小学科学教学设计：基于逻辑的概念体系

概念是思维的基本单元。思维的结果是形成概念和作出判断，概念、判断也称为思维形式。小学科学课程所选取的科学学习内容是以大概念的形式构建出小学科学概念体系。从逻辑学角度看，这个概念体系包括了科学概念和科学判断。概念与判断的性质是不同的，我们要对小学科学教学设计进行逻辑分析，就必须区分出科学概念和科学判断。我们先从形式上进行划分，即科学概念对应科学语词、科学判断对应科学结论（规律或原理）。

一、概念和判断的形式

逻辑与语言之间的关系是十分密切的。这是因为逻辑的研究对象是思维，而思维和语言是不可分割的。无论是思维的产生，还是思维活动的实现以及思维成果的表达、传播，都要借助于语言。没有语言这种符号表征的思维是不存在的。思维与语言之间的联系，具体表现为思维的逻辑形式与语言形式总是联结在一起的，即概念、判断和推理的存在和表达需要运用语词和语句。

（一）概念和语词

语词是概念的表达形式，概念是语词的思想内容，二者是不可分割的。概念的形成和存在必须依赖于语词，不依赖语词的概念是不存在的。换句话说，任何概念都是通过语词来表达的。概念可以用一个词或一个短语来表达，如“动物”是用语词表达的概念，而“各种各样的动物”就是用短语表达的概念。因此，我们考察小学科学知识体系，用语词或短语表达的思维形式或思维成果，才可称为逻辑学上的概念。

概念是反映事物本质属性的思维形式，也可以表述为反映一类事物特殊属性或关键特征的思维形式。后一种表述更好理解。每一个事物都有自己的属性，且都具有多种属性，如颜色、形状、硬度、韧性，等等。每个单个事物除了具有自身的属性，还与其他事物发生联系，表现出其功能属性，如透明度、导电性、导热性、漂浮性，等等。事物与属性是不可分离的，在一类事物的属性中，有本质属性和非本质属性，本质属性是决定一事物与他事物相区别的属性；非本质属性不仅为本事物所具有，也为他事物所具有，对区别某个事物不具有决定意义。例如，“人”的本质属性是“有语言，会思维，能制造和使用工具”，这些属性是其他动物不具有的。而人有四肢躯干，有眼耳鼻舌，这些是非本质属性，因为这些属性不仅人具有，其他很多哺乳动物也具有。因此，用来作为概念的语词，必须能够反映出事物的本质属性，否则只是语词，而非概念。对于小学生而言，如果只知道表达概念的语词，而不理解概念的意义，只能称其知道概念词，而非具有概念。概念与语词不是一一对应的，即不是所有的语词都是概念。从语言学角度，汉语中语词分为实词和虚词两大类，实词可以表达概念，而虚词一般不表达概念。

在逻辑学上，同一个概念可以用不同的语词来表达，如番茄和西红柿、屎壳郎和蜣螂；也存在一个语词在不同的语境中表达不同的概念，如“本末倒置”“本本主义”“书本知识”中，“本”的内涵各不相同。但是，科学上，要求用统一的语词表达科学概念，尤其是科学术语，既保证对科学事物指称的明确性，也避免在科学交流中产生歧义。尤其是在科学中运用符号表达概念，能在使用各种语言的世界范围保持概念的统一性。物理学追求概念和规律表达的数学化就体现出这个特点。

概念，根据不同的标准，可以有多种分类。逻辑学上，一是以概念所反映的对象的数量范围或者外延中对象的数量多少而区分的概念，有普遍概念、单独概念和虚概念。普遍概念，也叫类概念，指以两个或两个以上的事物为反映对象的概念。它的外延一般具有很多对象，如“金属”“昆虫”“丘陵”等。单独概念是以某个独一无二的、特定事物为反映对象的概念，如“地球”“牛顿”“北极星”等。虚概念是外延为零的概念。这类概念所反映的对象在现实世界根本不存在，如“天堂”“小鬼”等。二是以概念所反映的对象内容而区分的概念，有实体概念、属性概念和关系概念^[7]。实体概念是以具体事物为反映对象的概念，如“兔子”“河流”“茎”等。属性概念是以事物的属性为反映对象的概念，如“导电性”“硬度”“绝缘体”等。关系概念是以事物之间的关系为反映对象的概念，如反映数量关系的“大于”“小于”“等于”等；反映时间关系的“早于”“晚于”“同时”等；反映方位关系的“在……之上”“在……之下”“在……之间”等。关系概念存在于至少两个或两类事物之间，通过及物动词和表达关系的词组表达。其他标准的概念分类，读者可以参阅相关的逻辑学书籍。科学上，从科学概念的来源和概念所指称事物的性质方面，作出概念的分类（在本节后面的内容会详细讨论）。

