加强关键能力培养的高中理科教学——兼谈综合性关键能力与核心素养的协同发展

续佩君 王 岳 宋诗伟

(1. 首都师范大学，北京 100048； 2. 北京师范大学附属中学京西分校，北京 100042； 3. 北京第二十中学，北京 100085)

1 背景、事实与问题的提出

2017年9月,党办和国办在联合发布的“关于深化教育体制机制改革的意见”(以下简称“意见”)中的明确要求:“要注重培养支撑终身发展、适应时代要求的关键能力”,其具体内容为认知能力、合作能力、创新能力与职业能力，并指出其基本途径是“在培养学生基础知识和基本技能的过程中,强化学生关键能力培养”.[1]显然,此处的关键能力都属于综合性能力．2018年发生的中兴事件和中美贸易战使国人现实感受到要实现我们的强国梦,教育必须和急需加强这4种关键能力的培养．

关键能力亦是2017版普通高中课程标准(以下简称“课标”)所强调的一个基本内容:“各学科基于学科本质凝练了本学科的核心素养,明确了学生学习该学科课程后应达成的正确价值观、必备品格和关键能力”;[2]“学科核心素养是学科育人价值的集中体现,是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力．”[3]由此似可认为,贯彻课标发展学生核心素养的要求也就是在培养学生的关键能力．

然而,对照并分析上述文件,不难发现在关键能力的内容、培养力度与效率上,尚存在值得思考之处．第一，学科核心素养中的关键能力既然是基于学科发展凝练出的就必然是带有学科特色的关键能力(以下简称“学科关键能力”);从学习迁移的理论上看它与“意见”所指的综合性关键能力当然相关,但也理应存在一定差异．即此关键能力非彼关键能力．第二，内容上,学科关键能力仅是学科核心素养的一个组成部分．途径上,学科关键能力的培养理应是“课标”培养学生综合性关键能力的基础环节,其培养正如“意见”所指出的，可“在培养学生基础知识和基本技能的过程中”强化培养,并还需学生自己在头脑中将其进行某种内化——实现彼此间的融合、迁移与贯通．于是,在教学实践中,一线教师如何在全面落实培养学科核心素养的同时再进一步发展综合性关键能力,就成为值得探讨的一个问题．

2 对“问题”解决思路的理性思考

著名的美国政治哲学家罗尔斯曾试图解决这样一个问题:当解决方案中的任何一种都不能得到各个社会利益群体的普遍认肯时,人们能做的,就是暂时放下政治领域的一些观念分歧,回到最基本的理性共识上来．[4]

2.1 “问题”形成的前提与解决“问题”的可能性

上述问题之所以形成,源于两个事实．一个是“基于学科本质凝炼”出来的(学科)关键能力,与两办“意见”所提的关键能力在内容上相关联但又不尽相同;另一个是一线教师需要积极贯彻“课标”培养核心素养的要求,同时也理应落实中央两办“意见”的精神．这两个事实,在“课标”要求与“意见”精神都要落实的前提下,生成了上述问题．对这一问题的过于简单化处理,或削弱核心素养的培养,或阉割“意见”对关键能力的落实．

然而,如果注意到学科关键能力与“意见”所提关键能力,在内容上的关联与培养途径上一致的实际例子,不难看到解决该问题的可能.例如物理学科的数理逻辑推证能力与化学学科的宏观辨识与微观探析都具有创新能力的功能,然而反之都不尽然．这种“一致”成分表明,培养学科核心素养(含学科关键能力)是必须的;而“反之都不尽然”，例如创新能力并不仅靠数理逻辑推证就都能解决的，是学生需要具有一种意识，创新能力不是学会可以实现创新的具体的一招半式,而是求创求新并与寻找其实现途径、方法的自觉意识．当学生明白了这种“一致”与“不尽然”,上述问题的解决就有了可能．

