文献查阅的方法查阅了关于概念图的文献资料，课题组成员通过相互学习交流，思考了概念图的内涵，认识到概念图的起源与国内外研究现状，概念图是以概念、连线、层次为要素的结构，能引领学生自由探究，自由表达，提升科学探究能力。
其次学习了概念图运用在小学科学探究的哪些环节，对学生的科学探究起哪些作用，明确了概念图可以优化教师备课、调查学生前概念、帮助学生自由设计实验，提高探究效率等。
在此基础上课题组对以下内容作了研究：
（一）基于概念图教学的单元整体性备课研究。
课题组通过调查研究发现，以前的备课都是以单独概念为主题，忽略了单元概念中的联系，以致于教师对单元前后科学概念掌握不牢，课堂驾驭能力不强，经常被学生“问倒”，现在利用概念图进行单元整体备课，促进教师从整体上把握科学教材，钻研教材，形成系统的科学概念。
我们从以下几方面展开研究：
1.钻研整个单元教材，用概念图列出单元科学概念间的关系，自身形成整体认识。
首先认真分析教材，列出概念及概念间的联系。
其次在备课中要得到体现，列出单元概念图，形成整体认识。
（举例五年级上册《太阳和影子》略。
）
2.根据单元概念关系，设计概念图教学策略。
单元概念图列好后，研究在每一个课型中怎么用？
利用概念图目标指向有哪些？
课题组通过研究，确定了概念图主题单元分析表：
单元
课例
概念图类型
内容
在教材中位置
目标指向
第
一
单
元
我眼里的生活世界
1.寻找有
生命的物体
气泡图
探究有生命的物体
探究阶段
找出有生命的物体
2.校园里
的植物
气泡图
维恩图
探究植物类型比较植物特点
探究阶段
总结比较阶段
记录植物类型比较植物的特点
3.校园里的动物
气泡图
记录动物名称比较动物的特点
探究阶段
总结比较阶段
记录动物类型能比较动物特点
4.植物动物人
维恩图
比较植物动物和人的相同和不同
中间环节
观察概念图找出相同点和不同点
通过每一单元的科学概念图主题分析，教师就比较清楚概念图怎样用？
用在哪儿？
达成哪些目标？
课题组成员能勾画概念图来认真分析教材，是我市科学中心组研究教材的一大特色，教材理解可视化，单元备课整体性强，课题组成员在三年多时间里认真分析、研究教材，课堂教学实效得到提升，所执教的市级公开受到教研室领导好评。
3.利用概念图调查学生的前概念，提高教学效率。
本课题主要根据奥苏伯尔的有意义理论，影响学习的最主要因素是学习者已有的学习经验，当学习者有学习的意向，并把所要学的新知识同原有的知识联系起来时，意义学习便发生了。
为此用概念图来暴露和了解学生的前科学概念显得尤为重要，课题组成员采用概念图来了解学生的前概念，有利于教师设计教学和有效的预设。
如探究“毛细现象”这个概念时就设计了以下概念图：
通过调查学生的前概念发现，大部分学生已经知道餐巾纸、毛巾等生活中常见材料都能吸水，课本中引导部分就是用餐巾纸吸红水来引导学生兴趣，根据前概念的调查，这样的引导就没有新意，学生不能进入有意义的学习，因此课题组教师根据学生前概念水平，用报纸制作了一朵纸花，放入水中慢慢绽放，引发认知冲突，进而引导学生思考，学生兴趣浓厚。
在这样的研究中，课题组教师都能针对每一节课利用概念图调查学生的前概念，为课堂教学的有效设计和实施起到了推波助澜的作用。
三年来，课题组教师的课堂教学设计能力得到增强，在市科学学科基本功竞赛中有7人获一、二、三等奖。
（二）基于概念图优化科学探究的研究
1.利用概念图作为先行组织者，帮助学生选择主题和研究策略。
科学课程标准倡导科学探究应该是学生真正在研究，教师不能逐一做实验，取代学生的自由研究。
课题组通过概念图来引导学生按需研究，有用利用概念图来选择研究策略和主题，培养了学生自主探究的能力。
如三年级研究塑料的优点时要和5组材料进行比较，一组一组比较很费力，通过呈现概念图来帮助学生选择主题，学生就能根据小组研究能力和生活经验进行选择性研究。
2.利用概念图有效设计实验和记录的研究。
课题组通过用概念图来引导学生进行自主设计实验，真正成为探究的主人。
具体做法是：
中年级：
图式填空。
根据教师设计好的概念图进行填空，引导思维，设计实验和记录；高年级：
自主画图自主设计。
