科学概念是组成科学知识的基本要素，是科学知识结构的核心。小学科学概念的建构是建立在学生前概念基础上的，建构的最佳途径是科学探究活动。兰本达教授认为，材料能引起经历，材料也能深刻揭示科学概念
［1］。因此，材料的恰当选择与运用是科学实验中促进学生建构科学概念的必要前提和保障。
1 巧选材料，暴露前概念
学生的大脑在形成科学概念之前并不是一张空白的纸，他们会根据生活经验对周围世界有属于自己独有的一套认知，可称之为“前概念”。前概念也许是正确无误的，但大部分是不太完整的、片面化的，甚至有些是完全错误的。前概念能反映出学生对事物原有的认识和思维，教师要重视对每个学生的前概念进行调查，了解学生的原始想法，只有这样才能“对症下药”，及时调整后续的教学内容。
【案例1】教科版科学三年级上册“水能溶解多少物质”一课，很多学生对于“溶解”一词早已有所耳闻，并且知道生活中很多物质如盐、糖等都能在水中溶解，但是学生前概念中对“溶解”的理解真的科学吗？为了了解学生真实的想法，教师作了如下处理。
教师先出示食盐、白糖，提问学生：把它们分别加入水中搅拌后会怎么样？
生1：白糖和食盐都会不见了。
生2：白糖和食盐颗粒都会分散开。
生3：它们都会在水中溶解。
教师根据学生回答板书：溶解。
教师再出示面粉并倒入水中进行搅拌，提问学生：面粉在水中溶解了吗？
生：溶解了，因为面粉颗粒都散开了。
师：同意他的观点的同学请举手。
绝大多数学生都举起手表示赞同。
教师停止搅拌，静置一分钟，出示之前的糖水、盐水。
师：我们来看一下，这杯面粉水与盐水、糖水有什么不同吗？
学生七嘴八舌。
师：现在你对溶解一词有怎样的理解？
……
教师巧妙增加了面粉这一材料，一个演示实验充分暴露了学生对“溶解”一词的先前认知：该物质能在水中均匀散开。通过几杯水的简单比较，学生对自己的前概念产生了疑问，引发了认知冲突，教师进而引入相应的知识点并讲授“溶解”的真正含义。
【案例2】一位教师执教教科版科学二年级下册“磁铁能吸引什么”，以下是教学片段。
师：很多地方都有磁铁。你认为磁铁能吸引什么样的物体呢？
学生热烈讨论。
教师出示不同材料：纸片、塑料片、木片、砖块、橡皮、铅笔芯、玻璃珠、易拉罐、铁钉、铜钥匙、回形针、铝片等。
师：这些材料都能被磁铁吸引吗？
生1：金属类的材料能被吸引，其他的都不行。
师：哪些属于金属类的材料？
生1：易拉罐、铁钉、铜钥匙、回形针、铝片都是的，铅笔芯也能被吸引。
生2：不对，铅笔芯不能被吸引。
生3：我认为只有铁钉才能被吸引。
教师提供丰富的实验材料，学生根据日常生活经验猜测能被磁铁吸引的物体，这一过程充分暴露了学生对“磁性”的理解和认知不尽相同，此时的学生求知欲高涨，急于想知道磁铁到底能吸引什么样的物体，教师顺势开展后续的探究活动。
在教学中，教师恰当地选用一些材料，可以达到充分暴露学生前概念的目的，了解学生当前所知所想，同时能让学生的已有经验跟当前的一些科学事实产生认知冲突，激发学生的探究欲望，为学生建构科学新概念奠定基础。
2 巧创材料，建构新概念
《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出：科学学习要以探究为核心。亲身经历以探究为主的学习活动是学生学习科学的主要途径
［2］。科学概念的建构无法通过讲授和记忆得到，主要依靠于科学探究的过程。因此，笔者认为小学科学概念建构的主要途径是探究活动。实验材料是学生进行探究活动的载体，实验材料的质量决定了探究活动的质量。尽管当前绝大部分学校都配备了一些与每课探究活动相配套的实验材料，但也有一部分实验材料不能获得很好的实验效果，不利于学生通过探究活动顺利建构科学概念。这时，教师就需要对这些材料进行改进、创新，作必要的处理。
2.1 巧创材料，使观察更有效，概念建构更轻松
小学科学探究活动主要以学生动手实验、观察实验现象为主，学生通过观察实验现象和分析结果得出实验结论，建构起科学概念。但是在一些实验教学中，由于实验现象不太明显或变化程度不大，学生在观察时很容易忽视，学生难以获取有效的实验信息。在这种情况下，教师可以通过创新实验材料让实验现象更为明显，从而帮助学生进行有效观察，轻松建构科学概念。