（二）判断和语句

判断是对思维对象有所断定的思维形式。断定某对象具有某种属性或对象间具有某种关系，是对对象有所肯定；断定某对象不具有某种属性或对象间没有某种关系，是对对象有所否定。肯定或否定，都是有所断定。如果在思维中对一定对象没有进行断定，即既不肯定什么，也不否定什么，那就不是判断。判断必有所断定。判断作为一种思维形式，通常是关于事实的判断。根据其内容与实际是否相符而区分为真假。判断所断定的对象情形同实际的对象情形可能相符，也可能不相符。相符的判断为真，不相符的判断为假。判断必有真假。

判断是用语句表达的。语句是由语词按语法规则构成的，对应而言，判断是由概念间的逻辑规则构成的。“人”是一个概念，“脊椎动物”是一个概念，“人属于脊椎动物”是一个判断，断定人与脊椎动物的从属关系。因此，判断反映的是概念间的关系。判断与概念的区别，除了其语言形式上语句与语词的区别外，在性质上，概念是用来指称对象的，自身无所断定；而判断是对指称的对象作出断定，如“金属”指称的是一类物体，“导体”是指称可以导电的一类物体，两者都是概念，概念反映了事物的共同特征或关键属性，不涉及真假。“金属是导体”则是作出了判断。若通过实验看到，金属可以导电，则此判断为真，否则为假。

判断和语句的关系如同概念和语词的关系，既相互联系，又有明确的区别。语句是判断的语言表达形式，判断赋予语句以真假意义，这是它们的联系。它们的区别，一是判断和语句具有学科性的本质差别。判断是逻辑学的研究对象，运用判断要遵从逻辑规律；语句是语言学的研究对象，运用语句要遵守语言规则。二是判断要用语句表达，但不是所有的语句都可以成为判断。从语言学角度，存在四种语句，即陈述句、感叹句、祈使句和疑问句。逻辑学上，陈述句肯定可以形成判断；特殊的感叹句，如有实际意义的感叹，“这花多美啊！”可以作为判断；特殊的祈使句，如强制性要求，“不许触摸电线！”可以作为判断；特殊的疑问句，如反义疑问句，“难道物体能自己飞上天吗？”可以作为判断。一般情况的感叹句、祈使句和疑问句不能形成判断，如“啊，科学！”（感叹句），“请随手关门！”（祈使句），“明天下雨吗？”（疑问句）都无所断定，不具有真假，也就不是判断。科学上，科学作为人类对自然的认识成果，是用陈述句表达的理论体系^[8]，其结论形式除概念外都是判断，所以也就不具有语言学和逻辑学意义上的复杂性，关注的重点就是陈述语句。但是，科学结论作为对自然世界发生、发展规律的认识，必有所断定，也必涉及真假，科学也就必冒风险。

判断依不同的标准，可以有多种分类。这里，根据判断是用一个单句还是复句，分为简单判断和复合判断。简单判断是用一个单句表达概念间关系的判断；复合判断是对两个或两个以上简单判断之间关系的判断。简单判断又分为性质判断和关系判断。性质判断是直接断定对象物具有或不具有某种性质的判断。因其对对象物性质的断定简单明了，也称直言判断。根据对象物的数量，区分为：一是单称判断，即说明一个特定对象或事物具有或不具有某种性质的判断，如“地球是太阳系中的一个行星”；二是全称判断，即说明一类事物的全部对象都具有或不具有某种性质的判断，如“物体受热体积膨胀，物体冷却体积缩小，即热胀冷缩”；三是特称判断，即说明一类事物中存在着一定数量的对象具有或不具有某种性质，如“大多数的鸟会飞”。简单判断中的关系判断，是断定对象物之间具有某种关系的判断，有对称性关系，如“光路是可逆的”；从属性关系，如“鱼是脊椎动物”。复合判断又分为联言判断、选言判断和假言判断。联言判断是断定几种事物情况都存在的判断，一般由两个或两个以上的简单判断联结而成，如“水是无色、无味、透明的液体”。选言判断是断定若干种事物中至少有一种情况存在的判断，如“植株枯萎了，或者是水量不适宜，或者是温度不合适，或者是有虫害”。假言判断又称条件判断，是指断定一种事物的情况存在或不存在是另一个事物情况存在或不存在的某种条件的判断，如“如果给一物体足够大的初速度，它就可以摆脱地球的引力飞向太空”。简单判断的真假要看是否与实际符合，复合判断的真假取决于其包含的各个肢判断的真假。