在教师的引导下用各种形式的概念图进行自主设计实验，有效记录，体验自主性探究过程。
以上探究水的特点就是三年级学生用概念图来填空，也可以自己再添加，引导方法创新；研究磁铁是五年级学生，经过一个阶段训练后，学生能自主设计磁铁能吸什么的实验设计，又能个性化的记录，促进了科学探究效率的提升。
其中利用概念图来优化科学探究我们经历了两个阶段的研究：
（1）实验方法的创新设计。
利用概念图创新实验方法的设计，不同的学生有不同的设计方法，概念图可以充分展示学生的思维，促进创新设计。
（2）观图发现问题培养思维能力的研究。
课题组通过深入研究发现，不能光用概念图来设计和记录，还要真正培养思维，利用概念图来发现问题，动脑筋解决问题，促进探究效率提高。
如当学生探究磁铁吸引五角硬币时，在设计的概念图中就发现有的能吸，有的不能吸，这是为什么呢？
进而引导磁铁不仅能吸铁，还能吸引铁钴镍等物质，促进学生创新能力培养。
三年来，学生基本能用概念图进行有选择的设计实验，探究实验，凸显了学生的科学思维能力，实验探究的有效性得到提高。
3.利用概念图整理知识的研究。
科学探究中整理自己发现的知识，发现各概念之间的联系至关重要，我们采用即时整理的方法在自己的实验册中进行构图整理，理清概念间联系，学生整理后对所学的概念一目了然，促进了概念的转化和再创造。
（举例略）
（三）学生利用概念图学习的策略研究。
概念图运用在科学探究中，学生到底怎样学运用呢？
怎样才能掌握这种新的学习方式呢？
为此课题组通过“引入概念图——运用概念图——评价概念图——尝试制作概念图”的行动研究模式，定时交流研讨，形成经验总结，概括出四个连续的策略：
1.熟悉结构。
课题组通过研究发现，在学生对概念图学习较有兴趣时，就要趁热打铁，引领学生科学地认识概念图的结构。
最好的方法让学生自己观察，概念图分几部分，怎样画？
在交流基础上，帮助总结，概念图包括概念（节点）、连线、层级和命题4个基本要素。
有时要用儿童化的语言解释，如讲到概念图的层次时，可以直接将课文中有几个大概念，大概念又分几个小概念，通过举例说明，学生会渐渐明白概念图的结构，为独立画概念图学习奠定基础。
2.列出概念。
让学生通过复习，小组交流思考，每节课中有哪些概念，各有什么作用，并及时记录下来。
如六（上）《蜡烛的变化》学生通过反思找出概念有：
变化、产生新物质的变化、形态发生变化、判断依据。
这样学生基本上把探究时涉及到的主要概念都列出来了，同时也证明了学生对新概念的熟悉程度和再次建构过程，这是一个自主、独立思维的过程。
3.找出关系。
把课文中的概念找出来后，小组同学就要给这些概念进行分类，哪个是总概念，哪些是分概念，哪些又是平行概念等，如学生认为《蜡烛的变化》的探究活动就是围绕“变化”这一总概念进行探究分析，发现物质的变化分为两类，一类是产生了新物质的变化，一类是形态发生变化（没有产生新物质）的变化，而后又总结出判断物质变化的依据。
这样的初步分类，对于画概念图是很重要的，列出了概念图要素中的层次。
4.画图连接。
待学生弄清概念间的关系后，就可以画图连接了，各概念可以有个性画法，可以用方框表示，也可以用圆圈表示等，教师适时指导画法。
不同年级的学生还是要有层次。
（四）基于概念图教学课堂模式的研究。
课题组通过近三年的研究，在理论引领、课堂实践、经验总结的基础上提炼出概念图在科学课堂教学中的实施模式：
教师学生
创设情境设置任务以图选题明确任务
提供材料促进探究聘请设计图文自主探究
做好支架组织交流服务以图交流建构概念
整理小结评价发展以图小结拓展整理
整个科学探究过程中，教师只是促进学生利用概念图学习的支架，在慢慢引导过程中逐渐撤出支架，引导学生利用概念图进行自主探究，利用概念图来选择喜欢的主题、设计概念图来组织探究，及时记录、利用概念图进行思考交流形成概念，最后利用概念图进行探究活动小结。
整个探究过程都以学生自己设计的概念图为依托，倡导个性化思维，促进概念的整体优化与建构。
如探究年级《金属》一课，学生面对探究金属的性质有很多主题，不可能在一节课完成，为此利用概念图引导学生自主选择研究主题（金属的光泽、硬度、传热性、延展性等），这样学生通过概念图自主选择专题后，能够按照自己的探究思路，设计概念图进行探究，促进个性思维能力的提高。