2.2 “问题”解决的突破口

一方面,根据教学与我们自身成长的经验可知,在同一个内容(任务、问题)的解决过程中可以培养不同的能力．对教学过程而言,这可能取决于教师采取的不同教学方法或学生自己的学习方法．例如测量重力加速度，可以从教材建议的实验探究入手,在学生自学并拟定实验报告初稿的基础上组织学生实验教学;也可以从讨论不同的实验方案入手(自由落体,斜面,单摆),对不同方案的实验原理进行可行性及系统误差分析,然后选择最可几方案并思考实验器材的选择和相应的实验步骤,进行试操作,最后再进入实验探究．前一过程侧重培养学生的自学、实验、探究等能力,后一过程则侧重发展学生的创新、合作、推证、实验和探究能力．这一事实表明在一个具体的知识点学习过程中,培养学科核心素养可以与发展“意见”所要求的关键能力同时进行;或者说“意见”要求的关键能力与课标义指的学科关键能力可以在理科一个具体知识点的学习过程中相辅相成地发展．这将成为解决上述两个问题的突破口．另一方面,由关键能力与学科关键能力的差异,可将关键能力作为一个独立于学科核心素养之外的整体,以实现加强关键能力培养的力度与效率．

2.3 “问题”解决的基本思路

中学的理科教学,除少数内容外(如物理中的狭义相对论、宇宙大爆炸等)基本都是通过观察、实验建立概念、规律来进行对客观物质的产生、存在、变化与发展的研究．这使高中理科教学在解决上述两个问题上应该有一个基本共同的途径．

受物理“课标”中物理观念是“物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华”[2],以及生物“课标”中“学生应该在较好理解生物学概念的基础上形成生命观念”[5]的启发,需要先确定一个涉及学科核心素养和关键能力的基础．根据上文讨论，学生将形成两个方向的发展，即学科核心素养和关键能力，但这两个方向在发展过程中并非各自独立而是相互作用、相辅相成的．学科关键能力在概念上属于学科核心素养的一部分,学科核心素养的其余成分难论与关键能力不无相关,故学科关键能力不需单列．

黑格尔认为,相互作用是比因果关系更高的范畴[6];恩格斯则指出“相互作用是事物真正的终极原因”[7]．分析学科核心素养所含要素之间、4个关键能力之间、关键能力与学科核心素养要素之间的相互作用,将成为下面讨论的基本思路．

3 关键能力与学科核心素养协同发展的高中理科教学模型

下面讨论中,学科核心素养的界定与要素内容以各学科的“课标”(2017年版)为准,关键能力一词的类别与内涵以“意见”所提的4个关键能力为准．

3.1 模型建立依据的思考

以各理科课标规定的知识作为模型的基础,将学科核心素养作为一个整体,与关键能力分别作为通过学科知识培养的两个方向和目标．它们彼此之间的相互作用将试做如下解析．将关键能力,学科核心素养与其要素以及学科知识都视为模型的基元．根据日常教学实践与我们的常识,不难注意到模型基元具有以下特点：(1) 培养和发展关键能力与核心素养的基本载体都是学科知识及其应用,且这三者之间存在相互作用; (2) 核心素养要素的抽象程度高于关键能力,这表明学科核心素养的必要性及其重要性; (3) 核心素养的不同要素之间具有交叉性,即在教学中各个要素不是单独孤立进行培养的,而是相互交叉渗透于具体知识的学习之中; (4) 核心素养要素与关键能力之间存在相互作用但在方向上有差异性;(5) 培养和发展关键能力的教学活动在性质上存在类别性差异．