概念、判断和推理都是思维形式。概念、判断及其关系，我们已经作了讨论。而推理是从一个或多个判断得到一个新的判断。这时，我们要从过程和结果两个方面考察“推理”。从结果看，推理的结果还是判断，尽管是新的判断，仍然是与判断同义的，具有名词性质。从过程看，推理是思维方法的使用，具有动词的性质。作为动词使用的推理，将在本书第四章中详细讨论。

二、小学科学概念

依据首都师范大学出版社出版的小学《科学》教材中的知识内容，参照《小学科学课程标准》知识内容划分的物质科学、生命科学和地球与宇宙三个领域，区分出科学概念和科学判断。

从逻辑学角度我们知道，概念是反映事物本质属性的思维形式。同理，科学概念是在科学认识中反映事物本质属性的思维形式。它是科学思维的“细胞”，是思维结构的基本单位。然而，我们必须从科学角度考察科学概念。

首先，考察科学概念的来源。科学概念的来源很广泛，由客观事物提供的像“水”“山”“桌子”这样有具体指向的分类性的概念；现代科学在实验室中由操作仪器“制造”出的现象提供的像“阴极射线”“电磁波”“光电效应”等实验概念；构建科学理论时提出的“电”“原子”“基因”等理论概念；也有与日常生活相联系，但意义已发生变化的，如力学中“力”、电磁学中“场”和生物学中“种”等转义概念。科学概念总是与科学事物相联系的，或指向客观物，或代表经验事实（实验现象），或嵌入科学理论体现其意义，或同时具有前面两个或三个关系。

其次，基于科学概念的来源，我们来考察科学概念具有的共同性质。实体概念，如“水”，很显然指向自然存在物，是确实可以感知的存在；而理论概念，如“电”，也指向了自然存在物，却无法用感官直接感知。我们是在关于“电”的理论中获得“电”这个概念的意义。摩擦琥珀，可以吸引轻小物体，这种吸引作用是电的一种表现；打雷、闪电，富兰克林证明也是电的表现。有两种不同的电，一种规定为正，另一种规定为负，形成所谓的静电理论。电可以转移，在金属中可以流动，形成电流，电流可以做功，形成电流理论。电可以产生电场，电场又可以产生磁场，形成电磁场理论。我们看，“电”这个概念，可以处于静电理论系统，也可以处于电流理论系统和电磁场理论系统。在每一个系统中，“电”这个概念都会与系统中的其他概念构成一个概念网络。在概念网络中，决定了“电”与科学现象的关系，同时，“电”也在这种关系中得到证明，并显示其意义。回过头，再看“水”的概念，它对应了可感知物的存在。它也分别在自己的概念网络中。“水是解渴的，水是动植物生活必需的”，“水”这个概念处于生物生存系统；“水是无色、无味、透明的液体”，这个概念处于物质系统；而“水是由两个氢原子和一个氧原子结合而成的一种物质”，则进入化学分析系统。“水”这样的实体概念与“电”这样的理论概念具有共同的性质：具有指向性，都处于不同的概念网络中且获得其意义。实验室制造的概念、转义概念，都可以分别归入上述的两类概念。这样就得到科学概念的基本性质：从形式看，科学概念对现实世界具有指向性，每一个科学概念都处在一个系统中并与系统中的其他概念构成一个概念网络；从结果看，每一个科学概念在概念网络中与其他概念的联结决定了和科学现象的关系，通过这种关系与现实世界对应，或得到模型证明。