再利用概念图进行有效交流，不同的探究思路，引起思维共振，建构金属的共同性质，这样的探究设计，提高了个性思维和概念的整体建构能力，促进了探究能力的提高。
（五）利用概念图进行单元复习评价的研究
科学课也需要有效的复习，来帮助学生积极建构过程性技能活动和系统的概念建构，为此，课题组通过研究，利用概念图来设计单元整体复习，既能复习科学概念，回顾探究过程，增强实验教学效率，又能认识各课概念之间的联系，促进学生认识科学的系统性和发展性，重点通过以下策略形成：
1.自主复习单元内容，画出单元概念图（包括科学概念和实验过程）。
2.交流单元概念图，自主复习。
哪些概念和探究过程掌握了，掌握到什么程度？
为此，课题组通过引导学生针对画好的概念图自我反思：
我学会了没有，我是怎样学的？
如“电和磁单元概念图”，学生就对照反思，是否知道电路组成，怎样检测电路、电和磁有什么关系？
磁铁有什么性质？
怎样探究的？
有什么现象发生？
这样通过概念图的对照，既有科学概念和探究过程技能的复习，又有科学学习情感的渗透，一目了然，比较清楚自己在一单元学习中的得失。
五年级下册《电和磁单元复习表》
班级姓名
发电机
电磁铁
3.成就激励：
课题组通过成就激励法来引导学生进行单元复习，利用打“★”的方法直接在单元概念图上画星：
“★★★★”表示一级成就：
既能熟悉探究过程，又能掌握科学概念。
“★★★”表示二级成就：
科学概念能掌握，探究过程需要复习。
“★★“表示三级成就：
科学概念和探究过程认识一般，需要帮助。
通过在单元概念图上画星星的方法，让学生自主对照概念图进行复习，能促进学生整体反思，让自己了解自己的学习状态和结果，实现自主监控，自我管理。
4.查漏补缺：
对于概念图中有不明白的，就可以再次复习，讨论和请教，直至弄懂为止。
有时也可以再次探究，直至弄明白。
长期下来，同学们学会了检查复习，学会了反思，效果显著。
六、取得的研究成果
（一）理论成果:
1.形成出教师利用概念图进行单元整体教学的策略。
（分析教材——列出概念
——组成概念图——列出概念图主题单元分析表）
2.探索出学生运用概念图学习的四种策略：
熟悉结构、列出概念、找出关系、画图连接。
3.探索出不同年级概念图教学的步骤：
中年级图式填空、高年级自主勾画引导探究，其中教师以示范运用为先，引导学生兴趣出发，开展学习。
4.形成了概念图在小学科学教学中的一般教学模式。
（二）实践成果
1.对于学生来说：
三年来，通过概念图引入小学科学教学中，我们欣喜地看到了学生的变化：
（1）概念图学习的兴趣和认同感得到学生认可和肯定。
在科学探究中引导学生用图式形式设计自己的探究活动比以前的文字性设计或没有过程性设计来的新颖，促动了学生有意义学习的经历。
学生要利用概念图来设计实验，先要回顾以前的概念或经验，再通过新的学习勾画概念图，促进了思维可视化，培养了自主探究能力。
你用概念图来学习吗？
在科学探究中概念图用在哪里
你认为利用概念图有哪些好处？
你对概念图学习还有哪些建议
用过100%
用在设计实验和整理知识的占97%
认为促进动脑、设计方便、简洁、利于修改占92%
建议不同形式画占90%
建议需要老师的帮助87%
通过学生的调查问卷分析，全体学生都利用过概念图来学习，97%的学生认为概念图可以用在设计实验和整理知识中，92%学生还认识到利用概念图来设计实验和整理科学概念比以前的学习方式来的清楚，有效，实验设计简洁、利于表达和修改，比传统的文字设计和口头设计来得好。
最后从建议中可以看出多数学生思维活跃，要求用不同的形式勾画概念图，同时也需要老师的帮助和指导，说明学生正在思考如何更好地利用概念图来学习，学生是有个性的，根据不同的思维和个性来确定概念图学习需要深入研究。
（2）促进了科学探究能力的提升。
通过近三年的研究，课题组发现学生利用概念图进行科学探究后，其探究能力明显进步，具体表现为：
一是利用概念图选题的能力得到增强，促进了个性思维的发展。
课题组通过平时的观察研究和经验总结，认为在小学科学学习时，往往同一主题呈现多个探究内容，按照传统的教学模式，学生是按照教师的安排进行探究，缺乏自主性，现在通过引入概念图学习，学生可以
