指向素养的促进概念理解的教学设计——以浙教版初中科学的“测量”概念教学为例

沈 强

(绍兴市越城区孙端中学,浙江绍兴 312000)

《科学课程标准(2022年版)》的理念中遵循“少而精”的原则来聚焦学科核心概念,基于学生的认知水平来科学安排学习进阶.[1]以概念、规律和定律的理解为基础,在探究中提升科学思维,在实践中培养态度责任,形成正确的科学观念.概念是大脑在感觉、知觉和表象的基础上对感性材料进行去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里的思维加工的产物,而科学概念是组成科学知识的基本元素,它的内涵和外延包含了客观事物的共同属性或本质特征.如果在教学设计中能注重概念发展层级的评估和跃迁,那么在核心概念驱动的过程中更能体悟到跨学科概念的真谛,发现和建构概念体系之间的关联与整合.

1 指向素养的促进概念理解的学习模型

科学课程培养学生的核心素养.主要体现在逐步形成适应个人终身发展和社会发展所需要的正确价值观、必备品格和关键能力.强化在学生的整体性与整合性,是三维目标的提炼与升华.[2]通过核心概念驱动来促进概念建构和转变,适时完成动态概念的跃迁,这是实现核心素养的重要路径(见图1).我们应基于整合的观念,在深化探究实践中关注思维的融合.

图1 指向素养的促进概念理解的学习模型

我们应遵循促进概念理解的“整体性”“层次性”和“精细化”3个特征.[3]具体体现如下:整体性是把概念的各构成要素看作一个有机整体,从相互作用的关系中揭示规律,从整体上去认识概念的要素、内涵、外延、例证和前概念;层次性是根据学生现有的认知水平和知识经验来评估概念发层级,在概念理解中安排由浅入深、由表及里、由易到难的进阶原则,形成有序的概念表征和结构体系;精细化体现在概念能迁移到真实的问题情景中,在“从生活走向科学,从科学走向社会”的过程中顺应和纳入原有的认知框架,丰富科学概念的内涵和外延,从而促进概念的持续理解与迁移应用.

2 促进理解的实施策略和行动路径

科学作为一门以实验为基础的学科,在实证过程中涉及定性研究和定量测量相融合.“测量”是探究实验中获得数据实证的科学方法,是与观察紧密关联的实验操作技能.例如初中科学有长度、体积、时间、质量、电流、电压等单项测量;也有密度、电阻、电功、电功率、风、湿度等的组合测量;更有蕴含“测量”的项目化学习:测力计、密度计、风速仪、空气中氧气体积分数、地球仪等与测量相关的项目化制作;纵观科学史中也不乏测量的典型范例,如阿基米德关于浮力、帕斯卡等人测量大气压强的探究实践.所以“测量”不但是概念教学视角下的一个核心技能,更是能促进学生来理解和迁移的大概念.所以对“测量”的概念教学可以分别从概念层面、操作技能和大概念的视角出发,这样有利于测量技能的动手操作,组合测量的迁移领悟,以及项目化学习的物化应用.

2.1 聚焦整体:基于整合观念的核心概念驱动

2022年科学课标中以4个跨学科概念和13个核心概念来整体架构中小学科学的概念体系,在事实证据和一般概念习得的过程中,激发零星的惰性知识,通过问题、议题、主题、任务、项目、情境及探究等多种方式来逐步建构和发展完整的知识体系.“测量”作为“实验与观察”中的基本技能,也是“推理解释”的证据来源,掌握“测量”这个基本的科学方法,有利于发展初步的探究实践能力.

案例1.“测量”概念的“教—学—评”一致性理解.

教学环节.测量的概念是“一个待测量与公认的标准进行比较的过程”.从测量这个概念的表面言语可以提取“待测量”“公认的标准”这两个名词,以及“比较”这个动作.“待测量”是我们需要定量研究的对象,“公认的标准”是大家认同的、统一的测量标准,而“比较”就是测量的过程与方法.

“测量”的内涵包括从测量的估算,然后根据估算和需求选择合适的测量工具,而测量范围、最小刻度和零刻度作为测量仪器的三要素,决定了测量过程中的难易及精确程度.虽然不同的测量仪器有不同的注意点和要求,但对视线的看法及读写规则有着共同的表征.“测量”的外延是从工程物化的角度制作测量仪器时,从测量仪器的材料和原理的选择,从划分区域到确定起点,从标定到刻画来确定测量范围和最小刻度,以及特殊功能的特定结构.

