学习进阶视域下的科学核心概念教学

李斌　周妍媚

摘 要：追求“素养立意”的初中科学教学，宏观的课程建设顶层设计已进入深水区，但提升学生核心素养关键在课堂.研究表明：核心概念的学习过程，是一个层次分明、联系密切的整体，利用学习进阶框架估计学生所处层级，并据此设计教学活动，能有力提升概念教学的有效性.

关键词：核心概念;学习进阶;力

作者简介：李斌（1975-），男，浙江衢州人，本科，中学高级教师，研究方向：初中科学教学;

周妍媚（1975-），女，浙江衢州人，本科，中学高级教师，研究方向：初中科学教学.

核心概念，即位于学科中心的概念性知识，包括一些基本理解和解释，如重要概念、原理和理论等学科结构性的主干部分.最新的國际科学教育研究与实践中，强调核心概念、大概念、跨学科概念，从21世纪之前重视概念发展和概念转变，到现阶段的重视核心概念和概念进阶，都把科学概念学习作为科学教育的重要目标.科学教育研究者普遍认为，科学教育的目标不是去获得一大堆由事实和理论堆砌的知识，而应是实现一个趋向于核心概念的进展过程.学习进阶，是学习者从基于个体经验对概念粗浅认识到精熟科学理解的学习成长过程，也是对学生在一定阶段在某一主题引领下，依次进阶，逐级深化的思维层级进步的路径描述.在剖析学生概念学习过程，参考认知理论进阶变量设定依据和科学课程学习进阶设计相关经验的基础上，科学课程核心概念学习一般要经历经验感受、映射感知、关联处理、系统构建、整合应用五个发展阶段，它们共同组成了科学核心概念发展层级.

本文将以核心概念“力的存在”为例开展研究，以呈现核心概念进阶学习的一般模式.

1 基于学习进阶的学情分析

基于科学核心概念进阶理论，及对小学科学、初中科学课程标准和教材的梳理、分析，描述了“力的存在”核心概念的进阶表现期望，见表1.

2 基于学习进阶的过程设计

2.1 “力的概念”的建构

2.1.1 教学起点

“ 力”的概念贴近生活，与学生的生活息息相关，其事例十分普遍.七年级的学生虽然不知道科学中力的确切含义，但对力的作用效果的各种具体表现是熟悉的，平时日常生活相关的感受很多，较易吸引学生参与思考和讨论.一方面，科学学科中力的概念是对一类客观现象分析、归纳、抽象的基础上形成的，具有抽象性与概括性强的特点;另一方面，学生在日常生活中使用的力的概念多与力量、爆发力、耐力、体力等联系在一起，与科学中力的概念不一致，要把学生头脑中已有的错误的前概念转变为科学概念，难度较大.

2.1.2 学习路径

实验引课：演示无人机升空过程，使无人机升空肯定需要力的作用.那么，力究竟是什么？它是如何产生的？我们有没有办法感受它的存在呢？这其中的道理，让我们一起来探究“力的存在”.

自主探究、建构概念：活动1：请同学们利用身边的物品，通过完成相应动作来感受“力”的产生（动作持续一段时），思考各力涉及的物体？并体悟物体间力的作用形式？

完成活动后请学生展示自己的产生力的方法，教师截取学生活动的照片和课本例子进行分析，归纳力产生过程的共性，如下图2所示.

在综合分析上述例子基础上归纳得出，人或其他动物能够产生力，其他无生命物体也能产生力，一个力的产生一定会涉及两个物体，产生力时物体间作用形式有许多种，最后得出：“大量的事实表明，力是物体对物体的作用”.

拓展延伸：产生力时物体是否一定要接触呢？请学生从日常生活中寻找实例或利用分组实验的器材设计实验来证明自己的观点.

证据展示：a.两磁铁没有接触时也能产生引力或斥力;b.磁铁悬空时也能吸引回形针;c.教室悬挂在天花板上的灯没有接触地球也受到重力作用等.得出结论：物体间不接触也可以产生力的作用.

2.1.3 评测反馈

学习进阶研究表明学习是对某一领域由浅入深、逐步复杂的概念理解过程.上述教学过程充分暴露学生的前概念，知道“力”这一个模糊的概念而已. 教学中可利用贴近学生实际的图片、实验等多种手段设置不同的情境，为学生提供丰富的感性素材，引导学生分析各种情境，从人或其他生物能够产生力，到其他无生命物体也能产生力;从接触的物体发生作用时能产生力，到不接触的物体发生作用时也能产生力;从物体间作用时会产生力，到产生一个力一定涉及到两个物体.让学生通过对大量的事例分析、抽象概括过程中找到各种现象的共同点和不同点，从而归纳出力的概念.这种从学生的原有经验出发，逐步进阶、建构概念的教学，呈现给学生的是过程不是结果，教的是思维方法而不只是科学知识.