【案例3】教科版科学三年级上册“空气能占据空间吗”一课安排了3个探究活动：①压杯入水；②杯底扎孔，压杯入水；③往杯中打气。学生通过观察纸团是否打湿及水位的变化来探索空气能否占据杯中的空间。
【问题】由于杯子、纸团和水三者物体的颜色非常接近，都是无色或白色，在实际操作中，学生会遇到以下问题：①实验中不能明显观察到纸团是否湿了或浸湿的过程，要将杯子从水中拿出来才能辨别纸团是否被打湿；②第三个实验中水位的降低过程很难被观察到，即使空气已经完全将水挤出，但学生由于观察不到依旧不断打气。学具箱中虽然配备了泡沫球帮助学生观察水位的变化，但是泡沫球是白色的，观察效果不尽如人意。
【巧创】实验最大的问题是实验现象不够明显，学生无法进行有效观察，而造成这个问题的主要原因在于材料的颜色过于接近。教师可以将白色餐巾纸换成黄色，将白色泡沫球换成彩色的泡沫球（
图1），水面的上升和下降过程便十分清晰明了（
图2、
图3）。
虽然是对材料的一个小小改动，但能使实验现象更为明显，便于观察，“空气占据空间”这一科学概念的建构也水到渠成。
2.2 巧创材料，使思维更直观，概念建构更深刻
小学生的思维以具体形象思维为主，在探究活动中，教师要根据学生的思维特点准备器材，尽可能用直观化的材料作为实验器材，利用材料体现出学生所思所想，让学生对科学概念的建构因为材料直观而更深刻。
【案例4】教科版科学五年级上册“地球的表面”一课的重难点是认识中国的地形及5种常见的陆地地形。教科书提供了丰富的地形地貌图片，教师在执教时往往会再增加一些视频帮助学生认识。
【问题】如果仅仅依靠图片、视频来认识地形的特点，学生也能记住，但是学生真正掌握了吗？教师出示书本之外的图片让其判断地形，学生却不能正确辨别了，这说明学生对本课的科学概念并没有真正内化，之前的理解非常浅显。
【巧创】教师在执教时可以给每组学生提供一张立体的中国地形图，一大盒不同颜色的橡皮泥。立体中国地形图可以形象地展现出中国地形的特点；利用橡皮泥捏出5种不同的地形，可以将学生对地形特点的理解展现出来，使思维直观化、可视化。在时间允许的情况下，还可以让学生将做好的几种地形拼成中国地形模型，利用自制的模型再次观察中国地形的特点。整个探究活动充分调动了学生身体的多种感官，视觉、触觉共同参与，学生的体验更为深刻，对本课的概念理解也就更为深刻。
蒙台梭利教育理念有这样一句话：我听到的，我会忘记，我看到的，我会记住，我做过的才会真正理解。教师要尽可能让学生在探究活动中进行多方面体验，创新材料，将学生的思维显现出来，突破学习的重点和难点，帮助学生建构科学概念。
2.3 巧创材料，使结果更准确，概念建构更主动
在小学科学实验中，有许多实验涉及数据的采集。此类实验对实验的精确度要求较高，而在实际教学中往往会出现数据错误、误差过大的情况，原因之一在于实验材料设计不够科学，这种情况需要教师对材料进行改进、创新，使其更科学，从而获取相对准确的实验结果。
【案例5】三年级上册“水结冰了”一课的实验设计如下：将装有少量清水的试管放入盛满碎冰（加食盐）的烧杯中，同时用温度计测量试管内清水的温度，等待水结冰。学生通过观察清水状态及温度变化，建构起“当环境温度低于0 ℃，水的温度下降到0 ℃时，开始结冰”的科学概念。
【问题】在实际教学中，学生很难观察并记录水结冰时的温度，导致各组汇报的数据与“0 ℃”相差较大，学生无法主动建构起该课的科学概念。其原因如下：①加了食盐的碎冰可视性太差，学生需要将试管拿出烧杯外才能观察到试管内清水的状态；②盛满碎冰并加食盐的烧杯温度较低，导致烧杯外壁出现“结霜”现象，观察效果更是大打折扣，且烧杯没有保温效果，碎冰升温快，试管内的水难以结冰；③教具箱中配备的红液温度计测量温度不够精确。
【巧创】此课材料创新的目的是让学生能清楚观察到试管内清水结冰的过程，并在此过程中精确测量温度的变化。笔者对该课的实验材料进行了如下改进（