利用概念图自主选择相关内容，自主选择实验材料，殊途同归，建构完整的科学概念，促进个性化学习。
二是实验设计和交流能力得到提升。
通过研究发现，由于学生自己在科学探究时用概念图进行个性化的记录，所以他们的设计能力和实验的有效性得到提升，自主探究能力得到提高，交流起来也比较热烈，以图交流，培养了实事求是的科学精神。
课题组通过对实验班和对比班进行前测和后测，在实验时注意了无关因子的控制，实验班和对比班均采用同一人执教，学习能力相当，实验班引入概念图学习，对比班采用一般的科学探究形式学习，对两班学生的实验设计能力进行测试：
前测：
探究摩擦力大小的因素（分12组）
实验班
12个研究小组中只能从教师指导、书本、实验册、口头设计等方面来思考实验设计，自主设计实验能力一般，交流思路不明确。
对比班
后测：
探究磁铁的性质（分12组）
实验班
10个研究组能自主勾画概念图进行探究磁铁性质，设计有效率达95%，而且设计时间快，以图交流，思路明确。
2个研究组能利用图式构图设计但需要帮助。
对比班
3个研究组指望老师的帮助设计；4个研究组只能用口头语言进行设计；5个研究组要参考实验册上的实验指导进行设计。
通过以上研究，发现近三年的时间里，实验班利用概念图来优化科学探究方面确实比对比班有效率，同样是分组实验，实验班12组学生有10个小组能自主设计实验来探究、交流，有效率达92%，2个研究组也会用概念图，但需要帮助，说明实验班学生基本能用概念图进行学习。
对比班还是按照原来的科学探究学习方式，需要老师指导或利用实验册，只有4个小组能自主设计，但只能口头设计，不会利用图表设计，对实验思维能力的培养和积极的交流起不到作用。
三是整理知识的能力得到提升。
通过近三年的研究，发现学生能用自己熟悉的方式勾画概念图，并用概念图来整理各课知识点、探究点和单元内容，促进了单元概念的整体建构，有些学生更把概念图学生方式迁移到语文、数学、英语学科中，提升了整体学习能力。
（概念图举例略）
（3）学生利用概念图学习的显性成果明显。
由于学生利用概念图学习后，概念掌握牢固，对概念的产生和再创造充满了兴趣，学生所撰写科学小论文《果冻形成的秘密》等20多篇科学小论文在省级刊物《动手做》报纸发表，在省市级金钥匙竞赛、科学素养大赛中有60多人次获奖，有力地体现了科学概念的运用与发展。
2.对教师来说：
有效组建了一支校际联动型的学习团队，提升了课题组教师的研究素养。
本课题组成员都为市科学中心组成员，分散在各校，通过本课题研究，提供了交流研讨的机会，课题组成员能够以大型的市级研讨活动为平台，以网络研究为载体，深入概念图课题研究，在研究过程中，有20多篇概念图专题论文在《课程教育研究》、《小学时代》、《小学科学教师论坛》等省市级刊物发表或获省市级一、二、三等奖；课题组教师通过本课题研究，重视了教材的整体性，并能利用概念图有效分析单元内容，进行有效设计，备课能力得到提升，所参与的常州市、市级基本功竞赛、课堂评优活动有8人次获常州市、市级一、二、三等奖，围绕课题执教常州市、市级公开课20多节，讲座5次，获市教研室专家、与会教师好评，研究成果得到逐步推广。
3.对于学校来说：
形成了新型的科学教学课堂文化。
通过近三年的研究，各成员学校科学教师能利用概念图进行有效教学，在课堂教学模式的建构、教学方式的转变等方面形成了区别于传统科学教学的课堂文化，学生自主探究氛围浓，收效高，受到全市科学教师的肯定，下一步，市科学中心组将概念图教学推广到全市各个学校，让更多的教师参与研究，发现问题，提高实效。
七、存在问题及思考
1.实验教师在概念图理论建构及学习方式上比较局限，理论水平有待提高。
原因在于本课题组成员为市科学中心组成员，人员分散，理论学习不够系统，尽管我们做了一些文献研究，还是远远不够的，应对概念图理论进行深入解读和推广。
2.如何从不同年龄段的儿童视角出发，引导学生有个性化的概念图学习也是我们值得思考和滚动研究的问题。
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