科学概念的性质如何成为我们对一个科学语词是否是科学概念的判断依据？显然，具备科学概念性质的概念，就是科学概念，如科学史上的“热质”概念。它指向了热现象，热的物体热质多，热质密度大，冷的物体热质少，热质密度小，当冷热物体接触时，密度大处的热质向密度小处移动，直到热质密度相同，这就是当时的热传导理论。当我们把冷热不同的物体放到一起，看到热的物体温度下降，冷的物体温度上升，最后达到温度相同，则在热传导理论的概念网络中证实了“热质”概念。因此，“热质”概念是科学概念。“热运动学说”取代“热质说”，是因为其可以解释更多的热现象，也包括“热质说”可以解释的现象。可以说，“热运动学说”是解释力更强的科学概念，但并不否认“热质说”是科学概念。从“热质说”到“热运动学说”，可以看出科学概念的进化。同样，小学生观察光的传播，得到概念“光在空气中沿直线传播”。这个概念指向一种光的现象，其传播路径被观察经验证实是直线的，这就是科学概念。当学生的认识上升，认识到“光在均匀介质中沿直线传播”，则是概念的发展或进化。台湾学者陈瑞麟提出“经验投射理论”，说明如何判定科学语词为科学概念：首先，必须对概念形成意向状态；其次，“意向对象”必须具有“可经验特征”；第三，概念所相关的概念网络中，至少有一个“可落实模型”被实际地落实了，即至少是说明一个既存的现象。具备这三点，说明某概念具有“经验的可投射性”，则是科学概念。^[9]用一句话总结：科学概念必须指向科学事物，这个科学事物在概念网络中（至少在一个概念网络中）被证实，或者其对应模型被证实。小学科学概念处于科学概念发展的初期，其指向是明确的，其被证实的概念网络是单一的或相对较少的。但必须明确其是科学概念，也表明小学科学概念的特征是指向明确、只具有初期意义或单一意义。在以后的科学学习中，这些概念会在更多的概念网络中被证实，会获得更丰富的意义。

小学科学概念有哪些种类？我们从概念来源角度，将其分为实体概念和创生概念。实体概念又分为实体特征概念和实体定义概念；创生概念又分为理论概念、特性概念、规定概念和转义概念。实体特征概念是指根据一类实指事物的特征概括出的概念，如“动物”“植物”。实体定义概念是指根据实指事物的独特性质定义的概念，如“电源”“光源”。理论概念是指随科学理论发展需要而诞生的概念（包括实验室产生的概念），如“原子”“基因”。特性概念是指由科学现象的性质、功能或来源方面形成的概念，如“导电性”“导热性”。规定概念是指人为地为科学事物赋予的标示或标记，如“经线”“纬线”。转义概念是指生活中的语词被赋予科学内涵形成的概念，如“力”“能”。

下面根据概念的来源将小学科学在物质科学、生命科学和地球与宇宙科学三个领域的概念进行分类。

（一）物质科学领域

实体特征概念，包括物体，材料，位置，磁性，固态，液态，气态，导线。

实体定义概念，包括光源，电源，热源，温度，音调，音量，阴影，导体，绝缘体，摆。

特性概念，包括导电性，导热性，透明度，溶解，运动速度，直线运动，曲线运动，转动，滚动，振动，蒸发，沸腾，凝结，光的反射。

规定概念，包括东、西、南、北，正电，负电，磁极，磁铁的南极、北极，乐音、噪声。

转义概念，包括重力，弹力，摩擦力，浮力，能，能量。

（二）生命科学领域

实体特征概念，包括生物，非生物，动物，植物，昆虫，鸟，鱼，哺乳动物。

实体定义概念，包括（植物的）根、茎、叶、花、果实、种子，（动物的）眼、耳、鼻、皮肤、翼，（人的）眼、耳、鼻、皮肤、四肢，化石。

规定概念，包括胚，胚轴，胚根，子叶，胚乳，种皮，叶的表皮，叶肉，叶脉，花柄，花托，萼片，花瓣，雄蕊，雌蕊，鳍，鳃，大脑，小脑，脑干。（对应实体定义概念的下位概念。）

