初中科学学习进阶的操作体系

摘要： 学习进阶操作体系包含两个模型、五条策略，核心是将“阶”的序列与使用融入教学新设计中。“学习进阶操作要素模型”指向教师应用学习进阶的操作可行性，“学习进阶下的科学课堂教学设计模型”指向学生会学、学会的效度。以质量守恒定律教学为例，结合五条教学策略，分析科学探究教学中“阶”的优化指向。

关键词： 学习进阶; 操作要素; 教学设计; 教学策略; 模型; 科学探究

文章编号： 1005-6629（2019）8-0031-07            中圖分类号： G633.8            文献标识码： B

1  学习进阶及其操作要素模型

美国国家理事会（NRC）在2007年将学习进阶定义为：“对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式的描述”，“NRC的定义还是一个能得到多数研究者认同的界定”[1]。

尽管专家对学习进阶的描述侧重有异[2～5]，从一线教师操作层面上看，操作体系中的核心是“阶”的序列设计与使用。结合教学实践经验，我们对学习进阶的操作要素进行分解、组合、关联，建立“学习进阶操作要素模型”（见表1）。

学习进阶操作要素模型： 指向学习进阶应用研究的操作可行性，从进阶变量是什么、“阶”如何设计与使用这两个重点问题开始分解，给出具体操作思路、操作要点，描述了相对应的水平层次或特征操作，列举了在应用过程中遇到的四个难点： 进阶维度之间的“均衡”;“阶”的认知刻画;建立清晰的“阶”;推动“进阶”的发生。这是一个如何将“阶”融入教学设计并展示出来的问题，主要涉及教师教学设计与教学策略的改变。此模型的主要作用，一是为教师平时思考与实施学习进阶提供参考;二是借此反思修正典型学习路径与“阶”的合理性。

2  促进学生进阶的科学课堂教学设计

2.1  学习进阶下的科学课堂教学设计模型

一节课，甚至是一个学习时段，都应该有可以具体化的进阶终点目标，我们运用从进阶终点逆向推理的方法，结合“学习进阶操作要素模型”，确定进阶起点，进而在进阶终点与进阶起点之间考虑“阶的设计与使用”，建立“学习进阶下的科学课堂教学设计模型”，应用于教学设计中（见图1）。

图1使用的关键有三处： 一是确定进阶维度，解决“学什么”的问题，要放在核心概念层级下有跨度地思考学生可能会“怎么学”;二是确定水平层次，解决“学到什么程度”的问题，要放在学习路径多样性下有典型性地思考课堂应该“怎么教”;三是设计清晰进阶，解决“怎么测”的问题，要放在真实情境习题化下有证据地思考学生“学得怎么样”。素养时代下，深度学习、项目学习、课堂活动教学等，对科学学习方式都有类似“会学、学会”的探索，可以相互借鉴。

2.2  科学课堂教学设计模型具体运用要点

2.2.1  确定进阶维度——学什么

首先以核心概念的知识本体作为进阶变量。“质量守恒”作为本课时的核心概念与进阶目标，还要置于更高层级的“变化与平衡”的科学观念下。而白磷燃烧、镁带燃烧等化学变化，生成物、反应物等概念，作为进阶的起点。知识内容本体作为进阶变量可以清晰地刻画学生对某一主题理解的认知发展层级。

其次以探究技能为进阶变量。围绕影响“量”的变化因素，如质量的测量、天平的使用等操作技能，可以作为进阶的起点。反应物、生成物的质量测量与数据处理技能，气体外逸、外界气体影响等密闭空间的变量控制技能等，可作为中间认知状态。而提出问题、建立假设、获得证据、作出解释等探究技能，可作为进阶终点。

第三是考虑关联进阶。关注学生头脑中内在知识结构的关联程度，八年级的学生，所熟悉的化学变化仅限于以O2为主，必要的后续学习的化学变化，如CaCO3与HCl反应制取CO2等，须作必要的补充，整合概念、规律、探究、操作、解释等作为关联进阶变量，促进学生对“质量守恒”问题的理解。

