基于核心素养的初中科学观念教学路径与测评

周 建 秋

(瑞安市塘下镇罗凤中学，浙江 瑞安 325204)

科学观念是认识自然科学的基础，是解决实际问题的关键，是科学核心素养的重要内容。当前，科学观念教学还存在一些问题：教师普遍重视学生成绩，忽视科学观念建构的重要意义；虽然有教师知道科学观念建构的重要意义，但是还缺乏科学观念建构的有效策略；虽然有教师关注科学观念的培养策略，但是还不知道观念建构的有效测评方法。为此，教师应重视学生科学观念的建构，有意识地创设学生实践活动的平台，强化科学知识与实践情境的关联，增强学生活动体验途径，发展学生的科学核心素养。

一、基于核心素养的科学观念的内涵

1.科学观念与核心素养各维度的关系

科学观念是基于具体事实、科学知识，起着统领、支配作用的思想、理念与看法，是科学概念、规律的提炼，是解决问题的行动指南和关键思维视角。核心素养是学生在学校不同学习阶段逐渐形成的关键能力、观念和品格，具有普适性与迁移性。[1]科学素养是以科学知识为基础、科学思维与方法等要素为手段、科学核心能力为中心、科学态度为动力的个体内在特质。科学核心素养包括科学观念与应用、科学思维与创新、科学探究与交流、科学态度与责任四个方面的内容。[2]科学观念是核心素养的基础，科学观念的形成离不开科学探究、科学思维、态度责任的参与；同时，科学观念能促进科学探究、科学思维、态度责任的发展，它们四者相互促进，相辅相成，螺旋式发展上升。科学观念、科学探究、科学思维与态度责任的关系如图1所示。

图1 科学观念与科学探究、科学思维、态度责任的关系

2.科学观念的内涵

科学观念的形成要依托科学知识，科学知识是形成科学概念、定律、理论等核心内容的载体。科学概念、规律、定理概括提炼形成科学的子观念，子观念组成了观念。因此，科学观念的形成过程可以表达为：科学事实性知识→科学概念规律→子观念→观念。科学观念是个体对自然现象的总体认识，具有个人的看法与见解，具有个体性，因此在教学中要关注学生前经验概念。科学观念的形成不是一步到位、一蹴而就的，需要一个过程，具有阶段性和发展性，因此在科学教学中要注重活动性与探究性；同时，科学观念是对复杂现实世界的简化和概括，能解释和阐明简单的自然现象，能对生活、生产中问题提供思维视角，能迁移应用到生活、生产中，具有实践性、能动性与预见性，因此在教学中要关注学生的问题解决能力。

二、初中科学观念建构的教学路径与策略

1.创设认知失调情境，促进前经验认识向科学观念的转化

例如，学生对于灯泡的亮度是由实际功率还是额定功率决定的还存在前经验错误认识，教师可以设计认知失调情境，让学生经历认知对比体验感受。把标有“220 V、100 W”和“220 V、25 W”字样的灯泡并联在照明电路中，学生发现“220 V、100 W”的灯泡较亮。接着把两只灯泡串联在照明电路中，让学生观察，学生发现“220 V、25 W”的灯泡较亮。这种有违生活体验的事件会引起学生的好奇，引发认知冲突，产生“为什么会产生这种现象”的问题，并萌发主动获取知识的心向，提高了学生学习的主动性。教师继续引导学生计算在串联电路中两只灯泡的实际功率，学生就能形成灯泡的亮度是由实际功率决定的观念。

2.基于教材，提炼观念，在知识获取过程中形成科学观念[3]

在“力的存在”教学时，为了让学生建构力的相互作用观念，教师可以先图片展示举例，演示“人站在滑板车上用力推墙壁”的直观实验，学生看到人会离开墙壁。试试用一只气球压另一只气球，两只气球都变扁了。再演示“气球火箭”飞行的实验，气球向后喷放气体，气球就向前方运动了。再做“手用力拍桌子”实验，让学生分析原因，归纳出“物体间力的作用是相互的”这一结论。再提出问题：乌贼前进的动力来自哪里？火箭是依靠什么力量飞上天的？引导学生分析问题、解决问题。在学习了浮力、电磁知识后，教师再整合资源，实验演示不同种类的物体之间力的相互作用(如图2所示)，丰富学生对物体之间力的作用的事实支撑，促进观念建构的全面性与完整性。初中阶段，通过物体之间力的相互作用的学习，学生应该形成力的相互作用观念(如图3所示)。根据事实性例子，学习不同形式力的概念(重力、浮力、摩擦力、压力、弹力、电磁力等)，再概括提炼形成不同的子观念，最后形成力的相互作用观。

