基于“四线五阶”课堂模式构建科学概念的教学

摘要：科学大概念背景下的教学，对大概念进行分层解析，获得学科核心概念、主题核心概念、重要概念、基础概念等。如在“质量守恒”这个重要概念基础上组织“四线五阶”课堂模式教学，以情境、问题、活动和目标这四条立柱式主线为建构概念的抓手，并从“质量守恒”中剥离出“反应物和生成物的质量”这个进阶变量，从“呈现事实，感知模型”“分析推理，假设模型”“实验论证，验证模型”“分析评估，完善模型”“迁移预测，应用模型”这五阶层层递进，最终构建概念模型。

关键词：四线五阶;概念建构;进阶变量;质量守恒

文章编号：1008-0546（2020）10-0007-07

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.002

国际科学教育普遍围绕大概念进行课程设置，义务教育阶段的科学教育也不例外。一般认为，大概念包括核心概念、共通概念。大概念对自然界中的各种可观测的自然现象有广泛的解释能力，是一种强大的解释模型[1]。以《初中科学课程标准》为纲要编写的浙教版科学教材，就是以科学大概念为核心，通过设置不同的科学概念层次结构，分主题对原有的物理、化学、生物和自然地理等内容进行概念重构而编写全新的章节。一般说来，科学大概念包括4个层次的概念层次，它们之间的关系按照抽象概括水平从低到高依次为“基础概念”“重要概念”“主题核心概念”和“学科核心概念”[2]。

一、“质量守恒”的概念层级

重要概念是构成一个学科的知识主体，数量比较多，如“质量守恒”就是一个重要概念，它的上位主题核心概念是“化学反应”，再上位的学科核心概念是“物质的运动与相互作用”。而在每个学科中，都是由如“质量守恒”之类的重要概念构成了“物质科学”的知识主体。同时，像“质量守恒”这种重要概念，它本身还具有一定的层次结构，所以还可以继续分层构建不同的层级，其下位还有基本概念（如反应物、生成物、分子、原子、元素等）和关系概念（如反应物和生成物质量的变化，分子、原子等种类与数目的变化等）两个亚层次，我们可称之为基础概念。它们的关系如图1所示。

北师大郭玉英教授团队和王磊教授团队分别基于高中物理和化学学科，引入国际中著名的学习进阶理论，通过多年的实证研究发现，物质科学（物理和化学学科）的概念的理解有一定的发展层级模型。郭玉英教授领衔的关于概念理解的层级模型，对科学概念建构影响甚大。这种模型将概念的理解分为5个层级，分别是：

经验：学生具有尚未相互关联的日常经验和零散事实。

映射：学生能建构事物的具体特征与抽象术语之间的映射关系。

关联：学生能建构抽象术语和事物数个可观测的具体特征间的关系。

系统：学生能从系统层面上协调多要素结构中各变量的自变与共变关系。

整合：学生能由核心概念统整对某一科学观念（例如物质观念、能量观念等）的理解，并建构科学观念间和跨学科概念（例如系统、尺度等）之间的联系[3]。

这5个层级，对应于概念构建时认知水平的5个阶。科学概念的建构不只是解决认知发展路径，科学概念的构建还要解决认知发展过程中不同思维层级水平的“立足点”问题。这个“立足点”就是学习过程的操作点，也是提高认识效能的切人点。基于认知心理学对概念的构建，从每个科学概念的构成要素出发，寻找构成概念的核心要素作为进阶变量及其它们之间的关系，从而建构科学概念。如“质量守恒”的核心进阶变量是反应物和生成物的质量，构成反应物的微粒种类与数目和构成生成物的微粒种类和数目等也是核心变量关联的变量。

构建科学概念需从生活事实出发，通过对生活事实的认识，基于观察等活动形成初步的心智模型;再通过假设、推理和论证等复杂的认知行为对心智模型进行修正，并最终形成概念模型;最终利用概念模型解释、预测出现新问题的新结论和新现象。整个过程是一种主动的内在心智行为，是科学概念建构的过程。此过程分为5个层级，即5个阶，如图2所示：

图2中的五阶，与郭玉英教授的理解科学概念的5个层级是一一对应和匹配的。

“呈现事实，感知模型”是基于真实情境，从学生日常生活经验和已经学过的知识出发，感知概念模型的事实基础，属于“经验”层级水平。

“分析推理，假设模型”是从几个事实出发，以分析和推理的思维方式提炼出几个事实之间的共性特征，从而大致能假設科学概念模型，属于“映射”层级水平。

“实验论证，验证模型”是利用实验等活动，以实证的技术手段进行科学概念模型的验证，构建概念内涵中核心进阶变量关系，属于“关联”层级水平。

“分析评估，完善模型”是通过对概念的进一步分析和评估，从本质上揭示科学概念中各要素和变量之间的联系，特别是变量之间的“自变”和“共变”关系，从而进一步完善概念模型，属于“系统”层级水平。