2.2 “力的作用效果”进阶教学设计

2.2.1 教学起点

学生在日常生活中总是从自己的角度去观察和理解周围世界，此时往往会形成某些肤浅、片面的观点.譬如：柔软的物体受力会发生形变，而坚硬的物体受力的微小形变容易被忽视;对物体运动状态的改变概括不到位.力的作用效果属于复杂的映射感知和关联处理层级.从感性认识到理性概括，从生活现象到科学本质，这些都离不开科学方法与思维.

2.2.2 学习路径

师：力是客观存在的，你能看得见力吗？

生：不能.

师：我们如何确认它的存在呢？（转换法介绍）

（演示活动）：用手捏塑料瓶子，观察变化.

师：请问此时有没有给瓶子施加力的作用？你判断的依据是什么呢？

生：有，瓶子变瘪了.

师：我们无法看到力，却能从力产生的效果中感受到力的存在，如手用力捏瓶子，瓶子就会变瘪.（请学生列举其他例子）

师：大量的事实表明，力能改变物体的形状.

师：刚才列举的物体：塑料瓶、橡皮筋、文具袋、球、人脸等，都是比较软，所以它们受力后都会发生形变.那老师用力捏这个厚玻璃瓶，请问此时玻璃瓶有没有发生形变呢？

生：有或没有.（更多的人感到疑惑，不能确定）

生：有形变，但形变太小了，不容易观察出来.

师：如何把微小形变明显呈现出来？请各小组思考、讨论、交流并展示实验方案.

（若此环节有难度，可以以温度计作为脚手架，让学生从温度计的原理中得到启示，进行方案设计.）

师：能否利用类似的方法设计一个实验证明玻璃瓶受力发生形变了？

（让学生去设计并逐步完善方案，至得到图4装置，瓶内装满染红的水，然后用带玻璃细管橡胶塞塞紧;先让学生预设实验现象，然后用老师课前准备好的装置对设计的方案进行实验验证，并通过分析现象产生的原因，加深对物体形变的理解.）

师：那么，上述方案中用到哪些科学方法？

生：转换法和放大法.

师：物体只要受到力的作用就会发生形变;反之，物体发生形变就一定受到力的作用. 力除了能改变物体的形状外，还有怎样的作用效果呢？请大家完成下面的活动.

（学生活动）：将全班按座位分成四个大组，由一、三组同学拿球，并用力把球拍给对方，二、四组同学接球回传，活动中观察力对气球产生哪些作用效果？

学生活动后汇报观察到的现象整理归纳如下：

师：如果把球换成其他物体，能产生以上效果吗？请举出类似的例子.

生：能.（实例略）

师：我们把物体运动方向的改变、物体运动速度大小的改变统称为物体运动状态的改变.大量事实表明，力还能改变物体的运动状态.

2.2.3 评测反馈

力的作用效果的表述看似简单，但要真正理解对学生来说是有一定困难的.其要求学生能建构抽象术语和数个可观测的具体事物特征间的关系，属于关联处理与系统构建进阶层级.在教学中，教师让学生在经历科学探究中渗透各种科学方法，将实验活动与逻辑推理和思维活动相结合，这对概念的系统构建来说尤为重要.如仅通过塑料瓶子、橡皮筋、足球等受力有明显形变的现象，就得出“力能使物体发生形变”，那么学生对坚硬物体受力是否形变就会半信半疑.因为知识没有由原有经验进阶而来，难以纳入学生的认知结构中.所以教学中将形变问题探究分两个层级，柔软的物体受力形变现象明显，结论顺利得出.而对坚硬物体形变探究内容和难度上明显提高，以温度计原理为铺垫，利用类比思想进行迁移，让学生去设计完善方案，重现激活前经验的同时，利用转换法、放大法解决新问题.在对物体运动状态改变判断上，对于学生来说也同样具有一定难度.教学中先让学生参与互拍球活动，让他们先通过观察获得直观的感受，在列举活动中球发生的变化后，进行分类和归纳，得出运动状态变化的两种形式.这种教学在围绕课程教学内容中必备知识和关键能力上科学规划衔接点，实现学科核心素养的螺旋上升式规划和阶梯台阶式培养.