在此基础上，整合学习内容，确定学习的目标、重点、难点和要点，如探究“质量守恒定律”，强化“证据”“解释”是学习要点。

2.2.2  选择学习路径——怎么学

选择学习路径，既要结合教师积累的进阶发展证据，又要关注基于进阶的学情分析，根据学生学习特征设置课堂活动。

教师已有的经验，可以帮助学生少走弯路，如跨学段意识，知识的连续性、整体性和层次性等。

基于进阶的学情，教师可以自问以下五个问题： （1）在知识进阶上，希望促进哪个核心概念或哪些科学观念的建构？（2）在技能进阶上，希望培养的关键能力是什么？（3）在关联进阶上，希望帮助学生建构哪些思维联系？（4）在情感进阶上，希望激发学生什么样的心向？（5）在进阶达成上，确定学生在学习中间可能遇到哪些问题？

2.2.3  确定水平层次——学到什么程度

确定水平层次，要考虑学生的现有认知状态、中间认知状态、阶段学习目标。在质量守恒定律的探究中，学生拥有测质量等操作起点、物质燃烧等事实起点，这些都是学生共同的认知基础，课时终点目标是一致的，都是为了理解“质量守恒”。对学生而言，“学习进阶的价值所在不仅是指明路径在哪里，更重要的是指明如何实现进阶”[6]。由于进阶路径的多样与学生之间的差异，所以，影响“如何实现进阶”的中间认知状态的确定，就成了教学设计中的关键。

对理解质量守恒定律而言，定量分析、装置设计、技术工艺、实验操作、获得证据、相信结论等，既是重要的中间认知状态，也是关键的进阶节点。对比常规教学设计，运用水平层次设计的教学思路，实质上以中间认知状态为突破口，更深入、准确地分析学情，解决重点、难点、要点、目标实现路径等问题。

2.2.4  选择教学程序——怎么教

进阶路径由水平层次铺成，进阶达成由教学程序执行。“多数研究者认为学习进阶有两个特征： 第一，学习进阶路径不是唯一的;第二，学习进阶不能脱离教育过程而自发进行”[7]。

选择教学程序，既要结合教师自身教学特长，又要关注驱动性问题与活动的选择，及学生在其中的表现。

选择驱动性问题与活动，教师可以这样自问： （1）流程设计上，除了当下，能否为大单元及后续学习激发探究兴趣和学习动机？（2）具体学习任务，能否联系学生的生活经验和原有认识？（3）任务之间的逻辑关系，是否顺应相应学段的学习轨迹？（4）执行任务时，是否具有符合自身条件的教学可行性？（5）学生的外显行为，能否处于学生的最近发展区甚至创建新的发展区？

2.2.5  设计清晰进阶——怎么测

设计清晰进阶，要按认知水平、按年级阶段，对问题与活动情境化、习题化。利用“科学探究核心概念水平层次模型”[8]，在“确定进阶维度”与“确定水平层次”之间建立联系，在“问题、证据、解释、评价、方法”五个主要进阶变量中，确定本课时侧重于“证据”“解释”，兼顾其他变量，设定为水平3的要求。在获取“证据”方面，水平3的要求是“变量控制、实验设计”，“能将科学知识、探究技能应用于实际情境，解决常见的问题”，并“能通过对变量及现象的比较概括出科学结论”;在“解释”方面，水平3的要求是“解释证据是否充分支持结论”，落实到对质量守恒定律的具体理解，表现为宏观解释、微观解释、应用解释。应用解释具体如： 可以区别一些“纸片燃烧后固体质量减轻了，不符合质量守恒定律”“10g冰受热熔化成10g水，遵循质量守恒定律”等似是而非的说法。微观解释在水平3是“使用模型”而不是水平4的“构建模型”，可以借助视频或动画等材料设计进阶。

一般的教学中，例题或习题可能是教师凭感觉选的。学习进阶教学，利用“科学探究基本环节测量要素模型”[9]，在“确定水平层次”与“设计清晰进阶”之间建立联系，例题或习题成为清晰进阶的标示物。“阶”的设计，不可违背学生认知规律盲目增加难度，加重学生负担，通常如使用仪器、表格、数据记录处理等。若学生学习潜力足够，也可以考虑水平4的要求，如“评价反常结果和证据可靠性”，因为在质量守恒定律的探究中，这种现象还是常会遇到的，善加开发，也是对学习资源的一种利用。