学生活动.提供生活中熟悉的物品来测量各个科学量,分别从直接测量和间接测量来熟悉测量仪器的使用方法,如表1所示.

表1

评价方式.在测量过程中由于错误和误差会形成“偏大”“偏小”类问题,有些是由于读数时视线没有与刻度垂直的问题,有些是刻度没有与被测物体紧贴的问题,有些是标定的物体出现偏差的问题.当然我们遇到的一些习题中由于测量范围和最小刻度的标定差异也会产生不同的读数差异.以常规的温度计和长度的习题为例.

例1.有一支温度计的刻度不准,将此温度计在1 atm下放入冰水混合物中,示数是-2℃;放在1 atm下的沸水中示数是98℃.若将温度计放在室内空气中示数是26℃,则室内空气的实际温度是

(A)25℃. (B)28℃.

(C)24℃. (D)以上结论都不对.

解析:如图2所示,表示出准确的读数和不准确的读数的对应关系,由于准确的刻度和不准确的刻度都是均匀的,所以对应的长度是成正比的,可以列出比例式为解得x=28;所以选项(B)正确.

图2

例2.某同学用一把刻度均匀的米尺量得一物体长0.980 m,之后发现这把尺比标准米尺长了0.002 m,则该物体的实际长度为

(A)1.000 m.(B)0.982 m.

(C)1.020 m.(D)0.978 m.

解析:如图3所示,表示出准确的读数和不准确的读数的对应关系,由于准确的刻度和不准确的刻度都是均匀的,所以对应的长度是成正比的,可以列出比例式:,解得x=1.002×0.98=0.982,所以选项(B)正确.

图3

崔允漷教授提到:所谓“教—学—评”一致性是指在所有以学生为主体的教学活动中,教师的教、学生的学以及评价手段和结果都应当具有统一性、相关性、一致性,而其一致性表现为都需要指向根据精确分解课标和深入洞悉学情而预设的学习目标,不管是教学活动进行,还是评价任务执行,都是基于学习目标出发.[4]以教学目标、教学实践和教学评价中的一致化,在课堂教学中不断以评价反馈来体现学生学的状况,将教学评3者紧密围绕科学核心素养的培养.以核心概念为驱动,在整合的观念下的教学评一致化的实践,有利于打破学科间的藩篱,建构出能逐步完善和发展的概念体系.

2.2 层级进阶:深化探究实践的概念理解达成

不同的学段、不同的学习阶段对概念的理解有不同的要求.新课过程中更多的是将事实和经验转化成一般科学概念,而在复习时在占据科学概念的基础上,可以慢慢领悟核心概念和跨学科概念.选取蕴含真实科学问题的真实情景,将概念、规律和定理在探究实践中逐步领悟“大概念”的真谛,螺旋式地完成概念发展层级的进阶.宏观把握大概念之间的内在逻辑关系.形成科学观念.[5]“测量”在新课教学中是举例和方法的初步认识,在复习阶段就不能单纯的机械重复.需要在原有基本规律的基础上去探究挖掘“测量”的基本要素和通识性步骤,便于有机会演绎到新测量仪器的制作.

“黑箱”是指内部结构机理不能或不便直接观察的事物或系统,可以通过外部观察和实验,来认识其功能特性或推测其可能的结构模式.[4]科学研究中的宏观事物需要我们拓展视野,微观事物需要通过输入来表达其本质,很多科学规律也像黑箱一样,不能直接观察全部和打破其中显示内部结构.我们构造“黑箱”为研究载体,采用“黑箱方法”为探究实践的研究手段,从局部的特征来分析和归纳仪器中的基本要素.

案例2.“黑箱”中的“测量仪器”.

师:每4个同学为一组,分到一个“黑箱”,从黑箱中可以看到刻度的一部分(如图4所示),请根据观察到的局部特征,然后猜测是什么测量仪器?

图4 黑箱实验及各种方式的部分特征

第1组:不应该是量杯,量杯的上下面积不同,所以刻度是不均匀的.测量量和变化量成正比才会均匀;再观察刻度旁的信息.应该是水平横向放置的仪器,很可能是刻度尺.

第2组:看到刻度旁的数字是这样排列的,测量时应该是竖直放置的仪器,很可能是量筒.

第3组:看到刻度旁的数字是这样排列的,测量时应该是竖直放置的仪器,有零上和零下的测量范围,可能是温度计.