特性概念，包括繁殖，种子繁殖，营养繁殖，胎生，卵生，食物链，神经系统，消化系统。

理论概念，包括细胞，微生物。

（三）地球与宇宙科学领域

实体特征概念，包括岩石，矿物，土壤，沙质土、黏质土、壤土，水体。

实体定义概念，包括太阳，地球，月球，恒星，行星，卫星，北极星，星座，大气层，岩浆岩，沉积岩，变质岩，地壳，地幔，地核，煤炭，石油，天然气。

规定概念，包括地球自转，地球公转，经线，纬线，地轴，风力，风向。

特性概念，包括气候，天气，地震，火山，地球水循环，阴、晴、雨、雪、风，地球仪，气温，自然资源，土壤资源，矿产资源，海洋资源，能源，太阳能。

对小学科学概念的分类，是分析它们定义方式的基础，也是采取相应方法习得这些概念的前提。每个科学概念都是以语词的形式出现，都会指向一个或一种科学事物。概念具有内涵和外延。对科学概念内涵和外延的把握，表明了学生对科学概念意义的理解。

三、小学科学判断

判断是概念之间关系的断定。科学判断就是作出科学结论，也就是断定科学概念间的关系。在初中、高中科学课程中，科学判断表达为科学定律、科学定理、科学原理等；在小学科学课程中，科学判断表达为科学认识，以大概念的形式呈现。因此，《小学科学课程标准》知识内容表述的大概念和分解概念，就是逻辑学上所谈的判断。

概念之间的关系，决定了判断的性质。从概念间关系的角度，可将判断分为5种：对事物属性或特征的真假断定，如“金属导电”“种子可以萌发，发育成长为植株”，可称为事实判断。概念的抽象度不同，则概念间存在从属关系，如“地球是太阳的一颗行星”“鸟属于脊椎动物”，对这种从属关系的断定，可称为从属判断。一个概念对应的变量随另一个概念对应的变量的变化而变化，呈现某种规律，如“物体浸入水中体积越大，所受浮力越大”“距离地面越高，大气压力越小”，对这种规律的揭示，可称为规律判断。对一个概念是另一个概念存在的原因或结果的断定，如“空气的流动是风形成的原因”“地壳运动是地震、火山喷发等自然现象形成的原因”，可称为因果判断。一个概念是另一个概念存在条件的断定，如“一般情况下，当温度升高到100摄氏度或降低到0摄氏度时，水会沸腾或结冰”“植物生长需要阳光和水”，可称为条件判断。

下面根据判断的性质把小学科学在物质科学、生命科学和地球与宇宙科学三个领域的判断进行分类。

（一）物质科学领域

事实判断：

1.固体有确定的形状、体积和质量；液体有确定的体积和质量（液体的表面在静止时一般会保持水平）；气体有确定的质量，但没有确定的形状和体积。

2.有些物体的形状或大小发生了变化，如被切成小块，被挤压、被拉伸，如纸被撕成小片等，但构成物体的物质没有改变。

3.有些物体发生了变化，如燃烧后的纸、生锈的铁等，构成物体的物质发生了改变。

4.知道冰、水、水蒸气虽然状态不同，但都是同一种物质。

5.空气具有质量并占有一定的空间，空气总会充满各处。

6.空气中的氧气和二氧化碳对生命具有重要意义。

7.空气是一种混合物质，氮气和氧气是空气的主要成分。

8.声音在不同物质中可以向各个方向传播。

9.光在空气中沿直线传播。

10.太阳光中包含有不同颜色的光。

11.磁铁可以直接或隔着一段距离对铁、镍等材料产生吸引作用。

12.指南针中的小磁针是磁铁，可以用来指示南北。

13.磁铁总是同时存在着两个不同的磁极，相同的磁极相斥，不同的磁极相吸。

从属判断：

声、光、热、电、磁都是自然界中存在的能量形式。

规律判断：

1.使用前后左右、东南西北、远近等描述物体所处的位置和方向。

2.可以用相对于另一个物体的方向和距离来描述运动物体在某个时刻的位置。

3.一般物体具有“热胀冷缩”的性质。水结冰时体积会膨胀。

4.热可以在物体内和物体间传递，通常从温度高的物体传向温度低的物体。

5.动能（机械能）、声能、光能、热能、电能、磁能之间可以相互转换。(www.chuimin.cn)