“迁移预测，应用模型”是以概念模型来解释和预测新情境中的新问题，需要把新建构的科学概念融人整个学科观念之中，属于“整合”层级水平。

二、“质量守恒”的建构抓手

构建概念模型的过程，不仅仅是指知识本身由浅入深的线性发展过程，而是作为整体的立体的心智发展过程。在这个心智发展过程中，有真实情境的设置，有核心问题的推动，有体验活动的演进，还有关于学习目标的分设。情境、问题、活动和目标就是科学概念建构的“四线”。

1.真实情境的设置

真实情境首先来源于现实生活的真实事件，是为课堂教学服务的，必须与教学内容匹配，匹配度越高越有利于教学;同时情境要求简洁多样，并且可控，以利于在课堂中堪担教学重任。

结合比利时教育专家罗日叶的情境类型学和王俊民等[4]对试题情境的研究成果，“质量守恒”“三阶”中的概念构建选择了四个“异质”的实验作为情境（表1）。

2.核心问题的推动

课堂教学需要在情境中挖掘核心问题，从而推进科学概念建构的思维路径。核心问题除了要注意频次、设问方式等问题形式之外，还要关注问题的实质内容质量，如问题与问题之间的关联性，问题与情境的相关度，问题对概念建构的影响度等。

基于课堂教学任务驱动的原则，“质量守恒”概念建构的核心问题的推动设计如表2所示。

3.体验活动的演进

体验活动的主体是学生，为达到一定学生目标的活动设计，是基于真实情境和核心问题驱动下的体验性活动。“质量守恒”概念建构中的一个体验活动具体包括表3中的内容。

4.学习目标的分设

综合我国中学生核心素养所要求的必备品格和关键能力，参考高中物理、化学、生物学科核心素养框架，制定初中科学学习目标结构框架为科学观念、科学思维、科学探究和科学态度四个维度，如表4所示。

三、“质量守恒”的建构过程

化学反应过程中的质量守恒定律的构建，遵循科学概念建构规律，纵向以五步进阶为方向层层递进，横向以情境、问题、活动和目标四条主线为路径全面展开。通过“四线五阶”的课堂模式构建“质量守恒”概念模型，犹如一座五层大楼，情境、问题、活动和目标就是大楼的四根立柱支撑着大楼;每一楼层相当于构建“质量守恒”概念模型总任务的一个“阶”;核心进阶变量是化学反应过程中反应物和生成物的质量。从科学本质上看，这是科学论证水平在进阶过程中使构建“质量守恒”概念模型获得论证充分，逻辑适洽，从经验判断到理性工具，由定性观察到定量实验。如图3所示。

1.呈现事实，感知模型

浙教版八年级下册科学第3章第3节第1课时为质量守恒定律。教材先展示“木头燃烧后变成了灰烬，质量减少了”和“蜡烛燃烧后质量几乎为零”两幅图片，引起化学反应可能的“质量不守恒”的实例，从而揭开学生对化学反应过程中物质质量变化的“迷思概念”。从学生课前的学情调查也可以看出，几乎所有学生都认为化学反应过程质量是守恒的，只是他们大多不知道是什么原因“干扰了像蜡烛燃烧之类的化学反应的质量守恒”，无法进行合理的解释。

任何教学都不是基于学生“空白认知”的，而是建立在学生原有前概念、生活经验等基础上。像教材中的两例，就是学生“迷思概念”的直接原因。在建构“质量守恒”的同时，解决“迷思概念”也是非常重要的建构科学概念的任务。

一阶的进阶变量（反应物和生成物的质量）是通过学生直觉经验判断来确定的（见表5）。 此环节仅仅是通过讨论激发学生原有的“经验”，为构建模型打下认知基础。

2.分析推理，假设模型

教材随即安排“思考与讨论”：

我们用过氧化氢制取氧气时，反应前后试管的总质量会如何变化？如果把反应生成的氧气收集起来，加上氧气的质量，总质量又会如何变化？

此“思考与讨论”的最大意义，在于从方法论的角度对“一阶”事实的质疑，从而建立起“质量守恒”的假设模型。“蜡烛燃烧后质量几乎为零”，这是我们以“看”为渠道进行观察获得的直观结果。“看”虽属于观察的重要渠道，但“看”并非观察的全部;况且，获得事实与证据，仅凭观察还是不够的，实验也是不可缺少的研究方法。教材选择的实例是本章第1节刚刚学过的化学反应例证（用过氧化氢溶液制取氧气）。学生不但熟悉整个实验，而且能瞬间把“矛头”聚集到反应物或生成物有气体参与或产生的情况，从而逃避了“看”的科学性。