2.2.6  选择测量工具——学得怎么样

选择测量工具，既要教师能从已有的习题中开发测量工具，又要教师根据学生实际反馈修正。

开发的测评工具，通常是习题化的，这是因为学生对知识技能的掌握达到哪个层次，是否符合预定的学习目标，需要教师进行有效的测量。开发适当的测量工具，需要教师熟悉中考题型及其变化，了解课程标准要求、考试说明要求、中考主要知识点，具有一定的改编中考真题、真实情境习题化、学生问题情境化的能力。

反馈与修正，教师可以围绕研究重点这样自问： （1）测量工具上，习题是否对应清晰的“阶”？是否还利用了巡视、讨论、问卷、访谈等方法？（2）测量结果上，是否考虑到进阶维度之间的“均衡”与学生学习信心的保护？（3）助学措施上，是否推动了“进阶”的发生？活动化的助学是否精准？（4）自我反思上，“阶”的认知刻画是否符合学生的实际水平？（5）专家评议上，进阶变量是什么？“阶”如何设计与使用？

3  促进学生进阶的科学课堂教学策略

能改变传统好课观念的，最给力的是“更好”。为了“更好”，我们从近十年的“质量守恒定律”好课实录中选择几则，用“以思维为中心、以活动为基础、以知识为根本、以变式为手段、以过程为主线”这五条教学策略重新审视，以期从理论中学习、从教历中学习，将“阶”及其表现期望展示出来。

3.1  提出问题能力的进阶策略——以思维为中心

课堂一开始，教师就提出这样的问题：“同学们说说看，在化学变化中，质量守恒吗？”学生集体并且大声地回答“守恒”。教师瞬间“石化”几秒钟，因为学生好像集体都“学会了”，还因为教师在预设中认为“一定有学生会说不守恒的，这样就可以开展讨论了”。这种现象在公开课中多次出现。为什么那么多的教师会设计出这样的问题？原因之一是教师信守科学探究的第一步是提出问题，而恰恰缺乏从教材整体设计广度看此探究的育人价值，没有关注到“质量守恒定律”存在于《科学·八年级下册》，此阶段学生需要的不是这种水平1的问题，而是水平3的问题： 对提出的问题进行简单分析、产生新问题。由于没有设计好驱动性问题，这种科学探究进阶目标设计上的错位，常常让一节精心准备的课游离于学生的思维之外。

可以用“以思维为中心”的策略，重视驱动性问题的设计，指向关联进阶： 教师引入相关实验，完成一个与学生思维有冲突的“不守恒”的实验。也可以提供多组实验，这些实验的选材要有明显的实验现象，可涉及变色（NaOH+酚酞+HCl、加热铜丝）、有沉淀产生（NaOH与CuSO4反应）、发光有烟（镁带燃烧、白磷燃烧、木条燃烧）、有气体产生（大理石与HCl制CO2、 H2O2制O2）等，建立多个关联实验的演示或讨论情境，引导学生获取证据、开始质疑，重点指向分析后“产生新问题”，提高探究学习的精度。

3.2  获取证据能力的进阶策略——以活动为基础

获取证据首先需要形成可检验的假设，从操作性定义的角度看，还要细化找到反应发生了的标志——生成Cu（OH）2沉淀，及盛放溶液的装置质量的处理。如“先分别测量NaOH与CuSO4的质量，再测反应后的总质量，比较前后质量的变化”，“完美”的操作设计偏偏有學生举手说“我们组的实验，质量是不守恒的”。原来学生是“先测烧杯与NaOH溶液的质量，再测烧杯与CuSO4溶液的质量，把NaOH溶液倒入盛有CuSO4溶液的烧杯后，再测空烧杯的质量”，通过计算得出“质量不守恒”。因为测量次数过多，及小部分NaOH溶液残留在原烧杯中，造成数据误差偏大——获取证据方法正确，测量过程没有从减少质量测量次数上思考。

