基于整合学习进阶的初中物理概念教学设计

摘 要：整合与发展是当今科学教育改革的核心理念.整合学习进阶是对学生思维方式、认知过程和能力发展的整合式描述，其与学生核心素养的发展相融共生.本文以“大气压强”为例，基于整合学习进阶的相关理论，尝试构建整合科学概念与科学解释的学习进阶分析框架，并以此设计教学活动，从而将相关理论研究转化为实践成果.

关键词：整合学习进阶;科学概念;科学解释;大气压强

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）20-0043-04

作者简介：吴弟斌（1982-），男，重庆巫溪人，本科，中学一级教师，研究方向：单元教学设计、学习进阶.

当今教育变革的主题是促进学生核心素养的发展[1]，并引领课堂教学更加关注学生知识、能力、态度和价值观的整合发展，整合学习进阶正是在此背景下应运而生的教学设计模型.利用其对学生思维方式、认知过程和能力发展的整合式描述，为初中物理概念教学的设计提供重要的分析框架.本文以“大气压强”为例，尝试将科学概念与科学解释的学习进行进阶整合，并以此为框架进行教学活动设计，从而使得教学设计更加科学化、精细化，也更加贴近学生的认知特点.

1 整合学习进阶的理论进展

1.1 概念的提出

学习进阶是在2004年美国基础教育阶段科学学业成就评价委员会向美国国家研究理事会提交的报告中第一次被正式提出，并成为美国《新一代科学教育标准》的核心编写依据.我国北京师范大学郭玉英教授所带领的研究团队先后构建科学概念、科学解释和科学论证的学习进阶发展层级模型，并在此基础上提出整合学习进阶的认知模型[2].学生真实的学习过程是复杂的，学生核心素养的发展也是多个因素交互作用的结果[3]，所以，整合学习进阶更加贴近教学一线，也更加精确地描述学生的思维方式与科学素养的发展.

1.2 整合的变量与维度

在整合学习进阶的理论研究与发展过程中，北京师范大学郭玉英物理研究团队在科学概念发展层级模型（经验、映射、关联、系统、整合）的基础之上，以不同的变量与维度建立了多个整合学习进阶模型.如张静博士以心智模型与建模教学为变量，提出“基于心智模型进阶的导引式建模教学模式”[4];姚建欣博士将核心观念和关键能力的进阶发展进行融合，提出整合学习进阶认知模型，并对“能量”主题进行教学实证研究[5];弭乐老师以科学概念层级进阶为主线，在概念进阶的关键点上渗透整合论证活动，从而实现概念理解与科学论证能力的协同发展[6].

1.3 研究愿景

整合学习进阶研究的最终目的是描绘学生思维发展的清晰图景，从而有助于教师选择最恰当的教学方式[7].当前的研究表现出颗粒度较大，主要用于课程开发、学习测评和教师培训，而要使整合学习进阶能走进教学一线，就需要开发颗粒度更小（适用于一节课或几节课）的进阶模型.只有学习进阶领域专家与一线教师建立广泛的合作，贡献各自的智慧，才能使整合学习进阶研究真正地促进教学实践.

2 整合科学概念与科学解释的学习进阶分析框架

科学的实质就是为自然现象提供解释.科学概念是对事实、经验、实验现象等运用科学方法进行抽象与概括的结果，学生科学概念的形成和运用科学概念解释更多现象的过程都离不开科学解释，其关系如图1所示.在教学中，科学概念的学习过程同时也是科学解释能力的提升过程，所以教师有必要整合科学概念与科学解释的学习进阶，从而更好地刻画学生的思维过程，促进学生能力的提高.

