基于科学教学元问题的教学设计——以“牛顿第一定律”为例

叶德伟 何沂琳

(1.浙江大学教育学院，浙江 杭州 310028；2.杭州师范大学附属未来科技城学校，浙江 杭州 311121)

教学元问题是教学起始、首要和本质的问题，是能够统领整个教学过程的核心、根本问题。科学教学元问题可视为科学教学原点的根本性问题，它规定与引领着科学教学的方向。具体来说，就是站在学生立场，针对特定科学课题，像专家那样一致性地回答：“为什么学？从育人的不同角度阐释清楚学习该主题的价值与意义；学什么？厘清具体学习哪几个点、它们之间有什么逻辑关系等；怎样学？突出并显化科学思维过程，明晰要发展的具体能力和品格；何谓学会？实施多元评价，如传统与表现、形成与终结等相结合。”[1]厘清每个科学课题的教学元问题，把握其背后所蕴含的育人目标、实现路径与评价方式，对学生核心素养发展具有十分重要的价值。因此，本文以科学教学元问题为主线，对牛顿第一定律的教学路径进行优化设计，并为教师依托科学教学元问题进行教学设计、促进学生核心素养的发展提供建议。

一、为什么学——牛顿第一定律的育人价值

教育的最终目的是育人，但这并不意味着可以否认知识学习的重要价值。素养不可能凭空形成，学科知识是素养形成的重要载体，是学校教育活动得以开展的一个“阿基米德点”[2]。在学习牛顿第一定律前，学生已初步学习了“力是改变物体运动状态的原因”，在这之后还将继续学习二力平衡、摩擦力等内容，牛顿第一定律起到了承上启下的作用；此外，牛顿第一定律是牛顿运动定律的“开篇定律”，既能使学生理性认识力与运动之间的关系，也可为后续牛顿运动定律学习奠定坚实基础。

与传统课堂不同的是，指向学生核心素养发展的课堂在重视科学知识与技能学习的基础上，更注重在知识学习过程中挖掘素养目标，充分发挥科学学科的育人价值。显然，牛顿第一定律学习也蕴含着促进学生科学本质理解、科学精神形成、核心素养发展的重要育人价值。牛顿第一定律学习过程中蕴含的控制变量、实验+推理、转换等科学方法，是学生未来进一步进行科学学习、解决现实问题的重要武器；同时，科学家们发现牛顿第一定律过程中所蕴含的百折不挠、不畏失败的科学精神对学生认识科学研究并非一蹴而就、科学是不断探索真理的过程具有十分重要的价值。

二、学什么——牛顿第一定律的学习目标

学习目标是教学的灵魂，支配着教学的全过程，并规定教与学的方向。[3]《义务教育科学课程标准(2022年版)》(以下简称“《科学课标》”)提出“科学课程旨在培养学生的核心素养”的课程总目标，并将科学课程旨在培养的核心素养界定为“科学观念”“科学思维”“探究实践”“态度责任”四个方面。[4]科学课程总目标对某一具体课题的学习目标设计具有重要指导作用，这就要求牛顿第一定律内容应围绕核心素养的四个方面设计教学目标；此外，关于牛顿第一定律内容，《科学课标》提出了“描述牛顿第一定律”[4]的内容要求。因此，本文结合牛顿第一定律的育人价值，以及《科学课标》对牛顿第一定律的内容要求，从科学课程旨在培养的核心素养的四个方面建构牛顿第一定律的学习目标。

科学观念：归纳、总结伽利略、笛卡儿、牛顿等人的研究结论，用科学的语言说出牛顿第一定律的主要内容；回顾牛顿第一定律的学习过程，提炼牛顿第一定律学习的关键步骤，并在真实情境中运用牛顿第一定律，深入理解力与运动之间的关系。

科学思维：依托科学史的知识，对比“力是改变物体运动状态的原因”的知识，质疑“力是维持物体运动状态的原因”的观点。

探究实践：利用控制变量、转换等科学方法设计实验方案和数据记录表，探究不同阻力对小车速度变化快慢的影响，运用实验+推理的科学方法推导出小车不受任何外力时的运动情况。

态度责任：回顾科学家们发现牛顿第一定律的关键步骤，体会勇于探究的科学精神。

三、怎么学——牛顿第一定律的学习过程

大量研究表明，真实的任务情境和符合学生认知发展规律的优质科学问题对学生科学概念建构和科学探究能力发展具有十分重要的价值。因此本文以指向学生核心素养发展的学习目标为导向，以指向牛顿第一定律概念建构的学习任务为载体，设计驱动学生概念建构路径的问题链，厘清学生建构牛顿第一定律的路径。

学习任务一：收集证据，反驳“力是维持物体运动状态的原因”的观点(详见表1)。

表1 学习任务一学生概念建构路径

设计意图：由科学史引入，结合具体生活现象，使学生产生认知冲突，激发学生学习的积极性；接着，要求学生动手进行定性实验，根据实验获得的证据反驳亚里士多德的观点，能够有效提升学生的证据意识。

学习任务二：设计方案，探究“不同阻力对物体速度变化快慢的影响”(详见表2)。

设计意图：学生小组合作动手动脑，经历提出问题、设计实验方案和数据记录、进行实验、得出结论等科学探究过程，科学探究能力能够有效提升；同时，教师在引导学生探究的过程中显化了控制变量、转换、实验+推理等科学方法，进一步加深学生对科学方法的理解。