因为大多数学生的实验结果符合教师预设，教师的智慧平息了生成的浪花，进一步讨论“产生气体的反应”“白磷燃烧”等实验设计，以获取更多支持或不支持假设的证据。这种教学设计是与八年级下“变量控制、设计实验”的科学探究要求相适应的，在证据获得上，侧重于“把气体抓回来测量”或“把空气中参加反应的O2密封起来”的变量控制与实验设计，即建立一个与周围隔绝的体系。教师运用“以活动为基础”的策略，借助活动化的精准助学，指向技能进阶。从模仿教材到独立设计，再到有限迁移，对吸收或放出气体实施变量控制，涉及变量可知可测、仪器使用、表格使用、数据记录等学习过程，教师全程助学，对实验技能相对较弱的学生，还允许用“画图”的方法来呈现。

3.3  据理解释能力的进阶策略——以知识为根本

在许多课堂上，解释环节就用简单的对话来完成： 第三组同学，汇报下，你们的结论是什么。请来回答的组，都是教师巡视过程中默选的典型，几组汇报后，得出教材中的结论：“许多相似的实验和研究表明： 在化学反应中，参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和”[10]。

这种简单化的处理固然受教学时间因素的影响。但“以知识为根本”并不只是得出结论、记忆结论。当学生开始相信化学变化中质量守恒时，适时运用“以知识为根本”策略，追求核心概念层级，指向知识进阶。从知识层面上分析，得出这样的结论需要“许多相似的实验和研究”，需要“讨论干扰因素”，剥离“实验装置本身质量带来的干扰”，“分析现象和数据”，“解释过程和结果”，还需要“精确的质量测量工具”，然后才是“准确表达结论”。关于“解释”与“评价”的表现，以水平3的“解释证据是否充分支持结论”“处理数据”“结果与解释的一致性”为要求。同时，设计一些数据化的讨论及宏观、微观角度的分析，如宏观原因上分析： 反应物质量等于生成物质量、物质种类变了、物质状态可能变化、元素种类不变、元素质量不变;微观解释上分析： 原子种类没变、原子数目没变、原子的质量不变、原子重新组合、分子变了、分子数目可能变化等，并在微观解释上使用模型，用模型来测量学生对原理与关系的了解程度。质量守恒定律的微观模型，作为知识进阶必要的测量工具，最终为建立“变化与平衡”的科学观念服务。

3.4  反思评价能力的进阶策略——以变式为手段

对学生科学探究的评价，教师常常只表扬成功的，有意无意地忽略了失败的实验。在有限的时间与空间内，学生的探究大多数会参照教材设计，有变式就很不错了，长期得不到肯定或轻易模仿得来的成功，都容易使学生对探究学习失去毅力。“以变式为手段”的策略，要利用多样化的真实情境，指向毅力进阶，一是用好教材变式，二是用好学生的创意变式，三是引入练习变式。

图2是教材中的实验设计[11]，关于白磷引燃的方式、装置气密性、气球的变化及温度对质量测量的影响，都是很好的反思评价的点。

学生中也常常会有不一样的创意。比如有学生设计了如图3的草图，它不是用气球来盛放气体，而是把产生的CO2通入到澄清石灰水中，测量出整体质量不变。教师在关注学生创新设计的同时，也应该从科学本质上分析： 这样的设计，得不到某一个反应是否质量守恒的结论，只能得出CaCO3与HCl、 CO2与Ca（OH）2两个反应同时发生时，总体质量守恒。

引入练习变式，评价的重点也应该围绕证据、解释这两个探究要点，具体如“过程是否适当”“证据是否可靠”“材料仪器”“处理数据”方法是否合理等。练习的选择也应与八年级学生的进阶水平层次相一致，如改编2018年某市的中考题： 称取0.53g Na2CO3装入气球，将气球套在锥形瓶上，装置总质量66.33g。将药品全部倒入装有足量稀HCl的锥形瓶中，气球迅速胀大，反应后装置总质量66.19g。多次实验发现： 反应前后装置的总质量均不相等（空气密度取1.3g/L， CO2密度取2.0g/L，结果精确到0.01）。