图2 力的相互作用示意图

图3 力相互作用观念形成的过程

3.开展科学探究活动，在活动体验中形成科学观念

研究表明，科学观念的形成离不开教学活动的精心组织与安排，尤其是科学探究活动的安排。[4]通过科学探究活动，学生经历了科学概念、规律建构的完整过程，发展了思维能力，体验到解决问题的方法，潜移默化地建构了物质热学性质特点的宏观物质观。以比热的概念教学为例。质疑现象，提出主张，明确探究问题。夏天，当赤脚在沙滩中行走时，会感觉沙滩上砂石很烫，而海水很凉爽。为什么水和砂石吸收相同的热量，温度升高程度不一样？教师以生活情境为出发点，让学生质疑生活中现象，提出问题。为了解决问题，需要收集证据、开展科学探究。考虑初一学生探究能力较为薄弱，提供器材，先通过讨论一起完成实验方案的设计。教师让学生明确研究的目的、研究变量、控制哪些变量(提供给学生水、砂石、烧杯、酒精灯、石棉网、铁架台)、如何设计表格、如何获取数据、如何保证砂石和水吸收相同的热量？实施实验，收集证据。分组实验，组内学生分工，一人计时，两人读数(分别记下砂石和水温度随时间变化数据)，一个人记录数据(如表1所示)。

表1 砂石和水温度随时间变化的情况

分析证据，借助归纳论证，形成结论。针对实验数据分析论证，然后归纳总结，形成比热概念(如图4所示)。

图4 基于证据论证分析比热概念建构

4.强化科学知识与实践情境的关联，在问题解决中升华科学观念[5]

(1)能从科学的视角解释一些简单的自然现象，具有将科学与实际相联系的意识。例如，在大气压的存在验证教学中，教师布置学生任务与活动，利用提供的器材或者自己增加辅助器材，设计实验证明大气压的存在。已经提供的器材有玻璃管、滴管、吸盘2个、水、杯子、钩码、针筒、大小两支试管、玻璃板、纸板、橡皮筋、塑料袋、塑料瓶等。学生可以以图形、实验或文字说明等形式展示设计方法，同时要将大气压如何作用分析清楚。归纳学生展示实验有吸盘挂物体、用玻璃管提水、吸盘对吸、覆杯实验、小试管爬行、杯中取袋、针筒吸水、瓶子吞鸡蛋等。

(2)形成初步的科学观念，能应用所学的科学知识解决简单的实际问题。例如，在学习了浮力的应用“密度计”知识后，教师可以布置学生利用生活材料自制简易密度计，并利用其比较家庭中常见液体的密度。对于密度计的选材，主要有空的签字笔芯、竹筷、塑料笔杆、塑料吸管等密度较小的物体，底部则一般选择橡皮泥、铁丝等密度较大的物体。家中常见液体有自来水、盐水、糖水、老酒、食醋、食油等。通过自制密度计在不同液体中浸没的深浅，学生可以深刻地认识到比水密度大的液体有盐水、糖水、食醋等，比水密度小的液体有黄酒、食油等。

(3)能从科学的视角描述和解释自然现象，能应用所学的科学知识解决实际问题。学习了大气压的知识后，如何利用矿泉水瓶改进并制作水钟？矿泉水瓶盖戳一个小孔(M孔)，倒置(如图5a)，水能流出吗？分析原因？学生经思考讨论，得出不能持续流出，原因是当P内气+P水=P大气，水就不能再继续流出。能不能想办法让水流持续地流出？让学生分组讨论后完成设计。大部分学生的方案都是在瓶底再戳一个孔(N孔)(如图5b)，并分析原因：瓶内气压得到补充，且等于大气压，此时P内气+P水>P大气，水就可以持续流出。让学生装满水，利用记号笔、秒表等仪器小组合作试着标出刻度，制作水钟。学生很快发现，水不是均匀流出，越流越慢。如何让水均匀流出？该环节大部分学生有点困难，个别小组得出，在瓶子侧壁戳个小孔(Q孔)(如图5c)。原因分析：将瓶壁孔以上的水压记为P水A，以下的记为P水B，则PQ=P内气+P水=P内气+P水A+P水B。水流出后，空气从瓶的侧壁Q孔进来补充，使得P内气+P水A=P大气。这样PQ=P大气+P水B，Q孔处压强保持不变，水会均匀流出。

图5 水钟示意图

(4)具有清晰的科学观念，能综合应用所学的科学知识解决实际问题，能指导工作和生活实践。在学校开展体育节活动中，经常举行拔河友谊比赛，双方都要选择体重大、力气大的学生参加比赛，而且拔河比赛过程中，运动员往往把身体向后倾斜，这是为什么呢？在拔河比赛中，以运动员为研究对象(如图6所示)，运动员受到三个力，重力G，地面对运动员的作用力F，绳子的拉力T。作用力F的水平分力为静摩擦力Ff，作用力F的竖直方向的分力为地面的支持力FN，三力共点为o点。绳子的拉力T等于静摩擦力Ff，地面的支持力FN等于重力G。当支持力不变的情况下，运动员往往把身体向后倾斜，与地面的夹角越小，可以增大静摩擦力Ff；当运动的重力越大，地面的支持力FN也越大，也可以增大静摩擦力Ff，即增大绳子的拉力T，获得胜利。