6.物体在水中所占的空间越大，所受浮力就越大。水中下沉的物体也受到水的浮力。

7.摩擦力的大小与接触面的光滑程度有关。摩擦力的大小与物体的轻重有关。

8.摆的快慢与摆线的长短有关，与摆锤轻重无关。摆线越长，摆得越慢。

9.电磁铁的磁力大小与所绕线圈匝数有关，与电池数量有关。

10.用力越大，橡皮筋声音越大；橡皮筋越短，音调越高；橡皮筋越细，音调越高。

因果判断：

1.搅拌和温度是影响物质在水中溶解快慢的常见因素。

2.力可以使物体的形状发生改变。

3.给物体施加力，可以改变物体运动的快慢，也可以使物体启动或停止。

4.声音因物体振动而产生。

条件判断：

1.来自光源的光或来自物体的反射光进入眼睛，能使我们看到光源或该物体。

2.行进中的光遇到物体时，会发生反射现象，光的传播方向会发生变化。

3.燃烧需要的三个条件：易燃物、空气、一定的温度。铁生锈与空气和水有关。

（二）生命科学领域

事实判断：

1.植物通常会经历由种子萌发成幼苗，再到开花、结出果实和种子的过程。

2.脑是认知、情感、意志和行为的生物基础。

3.保护脑的健康需要采取的主要措施：保持充足的睡眠，避免长期的精神压力，防止外界的激烈冲撞，保持愉快、积极的情绪等。

4.生物体的后代与亲代非常相似，但也有一些细微的不同。

从属判断：

1.动物和植物都是生物。

2.蘑菇和木耳是生活中可以直接看到的微生物。

3.感冒、痢疾是由肉眼难以观察到的微生物引起的。

4.人类经历了从古猿、能人、直立人、智人到现代人的进化过程。

规律判断：

1.生活在不同环境中的植物其外部形态具有的不同特点，以及这些特点对维持植物生存的作用。

2.动物适应季节变化的方式对维持动物生存的作用。

3.动物在气候、食物、空气和水源等环境变化时的行为。

4.生物有生有死。从生到死的过程中，有不同的发展阶段。

5.生物繁殖后代的方式有多种。

6.动物的生存依赖于植物，一些动物吃其他动物。

7.生物的结构与功能相适应。

条件判断：

1.植物需要水和阳光以维持生存和生长。

2.植物一般由根、茎、叶、花、果实和种子组成，这些部分具有帮助植物维持自身生存的相应功能。

3.植物可以吸收阳光、空气和水分，并在绿色叶片中制造其生存所需的养分。

4.动物可以通过眼、耳、鼻等感知环境。

5.动物通过皮肤、四肢、翼、鳍、鳃等接触和感知环境。

6.动物和植物都有基本生存需要，如空气和水。动物还需要食物，植物还需要光。

7.栖息地能满足生物的基本需要。

8.食物在温暖、潮湿的条件下容易发霉。

9.植物的生长离不开阳光，但不同的植物需要的光照不同。

（三）地球与宇宙科学领域

事实判断：

1.地球被一层大气圈包围着。

2.陆地表面大部分覆盖着土壤，生存着生物。

3.地球内部有地壳、地幔和地核三个圈层。

从属判断：

1.太阳系是人类已经探测到的宇宙中很小的一部分，地球是太阳系中的一颗行星。

2.岩石是由矿物组成的。

3.矿产是人类工农业生产的重要资源。

4.地壳主要由岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类岩石构成。

规律判断：

1.地球每天自西向东围绕地轴自转，形成昼夜交替等有规律的自然现象。

2.地球每年自西向东围绕太阳公转，形成四季等有规律的自然现象。

3.月球围绕地球运动，月相每月有规律地变化。

4.地球上的水在陆地、海洋及大气之间处于不间断的循环之中。

因果判断：

1.沙质土、黏质土和壤土适宜生长不同的植物。

2.地壳运动是地震、火山喷发等自然现象形成的原因。

条件判断：

1.水在地球上的循环产生了云、雾、雨、雪等天气现象。

2.地球为人类生存提供各种自然资源。

3.人类生存需要不同形式的能源。

每个科学判断都以语句的形式出现，是对概念之间关系的判定，都指向一个科学认识结果或科学认识结论。对科学判断的分类，是采用针对性的逻辑方法作出科学判断的依据。