关于特点(3): 核心素养与其要素间的关系,在性质上属于整体与部分,整体的存在依赖各部分之间的相互作用,没有相互作用,分离的要素构不成整体，例如没有粒子间的结合能就没有原子．几乎任何一个知识点,其概念的形成都可追溯出与核心素养要素间或明或隐的相互作用．物理核心素养的4要素(物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任)都是相互交叉与渗透的;外显上,物质、运动与相互作用等观念本身不可分割,这些观念与过程分析(即科学思维)及实验探究等要素也外显为难于分割;而能量观念和要素“责任与态度”则是内隐的，内隐的内容在一定条件下都可以被外显.例如在用快速运动的小车遇阻骤停时车上木块倾倒的实验来使学生理解惯性概念时，如果深入分析惯性质量并涉及惯性应用(如由此引出公交车上应多装供乘客手扶(抓)的固定物)都可能使这两个内隐的内容转化为外显．

关于特点(4): 在中学阶段,学科核心素养中的不同要素与四个关键能力之间的作用不一定都是相互的．仍以物理为例,创新能力和科学探究要素之间是互相促进的,及两者之间的作用是双向的;但创新能力和物理观念要素之间的作用是单向的,后者可以指导创新的方向或思路,前者则很难改变物理观念(限中学物理)．

关于特点(5): 关键能力中的职业能力与其他3个能力的载体不尽相同,认知能力、合作能力与创新能力主要以知识的学习活动为载体,而职业能力还需借助综合性社会化活动．

3.2 模型的建立

根据上述模型基元的5个特点,借助图1建立学科核心素养与关键能力融合协同发展的理科教学模型:用圆形表示学科核心素养及所含的各个要素,用叠加形式表示要素间的交叉性相互作用,用平面框表示不同的关键能力,用直线和虚线箭头表示模型中不同类型基元间作用的存在与方向;为鲜明区分作用的单向性,箭头的一端变为圆头．考虑方便教师使用教学模型组织教学,模型还宜反映出模型基元的培养途径与过程的程序性．为此可根据学科特点适当增加辅助元．

以物理学科为例,物理核心素养及关键能力协同发展的教学模型如图1所示．图1中最下端的“物理现象、实验、概念规律”既是培养物理核心素养的载体又是物理核心素养的培养起点,在由知识学习到物理核心素养形成需要采取“基于个体省悟之上的交流、点拨→融汇、顿悟、提炼→升华”的途径．其中的人形图示正是这一途径的形象表示．不同理科的核心素养要素虽不相同,但也存在一些共性．例如地理学科(自然地理)的核心素养要素为综合思维(对应科学思维)、区域认识(对应态度责任)、实践能力(对应科学探究)和人地观念(对应物理观)．与物理学科的共性是都突出了价值观念(基本价值观)、实践能力(基本活动经验)和思维(基本思想和方法)．

图1 关键能力与学科核心素养协同发展的高中理科课堂教学模型

4 关键能力与学科核心素养协同发展教学模型的教学案例

以物理“电势”一节为例,根据关键能力与学科核心素养协同发展的教学模型设计的教学案例如下．

4.1 学情分析与设计思路

从物质观念角度,学生在理性上似乎对物质的两种存在形态(实物粒子与场)已经接受,但对其物理依据(具有的共同属性)并不清楚．因此本节将在反映出电场对实物粒子的相互作用表现为力的基础上,进一步阐明电场对实物粒子的相互作用还表现为能量．从场的力学属性到能量属性看,这是场概念的又一次重大进阶;并同步涉及到物质、运动与相互作用以及能量3个物理观念．

由于学生对处在地球引力场中的物体只有重力势能而没有重力势的概念,故难于使用类比组织电势教学，强行类比还容易诱发学生由“物体的重力势能”而误认为电势能就属于电荷,进而累及电势自然也属于电荷．如何使学生理解电势是电场的属性而与电荷无关,以及电势能是电场与电荷双方相互作用的产物,乃是本节课的两个难点;同时也给学生综合感受科学思维与科学探究对物理学的价值提供了机会．从场概念的这一重大进阶到对电势归属的辨析,都是学生认知发展的过程,探究方案的设计与实践也给学生提供了创新与合作的机会．因此本节课具备体现物理观念、科学思维、科学探究的交叉渗透与发展学生认知能力、合作能力与创新能力的基本条件．