图6 拔河比赛时人受力分析

(5)具有清晰、系统的科学观念，能灵活应用所学的科学知识解决实际问题，能有效指导工作和生活实践。例如，学生学习了弹力与浮力知识后，如何把弹簧测力计改装成测液体密度的密度计？弹簧测力计的量程为4 N，给你一块恰好为4 N的合金块、烧杯以及足量的水，要求将此弹簧测力计改装成测量液体密度的密度计。当物体不放入液体中时，物体受到的重力为4 N，液体密度计的刻度值标为“0”；当物体放入水中时，读出弹簧测力计的示数，把此时指针示数的刻度线标记为1×103kg/m3。根据合金块的受力分析：N拉+F浮=G，N拉+ρ液gV=G，ρ液=(G-N拉)/gV，ρ液与N拉是一次函数关系，所以液体密度计的刻度是均匀的。然后，根据“0”刻度线与水的密度线之间的长度为1个标度，分别标出2×103kg/m3和3×103kg/m3等。实验的步骤：将金属块用细线挂于测力计挂钩处，调整指针，使指针指向“0”刻度。在烧杯中盛放适量的水，将金属块完全浸没于待测液体中，在刻度板上读出液体的密度值。用此密度秤测量时，物体必须完全浸没在被测液体中，若物块未完全浸没，则测得液体密度值将偏小；被测液体的密度不能大于金属合金的密度。

三、科学观念的测评方法

1.利用说理题测评

说理题是让学生根据图像、表格数据、示意图、情境材料等解释科学现象、表达自己真实认识的一类试题。为考查学生能量的转化和守恒观念，教师可以设计以下说理试题。例如，取一个塑料瓶，在它的顶端与底端各打2个小孔，用橡皮筋分别穿过瓶底与瓶顶上的2个小孔，将一个小铁块用细线系紧在橡皮筋的中间位置，橡皮筋两端用牙签固定(如图7所示)。先把塑料瓶放在坡度比较缓的斜面上，自然松手，塑料瓶就在斜面上滚动起来，先由慢到快再变慢，最后塑料瓶又会从斜面底部自动往上滚，如此往复多次。请结合所学知识解释塑料瓶如此运用的科学原理。

评析：此题主要考查学生能量的转化和守恒观念，即能从能量的转化和守恒视角，正确地运用科学原理、解释科学现象。学生只有具备能量转化和守恒的观念，才能从装置示意图中联系实践的情景，从问题情境中运用科学原理解释科学现象。然后，利用SOLO分类评价法诊断学生思维所处的等级层次，判断学生思维的科学性、逻辑性、严密性以及运动科学原理解释科学现象的语言表达能力。[6]

2.利用实作任务测评

实作任务能考查学生对科学知识、概念、规律掌握的程度，能考查学生应用观念解决复杂问题的能力。在科学教学过程中，我们要联系科学教学内容精心设计课外作业，布置实作任务，让科学走出课堂，走进生活。教师可以根据教学内容的联系点，适当地拓展，布置学生实作任务(如表2所示)。

表2 学生实作任务内容

3.利用科学情境化试题测评

解题的思维过程是运用科学知识进行分析、判断、简化、建模等思维活动把情境化问题转化为非情境化的过程，然后运用科学公式推导、演算等方法，得到问题的答案。只有具备科学观念的学生，才能实现文字、情境与科学条件三者之间的灵活转化，才能顺利地运用科学知识解决问题。因此，真实科学情境试题能考查学生对观念的建构。[7]

例如，在电路的串并联应用教学中，教师可以设计情境化试题，考查学生相互作用观应用的水平层次。为融化输电线上结的冰，国家电网公司研制了直流融冰电源。该电源最大融冰电流可达6 000 A，最长融冰距离可达200 km，从而避免因线路结冰而倒杆断线。如图8为相距几十公里的甲、乙两地之间输电线路和处于乙地的融冰装置示意图，“+”“-”是电源的两极。现要对甲、乙两地之间的“2”和“3”两根输电线同时融冰，请你在图中以笔画线代替导线，进行切实可行的连接，实现融冰，融冰时交流电已切断。

图8 输电线路和融冰装置示意图

评析：解答本题的知识要求是很低的，相当于两个灯泡的串、并联方法，但是能正确地解答此题的学生并不多。解决此题的关键是学生把实践情境转化为科学知识的能力，即具有理论联系实践观念。有理论联系实践观念的学生才能“设身处地”地思考问题，会很自然地想像出甲地离直流融冰装置的距离有几十公里远，而不会犯“纸上谈兵”的错误，糊涂地把输电线的甲端跟直流融冰装置连接起来。即按题意，把甲地的输电端用导线连接乙地电源是不现实的。因此，本题考查的主要目标是理论联系实践的科学观念，而不是串、并联知识。

总之，学生观念的形成与应用观念解决问题能力是一个逐步提升、循序渐进的过程。在科学教学中，教师要创设真实的情境，强化科学知识与实践情境的关联，开展科学探究活动，引导学生在正确理解科学概念和规律的基础上形成科学观念，发展科学思维能力。