表2 学习任务二学生概念建构路径

学习任务三：归纳总结，得出牛顿第一定律(详见表3)。

表3 学习任务三学生概念建构路径

设计意图：学生根据实验所得的结论结合科学家们的发现归纳牛顿第一定律，并对整个学习过程进行回顾反思，不仅有利于学生体会科学家们发现牛顿第一定律的艰辛，体悟科学家们勇于探究、百折不挠的科学精神，更能使学生认识到科学不是一成不变的，在新证据支持下已有结论可以被修正，是一个不断探究的过程。

四、何谓学会——牛顿第一定律的学习评价

学习评价既能诊断学生学习目标的达成情况，又能加深学生对概念的理解，外化学生的核心素养。指向学生核心素养发展的学习评价提倡不再拘泥于评价学生的知识记忆情况，更注重评价学生能否运用所学知识解决问题。表现性评价要求学生利用已学知识表现出某种特定技能，既反映学生的知识学习情况，又反映学生能否在真实情境中使用知识，是外化学生素养、科学检测学生是否达成既定目标的重要工具。因此，本文设计了与学生学习目标和学习路径相匹配的牛顿第一定律表现性任务及其评价量规。具体如表4～6所示。

表4 任务一表现性评价设计

设计意图：经历牛顿第一定律学习后，学生往往会认为亚里士多德提出力是维持物体运动状态的原因的观点是非常荒谬的。因此，在评价任务中让学生了解亚里士多德提出该观点时所处的时代背景及其他贡献，既能体会其在两千多年前进行科学研究的不易、提出这样的观点对科学发展的重要价值，感受到科学的发展是一个曲折的、不断探究的过程，又能通过所学知识反驳亚里士多德当时提出该观点的依据，进一步反驳力是维持物体运动状态的原因的观点。

表5 任务二表现性评价设计

设计意图：教学过程中的斜面实验实际上与伽利略当时所做的“理想斜面实验”有所不同，因此，让学生查阅资料，理解并模拟伽利略“理想斜面实验”，并根据教学过程中斜面实验的原理迁移说出伽利略“理想斜面实验”的原理、步骤，从而评价学生是否真正理解教学过程中的斜面实验。同时，书写探究报告也是科学探究能力的重要组成部分，要求学生以探究报告的形式撰写伽利略“理想斜面实验”的探究报告，能够对学生表达科学探究过程和结果能力作出有效评价。

表6 任务三表现性评价设计

设计意图：学生能否运用科学知识解决实际问题，是评价其获得的是“惰性知识”还是“有活力的知识”的黄金标准。因此，通过创设真实情境，让学生挖掘情境中的有效信息，将真实情境转化为科学情境，从而运用牛顿第一定律知识解决问题，这既有效评价了学生对牛顿第一定律的理解，也评价了学生发现问题的能力。

五、建议

基于以上设计过程以及科学教学元问题相关理论，本文为教师开展指向学生核心素养发展的科学教学设计提供三条建议。

1.制订素养学习目标，把握科学学科育人价值

课堂是核心素养落实到课程中最为微观的层面，是核心素养落地的主战场，因此，每堂课的学习目标都应指向学生核心素养的发展。具体看，指向学生核心素养发展的学习目标应具有以下四点特征：“有知识、展能力、化品格、显素养”[5]。

为使学习目标指向核心素养，学习目标的设计应在分析课标要求、学生学情、可用资源的基础上，进一步分析“该主题对学生未来社会生活有何价值？该主题蕴含着何种学科观念？该主题蕴含的学科知识、学科观念能与哪些关键能力和必备品格产生联系？该主题所承载的关键能力和必备品格需要依托怎样的真实学习情境？如何设计学生在真实学习情境中的表现路径？如何评价学生的学习表现？”等问题，以此设计出指向学生核心素养发展的学习目标。

2.渗透科学方法教育，培养科学探究关键能力

“授人以鱼，不如授人以渔。”与科学知识相比，科学方法具有更大的稳定性和更普遍的适用性。[6]若在教学过程中渗透科学方法教育，使学生建构起获得、运用科学知识的路径，那么当学生面对一系列迁移性较强的真实情境时，也能轻松解决问题。

在科学教学设计过程中，应挖掘课程标准、教科书中直接呈现的或隐含的科学方法教育要求，结合具体的教学内容特点确定所要教授的科学方法目标层次，并选用与教学内容相匹配的、符合学生认知发展水平的教学策略与学习资源推进科学方法教育，带领学生像科学家一样“发现”科学知识，逐步形成合理运用科学方法解决问题的意识和行为。

3.设计多元评价方式，助推素养目标真实落地

与传统学习评价不同，指向学生核心素养发展的学习评价更关注学生能否在现实生活中运用知识解决问题。但某些真实问题情境是无法在标准化测试中再现的，这就需要运用更加真实的、能够体现学生所学所用的评价方式(例如替代性评价、表现性评价等)，让学生在学习评价过程中制作“产品”以展示其所学所用。

教师应设计与生活情境相近、体现学习目标要求的评价任务及评价量规，并在完成评价任务前将评价量规教给学生，使学生明确最高层次的任务表现和结果，持续不断地改进自己的“产品”。此外，“产品”的形式是多种多样的，可以是物化产品(如模型、电路等)，也可以是书面产品(如论文、设计方案、研究报告等)，但不管形式如何都必须体现学生对学习目标、学习内容以及评价任务的理解。