人教版“大气压强”的学习安排在学生学习压强和液体压强之后，是对“压强”概念的进一步拓展和深化.义务教育物理课程标准对本节的要求是：知道大气压强及其与人类生活的关系.笔者通过分析发现，本节内容在学生了解大气压强的存在及其大小之外，还要利用大气压强的知识解释有关生活现象与关于大气压强应用的实例，而且学生也需从生活现象和相关实验现象的尝试分析、推理等过程中形成科学解释，从而建构关于大气压强的理解.可见，本节内容主要包含科学概念的建构和科学解释能力的提升两个方面，因此，本文从科学概念与科学解释的角度进行进阶分析，并整合相应的分析框架，见表1.在此框架中，关于大气压强概念的学习进阶在已有经验和知识的基础上，结合學生的认知规律，按照“大气压强的存在、大小、变化、应用”四个方面依次进阶，体现逻辑递进关系;在科学解释方面，从不能给出解释到能用对应的单一知识给予解释，到用对应的单一知识和研究方法给予解释，到用微观的模型尝试解释，再到综合调用不同的知识进行解释，解释的复杂度和抽象程度逐渐提高;每个层级的科学解释要求与同级的科学概念层级要求相对应，体现科学概念学习和科学解释能力提升的同步发展，并为接下来的教学活动设计提供分析路径.

3 基于整合学习进阶分析框架的教学活动设计

3.1 通过对比实验，统一进阶起点，引入新课学习

课前布置：让学生在家里利用生活物品制作与大气压强有关的实验，并录制实验视频.

对比实验：播放学生用嘴将盆中的水吸入去底的饮料瓶中的课前实验，学生认为水进入饮料瓶是由于嘴产生的吸力;然后再拿出一个装有饮料的瓶子，瓶盖处插有吸管，并将瓶盖与瓶身结合处以及与吸管结合处密封（播放制作视频，展示吸管无异常），学生无法将饮料吸上来.

引导讨论：学生发现无法用“吸力”解释第二个实验，就会调动已有知识进行猜测：瓶口密封，使得瓶内没有与外界相通的空气.空气和液体一样具有流动性，可能也会向各个方向产生压强，引出课题.

设计意图：课前实验增加学生的感性认识，并为课堂学习提供真实素材.通过实验一诱发学生对生活中吸饮料的前概念认识，再通过对比强烈的实验二激疑生趣，引发学生认知冲突.在引导讨论中聚焦问题，统一进阶起点，从而进入新课学习.

3.2 设计实验，证明大气压强的存在，并解释实验现象

演示实验：教师拿出曾经演示液体压强的玻璃圆筒，装满红色的水，用纸片盖住后倒置，并向不同方向倾斜，纸片和水均没有掉落（如图2所示）.引导学生分析原因，有同学认为是大气对纸片有压强的原因，也有同学怀疑是纸片被水粘住.接着，老师将其中一个橡皮帽拔开，水和纸片瞬间掉落，说明纸片并非被水粘住，而是周围空气对其有压强.

自主实验：学生自选带挂钩的塑料吸盘、玻璃板和塑料针筒等器材，设计实验证明大气压强的存在.

实验解释：（1）展示学生的自主实验，并解释如何证明大气压强的存在.

（2）解释引入新课的实验，即为什么瓶口密封后，我们无法将饮料吸上来？

（3）学生举例说明生活中还有哪些现象能说明大气压强的存在.

设计意图：学生对大气压强存在的认识和建构一个完整的科学解释是一个循序渐进的过程.在教学中，教师首先通过演示实验，引导学生观察、思考、讨论，用有力的证据排除学生心中的疑惑，确定大气压强的存在;再通过学生自主设计实验和对实验现象作出解释的过程进一步理解如何将现象与结论统一起来;最后通过对引入新课实验和生活实例的解释，让学生摒弃原有的错误认识，能用大气压强的存在解释说明相关实例，从而达成能用对应知识提供解释的阶一目标.

3.3 学史引入，分析设计，测定大气压强的大小

学史引入：17世纪中叶，意大利物理学家伽利略听到一个奇特的事实：一台抽水机最多只能把水抽到10米高，无论怎样改进抽水机，也不能把水抽得更高.引导学生讨论对这个问题的看法.

学生解释：抽水机抽水的实质是大气压强将水压上去，此现象说明大气压强只能支撑10米高的水柱，可见大气压强的大小大约相当于10米高的水柱产生的液体压强大小.

分析设计：引导学生设计测定大气压强大小的方法.学生想到可以找一段超过10米的玻璃管，将里面装满水，然后倒立放置在水面上，通过测量大气压强能托住的水柱高度，就可以用p=ρgh计算出大气压强的大小.教师引导学生分析方案的可行性，可以怎样改进？在教师的引导下，学生想到可以用密度大的液体，能支撑的液柱高度就会降低，水银的密度最大，所以可以用水银进行实验.