图4）：①用冷冻的饱和食盐水代替加食盐的碎冰，用冰箱制冷可以使温度降至-18 ℃而不凝固，有利于学生观察；②用双层玻璃保温杯代替普通烧杯，可避免杯子外壁出现水珠及结霜现象，方便学生观察水结冰过程；③用贴有铝箔纸的珍珠棉作为杯盖，能起到较好的保温效果，减缓食盐水的升温速度，并且珍珠棉质地紧密，具有很好的固定试管及温度计的作用；④用探针式数字温度计测水温，数据更精准。如
图5所示，用红液温度计测食盐水温度，能帮助学生巩固温度计使用方法并主动建构起“环境温度低于0 ℃，水才会结冰”的科学概念。
探究过程即科学概念建构的过程，材料是载体，教师通过巧创探究材料取代实验效果欠佳的旧材料，利用材料作概念建构的支架，从中获得可靠的证据，丰富学生的认识，从而帮助学生自主建构起科学概念。
3 巧加材料，强化新概念
有效开展的探究活动可以帮助学生初步建构科学概念，后续的交流研讨环节、拓展应用环节便是检验学生是否将概念真正掌握并加以运用的过程。
3.1 巧加“可视化”材料，使概念理解更透彻
“可视化”材料是指那些可将原本不能直接观察的实验现象变得可见、可观察的实验材料。基于小学生认知特点，学生更偏向于相信亲眼所见的现象。因此，教师可以通过增加“可视化”的材料帮助学生理解科学概念。
【案例6】教科版科学五年级上册“光是怎样传播的”一课，教材将普通手电筒、3张打孔卡纸以及一张无孔卡纸作为探究材料，学生观察到，只有当3张卡纸上的小孔在一条直线上时，最后一张无孔卡纸上才会出现光斑的实验现象，从而建构“光是沿直线传播的”这一科学概念。但是光的传播路线是看不见摸不着的，学生在这个实验中并没有目睹光的传播路径，因此建构“光是沿直线传播的”科学概念对小学生来说过于抽象和牵强。在后续的交流研讨环节中，就有学生提出猜想：光像小波浪一样向前传播，穿过小孔，最终形成光斑。这个猜想的出现说明学生难以理解该课的科学概念，且教材中呈现的实验器材也无法有效反驳该生的猜想。
为了进一步强化学生对“光是沿直线传播的”这一科学概念的理解，笔者在交流研讨环节中增加了一些器材和实验，用聚光性更好的激光笔代替普通手电筒，分别照射有烟雾的瓶子、食用油和普通直尺，如
图6所示。
3个实验的增加让学生亲眼观察到光在气体、液体、固体中均是沿直线传播的，“看不见摸不着”的光线借助这些可视化材料变为“看得见”，增加的实验也使得证据更加充分，如此学生心中才能够对“光是沿直线传播的”科学概念有更透彻的理解。
3.2 巧加“生活化”材料，使概念巩固更实在
学习科学概念的目的是应用，反过来，能否灵活应用科学概念也是教师检验学生掌握相关知识点的重要方式。学生在应用的过程中可以快速实现“新概念”的检验、巩固、提升，促使“新概念”替代“前概念”，进而形成正确的认知。
【案例7】教科版科学三年级上册“空气占据空间”一课，学生在这一课的学习中逐步建构了“空气会占据空间”这一科学概念。课后教师让学生找找生活中空气占据空间的例子。学生列举了“被吹大的气球中空气占据了气球内部的空间”“薯片袋中空气占据了一部分空间”等，还有学生提到自己带的水杯吸管旁边也有一个小孔，往小孔吹气时，杯中的水就会从吸管流出的有趣现象。学生还能用所学的知识对该现象进行解释：“吹进去的空气占据了杯内的空间，水占据的空间变小，只能被挤出来了。”说明学生对建构的新概念已经掌握，并会应用新概念去解释生活中的现象，思考解释的过程也是对新概念进一步巩固强化的过程。
这样的课例很多，比如学习“观测风”一课后，教师可以让学生自制一个风向标。学生利用生活材料制成“五花八门”的风向标（
图7），并用自制的风向标测当天风向。学生制作、使用教具的过程就是强化概念理解的过程。
科学概念的形成不是一蹴而就的事情。小学生从科学概念的形成到牢固掌握需要经历反复的过程。学生习得科学概念也不能只限于书面使用。科学来源于生活，因此更要将生活与科学紧密联系起来。生活化材料的增加，不仅拉近了学生生活与科学学习之间的距离，还能帮助学生巩固新概念、内化新概念。
科学概念的建构离不开探究材料。教师要根据教学内容、学生学情对探究材料进行精心选择、创新与丰富，以使实验现象更明显、更直观、更科学，从而让学生由材料引发学习，促进学生真正获得并理解科学概念。
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