4.2 教学目标(相关部分)

(1) 通过实验和讨论,从能量观念的角度认知电势概念,同时渗透物质观念与相互作用观念在物理观念中的绝对性．(2) 通过讨论、思辨、实验、分析、推证使学生初步建立电势概念,认知电势的物理意义及其与电势能的关系与差异．(3) 通过上两过程中的科学思维活动培养学生的认知能力、合作能力、创新意识与科学探究精神,同时诱发学生感受物理科学的概念体系之简洁与严谨,体验物理学对同一个数学式的不同物理语言表述可能意味着不同的物理深度与方法论意义,熏陶和丰富物理学科素养．

4.3 部分教学过程(简录)

下文中A、B、C、D表示该部分内容与4个关键能力(综合能力)以及物理学科核心素养两类教学目标间的联系．具体说，A部分落实认知能力与物质观念、相互作用观念及科学思维;B部分落实认知能力、合作能力与物质观念、能量观念及科学思维;C部分突出在合作基础上的认知(即合作能力、认知能力)与能量观念、相互作用观念及科学思维;D部分在于体现创新能力与科学探究．

A. 师:大家已接触过永磁场,电流的磁场,电磁感应中的电磁场,还有最近学的静电场．你们觉得场与实物都有哪些不同,哪个是最根本的不同?(可以讨论)

生:…

师:这么多不同,为什么还说场和实物一样都是物质?

生:客观存在.

师:这是从哲学角度,从物理学角度呢?

投影照片(图2-图5),回忆实验,分析意义.

图2 永磁体间的相互作用

图3 电流磁场与永磁体间相互作用

图4 静电场间的相互作用

图5 变化的磁场与变化的电场之间的相互作用

观看录像,分析意义.

师:线圈中磁场突然增加、减少;平行板电容接上交流电．

师:投影问题,生讨论.

生：根据以上可归纳出场与实物有一个什么相同点?(物质,相互作用)

已学的电场强度,是从哪个角度表明电场和实物一样?(力或相互作用)

B. 师：试猜想还可能从什么角度说明电场和实物一样?(从运动和能量)

建立电势能概念.

师:(视情况)启发:一个物体的位置相对一个标准物体的位置(如地面)发生改变,物体的什么量将随之发生改变?

演示建立电势能概念的实验(定性).

实验器材:两个相同的轻质绝缘盒,两个等质空腔金属球,电子起电机一台,气垫导轨,导轨滑块2块,胶带．

实验步骤:

(1) 用胶带将两个绝缘盒分别与两个滑块固定在一起,再将其中一个固定在气垫导轨左侧．

(2) 调平气垫导轨,接通气泵电源．将另一个带有绝缘盒的滑块放到导轨的右侧,再将两个不带电的空腔金属球A、B分别置于左、右两侧的轻质绝缘盒中(图6)．

(3) 使B球随滑块向A盒做匀速运动．观察现象．

(4) 用感应起电机将两个金属球带上同种电荷,重复第(2)步,观察现象．

实验现象:当两金属球不带电时,匀速运动的B球与静止的A球(盒)发生碰撞后做反向运动．当两金属球带同种电荷时,B球接近A球时速度减小,未与静止A球碰撞就改做反向运动．

师:投影问题,生讨论.

生：如何从能量角度分析B球的能量变化和B球的能量性质?静止的A球若不带电,B球有势能与势能的变化吗?

师小结:处在外电场中的电荷具有电势能ε.电荷一旦进入外电场,电荷即刻具有电势能，这是电场一种能量属性．

投影问题,生讨论.

思考:B球的电势能,从本源上说怎么变化的?(两个电场之间的相互作用导致了B球的电势能的变化)

思辨:电势能属与电荷的,电场的,还是双方的?怎么证明你的思辨结果．(反例实验:A球或B球周围空间只有一个有电场,或A、B各自空间都没有电场,B球都不可能有电势能)

师小结:电势能属于电场与处于电场中的电荷双方的，即属于系统的．

建立电势概念.