设计意图：通过物理学史引入，将学生带回问题的原点，使学习更具探索性;学生在寻求解释的过程中，明确测量大气压强的方法，理解其中涉及的转换思想，使其达到能用对应的知识和物理研究方法建立解释的阶二目标;最后在对方案的可行性分析和方案改进中培养学生的批判性思维与问题解决能力.整个过程循序渐进，合理顺畅地引入托里拆利实验，使学生对大气压强的测量知其然，更知其所以然.

3.4 类比实验，建立微观模型，解释大气压强的变化

演示实验：为了说明大气压强的产生原因，帮助学生建立气体分子运动的微观模型，利用透明塑料桶、乒乓球、电吹风进行模拟气体分子运动的演示实验.通过在塑料桶内放入数量不等的乒乓球来模拟在不同位置空气的密度不同，通过改变电吹风的的风速来模拟不同温度下的空气分子运动情况，乒乓球对桶壁撞击产生的平均压强模拟大气压强的产生过程，从而使学生建立微观的分子运动模型，理解气体压强的大小与气体密度和温度有关，为解释大气压强随海拔高度的变化提供认知基础.

学生解释：呈现大气压和空气密度随海拔高度变化的图片（如图3所示），引导学生解释其变化关系;呈现我国青藏高原边防战士生活的图片和视频，引导学生分析他们会遇到哪些困难，如何克服这些困难.

设计意图：通过乒乓球的模拟实验，借助类比思维，帮助学生建立气体分子运动的模型，从而对气体压强的产生建立科学的认识，并以此为基础解释大气压强随海拔高度的变化，使学生学习顺利进阶到阶三水平.通过对边防战士所处环境和困难的分析，使学生理解边防战士的伟大，产生强烈的爱国情怀，并胸怀用科学知识服务祖国的志向.

3.5 回归生活，联系实际，解释大气压强应用的相关实例

演示实验：利用自制的透明饮水机模型（如图4所示）演示其工作过程，学生观察.

学生解释：（1）解释饮水机工作时水流动的过程;

（2）解释学生课前实验：会吸水的杯子.

课后拓展：下列任务三选一，可以小组合作完成.

（1）有些水杯上设计一个通气孔，请解释这个孔有什么作用？

（2）输液管的侧面有一个通气管，这个管有什么作用？先进行猜测与理论分析，然后设计实验验证.

（3）国家推进“乡村振兴”战略，一位农民伯伯想开办一个养鸡场，请你帮他设计制作一个小鸡自动喂水器.

设计意图：通过不同情境运用概念建立解释的过程，起到“活化”理解概念的作用;在建立解释的过程中调用到不同知识，以提升学生的综合分析能力，也使学生科学概念理解和科学解释能力发展到阶四水平.通过拓展任务将学习延伸到课外，任务的设计充分考虑学生的个性化学习需求，同时还突出学以致用的特点.

4 结束语

整合学习进阶从不同的变量与维度，对学生思维的发展过程进行精确描述，将学习内容与认知过程进行横向与纵向整合，从而促进学生能力的提升与素养的发展.在“素养本位”的教育当代，切实需要教师更新教学观念、转变教学方式、优化教学方法，整合学习进阶正是连接教、学、研同步发展的有效支架，是实现学生高品质学习的有力保障，也应成为一线教师教学研究的重要领域.

参考文献：

[1]林崇德.21世纪学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.

[2]姚建欣，郭玉英.学习进阶：素养的凝练与范式的演变[J].教育科学，2018，34（04）：30-35.

[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]张静，郭玉英.从模型进阶到思维发展：物理建模教学设计与实践[J].课程·教材·教法，2020，40（02）：113-118.

[5]姚建欣，郭玉英，克努特·诺依曼.科学解释能力培养模式的教育反思与哲学分析[J].自然辩证法研究，2017，33（01）：93-99.

[6]弭樂，郭玉英.基于整合的进阶式教学设计研究——以概念进阶与论证进阶为例[J].物理教师，2021，42（01）：2-7+11.

[7]Alicia C.Alonzo，翟小铭.学习进阶：描述学生思维发展的有效方式[J].物理教师，2015，36（11）：73-76.

（收稿日期：2021-06-22）