二阶的进阶变量（反应物和生成物的质量）是通过定性观察，依据一定的事实证据判断（如产生气泡）来确定的（见表6）。

“二阶”利用了两个情境，第1个情境是联系原有知识的结果，第2个从科学本质的角度理解质量守恒概念的形成。需要说明的是，第1个情境并不是教师直接展示的，而是延续“一阶”的问题，通过学生举例“生成”的。

此环节还没有真正构建“质量守恒”，但已经从事实经验出发，剥离出影响判断化学反应过程中质量守恒的变量因素——“气体”（包括固体粉末等）的参与或产生。

3.实验论证，验证模型

在完成“二阶”的假设“质量守恒”概念模型后，呼之欲出的任务就是通过实验获取事实与证据，解决“迷思概念”，建立真正的“质量守恒”概念模型。

教材利用“白磷在封闭锥形瓶中灼烧”和“氢氧化钠与硫酸铜溶液反应”两个实验，获取证据来形成质量守恒定律，但仅这两个实验还没有解决“二阶”假设模型中的“气体参与或生成影响质量守恒判断”的问题，故在课堂上增加了两个实验，分别是反应后质量减少的“镁带在空气中的燃烧”实验，质量增加的“用酒精灯加热铜丝”实验。为了能精确而简便地操作测量质量，用精确度为O.Olg的电子台秤代替教材里的天平。

三阶的进阶变量（反应物和生成物的质量）是通过较精密的电子台秤定量测量获取事实数据来确定的（见表7）。

四个实验装置的对比，特别是前面两个与后面两个的对比（前者在不密封环境中完成实验，后者在密封容器中完成实验），解决了反应物有气体或生成物有逃逸的问题。

实验汇报总结时，最终形成的结论是“任何化学反应都是遵循质量守恒定律”，所以需要强调“质量”的主体是“参与反应的所有物质”和“反应生成的所有物质”。

4.分析评估，完善模型

为从本质上完善化学反应过程质量守恒概念模型，加深對质量守恒概念的理解，教材安排了“思考与讨论”：请以磷和氧反应生成五氧化二磷为例用分子和原子的知识加以分析。

通过微观模型表征化学变化过程，是基于本册第2章中已学用模型的办法表征“化学反应是原子的重新组合”。用微观模型和宏观事实两重表征（用化学方程式进行符号表征是下一个课时的教学内容），更有利于从本质上加深对质量守恒的理解。此环节从一个“磷燃烧”的实例推演到所有化学反应。

最后，教材从总结的角度说明，化学反应过程中，原子种类和个数及质量不变，但分子数和物质的状态可能改变。

四阶的进阶变量（反应物和生成物的质量）是通过微粒模型图的本质分析判断来确定的（见表8）。

5.解释预测，应用模型

从建构科学模型的规律来看，利用模型进行解释与预测新情境下的新现象和新问题，是科学模型整个过程中必不可少的环节，也是检测科学模型建构成效的环节。此环节选择的材料是1756年俄国化学家罗蒙诺索夫发现质量守恒定律的过程（表9）。罗蒙诺索夫发现质量守恒定律比拉瓦锡早，可惜他身处俄国，而不是当时科学的中心欧洲，影响力也就没有拉瓦锡大了[6]。

引导学生对比罗蒙诺索夫的实验与玻意耳的实验，解释实验现象并预测结果，从科学本质的角度进一步深化建构“质量守恒”概念模型，同时科学史实具有显现体现科学本质（科学结果的演化和科学哲学观的建构）的功能。

五阶的进阶变量（反应物和生成物的质量）是在科学史上的实验基础上，通过逻辑推理来确定的。“在实验基础上的逻辑推理”是以伽利略和牛顿为代表的经典科学时代科学家最强大的科学研究方法。

利用“四线五阶”课堂教学模式是通过学科核心概念的构建而得以实施的，学科核心概念在“四线五阶”的教学中起到“中心骨架”作用，它能统整学科知识，形成统一的整体，使学科知识系统化，同时也将统整后的知识体系以解释和预测的方式扩展到新情境和新问题，达到提高科学核心素养的目的。

参考文献

[1] 翟小铭，郭玉英，李敏.构建学习进阶：本质问题与教学实践策略策[J].科学教育，2015，31（2）：47-71

[2]张玉峰，郭玉英.科学概念层次分析：价值、变量与模型[J].物理教师，2015，36（11）：2-10

[3]郭玉英，姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法，2016，36（ 11）：64-70

[4]王俊民，卢星辰，唐颖捷.国际大规模科学学业评估的试题情境比较研究[J].中国考试，2019，322（2）：32-40

[5] 中华人民共和国教育部.初中科学课程标准（2011年版）[M].北京：北京師范大学出版社.2012：72-73

[6]蔡呈腾，谁是主宰者[M].天津：天津科学技术出版社，2008，6：193-201