师提问、追问：加深学生对相关概念物理意义,内涵与功能界限的认知．

电场有使进入电场的电荷立即具有电势能的属性,那怎么区分不同电场这种属性的强弱呢?

怎么判断一个电场中的不同空间点的这种能量属性有没有变化呢,像刚才实验中A球附近的点与稍远的或再远的点?用E行不行?ε行不行?Q呢?为什么不行?

师生讨论交流:……

生:老师,是否要引入新的物理量?

师:在已有的物理知识确实都不能解决新问题的时候,物理学才考虑引入新的物理量．为描述电场能量属性而引入的物理量叫电势U,也就是说电势是描述电场能量属性的物理量——这就是电势的物理意义．

C: 好,那么怎么定义?

启发:描述电场力学属性时,引入了电场强度,它是如何建立的?

生:把带不同电荷量的球分别放进不同电场,看单位电荷量的电势能谁大．

师:把“带不同电荷量”的球分别放进“不同电场”?

生:不是,是把带不同电荷量的球分别放进同一电场,还得是同一个点,看单位电荷量的电势能谁大．

师:把带电球放进电场,由于相互作用的必然存在,会不会加大或减弱原电场的能量属性．

生:使用检验电荷．

师:对,因为检验电荷是理想模型．那么,电势U的数学表述,单位?

生:U=ε/Q．

师:对U=ε/Q这一数学关系的文字描述有两种:单位电荷量的电势能与电势能与电荷量之比．哪种说法才切合电势的物理意义——描述电场能量属性?

回答这个问题,先让我们回到B球在气热导轨上向A球运动的实验．我们知道A球电场的场强E是离A越远越弱,设想B球为检验电荷,它进入A球电场之前的动能为Ek0,那么随后B球的能量是怎么变化的,变化的值是用什么量度的?

生:B球:Ekb≠0，Ekb减小，同时ε增大直至Ekb=0,ε最大;B球反向运动,ε减小，同时Ekb增大．

电势能和动能之间的转化是用A电场的电场力做功来量度的．

师:由此分析,可有几点结论?

生:A场中不同点的电势U不一样;因为B球的电荷量没变但电势能ε一直在变．而U好像和Q没关系,只与A电场中的空间位置有关．

师:好,回到前面的问题，对U=ε/Q的文字描述,单位电荷量的电势能与电势能与电荷量之比,哪种说法更切合电势?

生:“比”那种．因为U与电荷无关;若把U定义表述为单位电荷的电势能,那U从定义上就离不开电荷．

师:请大家把这一小段学习内容做个小结.

小结:电势U是描述电场能量性质的物理量,属于电场而不属于场与电荷这一系统．检验电荷是理想模型．电势U的值等于电场中的电荷的电势能与所带电荷量之比，

U=ε/Q．

师:在明确对U=ε/Q这个数学式的语言表述需要采取“比”的方式之后,我们还需要明白,其实将这类数学式子表述为“取单位量”和“之比”体现了两种科学方法．取单位量,反映出科学比较的基本要求:要比较先定标;而两个量之比,反映出在变中寻找(发现)不变,即两变量都在变的过程中什么量却保持不变．这种不变源于事物本身的属性,不会随度量他的量而改变．就像质量分布均匀的一块物体,掰下一块的ρ不会随m与V变小而改变．

D: 师:投影提出问题和要求.

图7 匀强电场中的电势

思辨、推证,探究实验: 如图7所示．若电势与电荷有关:当将q1、q2先后放到A点时,以及将q1先后放在A点和B点时,UA与UB分别呈现什么关系?若电势只与电场有关而与电荷无关；当将q1、q2先

后放到A点时,以及当将q1先后放在A点和B点时,UA与UB分别呈现什么关系?

探究实验:从上述“思辨”中选取一个假设与推论,课下进行实验设计．