2.3 “力的作用是相互的”的进阶教学设计

2.3.1 教学起点

学生在实验中根据现象易归纳得出力的作用是相互的，但是在认识它的普遍性及利用力的相关知识解答综合化的实际问题，以此充实和改造已有对力的认知，逐步构建出力的初步图景，属于复杂的系统、整合层级，对学生的抽象思维、形象思维要求很高.

2.3.2 学习路径

典型实验分析1：气球相互挤压（见图6）

师：你能不能再举出类似的例子？

生：打排球时手也会感到痛;打网球时，球被打出去的同时球拍也会变形;用力鼓掌时两只手都会感到痛等.

师：大量事实表明，物体间力的作用是相互的.

2.4 整合应用、知识创新

2.4.1 实例应用

例一：汽车撞到柱子上，为什么反而自己受损？

解析：当汽车撞到柱子上，汽车给柱子一个力，因为力的作用是相互的，反过来柱子也给汽车一个作用力.由于柱子和汽车的牢固程度不同，所以反而汽车受损比较严重.

例二：旋翼式无人机升空时推升力是如何产生的？

解析：当无人机的旋翼转动时，旋翼对空气产生一个向下的推力，由于物体间力的作用是相互的，同时空气对旋翼产生一个向上的反作用力.这就是旋翼式无人机升空时的升力.

2.4.2 课后拓展

利用所学知识，设计并制作水火箭.要求：说明原理、所需材料、制作方案;以4-6人的学习小组为单位完成一个成品制作，下周科学实验课中进行发射评比.

2.4.3 评测反馈

学生在问题的引领下通过思考、交流、亲历比较、分析、归纳概括等逻辑思维方法，总结出力的作用是相互的，此过程实现了由科学现象到科学知识的提升.尤其是铁钉也能吸引磁铁这一实验，令学生们兴奋不已，纠正学生错误前概念的同时，帮助其认识力的相互作用的普遍性.在整合应用环节，问题呈现连贯且逐渐深入.从相互作用的两个物体有明显指向的汽车撞柱子事例入手，到相互作用的两个物体隐蔽于素材中的“旋翼式无人机如何升空”的事例分析，再到依托所学知识进行体现STEAM 项目教学的水火箭制作，这是一个循环往复且螺旋上升的创新过程.通过这样的教学过程，既实现知识的整合，又实现知识的创新应用，为新一轮认知结构的跃迁发展储备力量.

3 基于学习进阶的教学诊断与反思

运用学习进阶理论分析，学生在“力的存在”这一核心概念的学习过程中，不难发现学生在课堂中的学习行为已经超越了传统学习认知的范畴.具体包括：知识表征、知识建构、知识应用和知识创新在内的层次分明、联系密切的整体.

3.1 知识表征

知识表征指信息在人脑中的储存和呈现方式，它是个体知识学习的关键.利用学生对力的初步认识，通过列举学生熟悉的事例，利用身边的物品演示力的相关实验，以此表征知识，同时激发学生学习的能动性和自主性.

3.2 知识建构

对于复杂的映射感知和关联处理层级的知识建构，一方面学生通过对丰富事例的分析及抽象概括找到各種现象的共同点和不同点，从而完成知识建构;另一方面将实验活动和逻辑思维相结合，对坚硬物体形变探究时，以温度计原理为铺垫，利用类比思想进行迁移，让学生去设计完善方案，重现激活前经验的同时，利用转换法、放大法，解决新问题，完成知识的系统建构.

3.3 知识应用与创新

如何将知识应用到实际问题解决中，既体现科学知识的价值，又可以起到知识点之间、学科之间的连结作用.“应用与创新”中的三个实际问题层层递进、步步为营符合学生认知特点和身心发展规律.尤其是“水火箭制作”是一个跨学科的项目化学习，以培养学生的问题解决能力和创新能力为目标，是STEAM 教学的经典案例.

总之，科学的学习过程是复杂的，初中学生科学核心概念的建构与核心素养发展往往是多个因素交互作用的结果.审慎把握这一结果，既需要教师在教学过程帮助学生围绕核心概念发展层级设计教学环节，又需要教师围绕课程教学内容中的必备知识和关键能力科学规划衔接点，实现学科知识的螺旋上升和核心素养阶梯式发展.基于核心概念发展层级的学习进阶教学设计是当前科学教学中培育学科核心素养的新尝试，需要学科人坚定前行、持续耕耘.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育初中科学（7～9年级）课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]王耀村. 名师谈科学教学[M]. 浙江：浙江科学技术出版社，2018：125-136.

[3张宗义. 基于核心素养导向的物理概念课教学设计[J].物理教学，2019，41（04）：43-45.

（收稿日期：2019-09-13）