他得出结论： 反应前后测量中装置总质量减少，相当于气球胀大增加浮力造成的，所以该反应遵循质量守恒定律。

对以上验证过程，学生在讨论中提出了以下一些看法： 过程合理;原理可以;这个好像是电子秤吧（意指工具不可靠，数据可信度不高）;气球会有弹性吧（意指材料会影响CO2的密度）。还有如： 质量守恒不是测出来的吗？怎么是算出来的？而且减少的质量与增加的质量还不相等，只是相近。即： 测量中装置总质量减少，损失的重力接近于气球胀大增加的浮力，反应前后测量质量的减少不能确定就是浮力增大造成的，所以还不能说明该反应是否遵循质量守恒定律。

3.5  运用方法能力的进阶策略——以过程为主线

运用“以过程为主线”的策略，侧重持续探究的互动性，指向情感进阶。在本课中，有以科学史为过程主线的优势存在。教学借此分析众多科学家的情感、毅力之所在，如1756年俄国化学家洛蒙诺索夫把锡放在密闭的容器里煅烧，得出的结论没有获得承认，1777年法国拉瓦锡重复实验才获得公认。1908年德国化学家廊道尔特及1912年英国化学家曼莱用更精密的实验再次验证。

学生或教师产生的真实情境，都可以成为学生体验科学方法的过程材料，提高“持续探究的互动性”。有一次课堂中出现了这样的情境： 在探究质量守恒定律的实验设计阶段，教师结合学生的技能水平，有意引导学生选择与教材相近且操作相对容易的两个实验： 分组测CuSO4与NaOH反应、白磷燃燒的质量变化。CuSO4与NaOH反应学生很成功。白磷燃烧装置，因为考虑到不用气球缓冲气压变化，也能安全地完成实验，简约的装置更容易让学生聚焦思维，所以，用酒精灯垫石棉网加热装置图4，代替图2中的反应装置。在加热过程中，近一半的学生突然站起来，因为他们发现： 锥形瓶内，先出现大量白烟，然后是黄烟、黑烟上下翻滚，持续时间近一分钟。

学生“吓”着了。这种情感体验，必然使部分学生远离探究，降低对科学探究的黏性。

事后重做实验分析，本来可行的设计，之所以出现这种现象，一是白磷的量近半颗黄豆（半颗绿豆大为好），反应时间长、过于剧烈，白烟太多，造成学生担心瓶子是否会“炸”;二是沙子为学校操场沙坑里的，没有清洗、也不干燥，水分的蒸发及杂质的燃烧干扰了实验现象，白、黑、黄三色的混合，超过了学生对实验现象的预期，且“三色”带给学生直觉的情感体验就是“可怕”。我们常常对学生说： 要控制变量、控制变量，而恰恰忘了，沙子在这里也成了一个变量。教师事后向学生分享课后再探究的过程，在一定程度上弥补本次教学在情感设计方面的不足。

学习进阶操作体系从学生学习效度与教师应用上，给科学探究教学带来新的思考。教學设计走近“会学、学会”的特征，使学习进阶有了追求核心素养的可行性;从终点到起点逆推的进阶水平层次分析特征，使教师的教学新设计有迹可循，操作上更具实用性;进阶设计技巧关注问题、活动、互动、情境、多样化等特征，使阶的设计和使用有很强的包容性;教学策略有驱动性问题的设计、活动化的精准助学、追求核心概念层级、多样化的真实情境、持续探究的互动性等特征，使“阶”的优化有了指向性;进阶维度与水平层次的确定、测量工具的设计与使用，使学习目标的测评更有针对性。

参考文献：

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[3]李佳涛， 王静， 崔鸿. 以“学习进阶”方式统整的美国科学教育课程——基于《K-12科学教育框架》的分析， [J]. 外国教育研究， 2013， （5）： 20～26.

[4]王磊， 黄鸣春. 科学教育的新兴研究领域： 学习进阶研究[J]. 课程·教材·教法， 2014， （1）： 112～118.

[5]刘晟， 刘恩山. 学习进阶： 关注学生认知发展和生活经验[J]. 教育学报， 2012， （4）： 81～87.

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[8][9]颜伟云. 初中科学探究学习进阶的广度、 精度与深度[J]. 化学教学， 2019， （6）： 33～38.

[10][11]朱清时. 义务教育教科书·科学（八年级）（下册）[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2013： 88.