第4组:观察到数字上方有小金属块,应该是托盘天平上的横梁标尺.

设计意图.根据从刻度是否均匀、有无零刻度、刻度与数字是否垂直这些特征来逐步逐层分类激活学生认知中的测量三要素.这次采用黑箱的策略有点像“盲人摸象”,通过感受局部特征来推测整体,这样有利于激发学生探究的热情和增强创新意识,提升学生的科学思维品质.

从初步了解长度、体积、温度和质量的测量方法,到组合质量和体积来测量密度.测量的大概念体现在“大容量”和“大视野”.“大容量”体现在科学教学以长度测量为基础,到面积、体积、密度、浮力等相关测量,每一次的应用都强化了测量的认知体系.“大视野”是看到即“测量的关键是确定度量单位,因为单位是将整体转化为部分,使之成为可测量和可比较的统一工具”.[6]例如“相对原子质量”的概念的理解,从“原子的质量太小,表达和计算都很不方便”产生认知冲突,引入逆向迁移“太阳系中,太阳和8大行星之间的距离都比较远,采用了日地平均距离1.5×108km为一个天文单位长度,表达就方便”的案例示范,从而启发寻找合适“标准”的本质.带着测量的整体图景,从测量概念中抽离出的“定标准”“整体与部分”等精髓要素,对理解物理的机械效率、化学的质量分数和体积分数、生物的显微镜放大倍数、地理中的比例尺等相关内容都有积极作用.

2.3 理解精细:关注思维融合的动态概念跃迁

概念理解的精细化主要体现在将概念迁移到各类真实情境中,将学生原有的概念理解更加丰富、具体,不断能与自己的经验建立起紧密的联系.并依托分类、类比、举例、推理论证、解释应用等思维活动,通过项目化学习的“做中学”和“物化迭代”的方式,将新概念顺应和纳入原有的概念体系.

案例3.“制作地球仪”中的“测量”.

茫茫大海和深山老林中,我们如何来定位?地球仪作为表示地球和地球表面地理状况的模型,在制作过程中如何来定量表示(如表2所示)?

表2 基于“测量”理念的制作地球仪的项目化设计

新概念的习得与项目化学习方式的融合已经成为当今科学教学的一种方式,选取核心概念作为项目化的精神内核,在项目化的“做中学”中不断体悟,在动脑动手中深化理解概念的含义.通过这种内化结合的持续作用,在这类真实情景中的真实问题和需求,不断驱动探索实践.测量中我们提取“不同的标度”与“刻度比例”相结合,例如有浮力知识的密度计,弹簧性质的弹簧测力计,滑动变阻器的测风仪和油量表,液体热胀冷缩的温度计,通电导体在磁场中受力作用的电流表和电压表.我们也可以设计制作更精密测量长度的简易游标卡尺,或者能直接测量电阻阻值的欧姆表.在实践中不断体验和验证工具刻度的均匀性,尝试用数学工具来推导证明,并利用类比迁移等思维进一步设计和物化成果,让不同的项目化学习直指“测量”概念,让思维的融合不断推动概念发展层级的跃迁.

3 指向素养的概念体系发展的意义

3.1 有利于形成结构化的认知体系

促进概念的深层理解是在理解课程结构化的基础上实施的,例如“物质的特性”分别从物质的微观构成、质量概念的“物质多少”、密度概念的“物质疏密”、比热容概念的“物质吸放热的能力”、三态变化体现的“熔点和沸点”等多维度展开.在定义“密度”的概念,先通过比较相同的体积测量出质量不同,或者比较相同的质量测量出体积不同,但遇到体积和质量都不相同的物体比较时,通过测量出质量和体积,并且采用比值计算的方式去理解密度是物质的疏密程度的体现.有序渐进的课程结构是实现知识关联结构化、认识思路结构化、核心观念结构化的有效途径.[7]

3.2 有利于促进科学探究能力发展

概念的螺旋形理解是在不断的科学探究中深化,科学探究作为科学学习的基本学习方式和手段,使学生模仿科学家式的思考,学生在真实的问题情境中,容易共鸣并产生强烈的探究兴趣.概念发展能级能遵循“单点—映射—关联—系统—整合”的发展,[8]对事物的思维遵循“建构模型-解构模型-评价模型-发展模型-运用模型”的提升.概念的领悟过程就是对未知事物和模型的探究过程,对概念深度理解的过程有利于科学探究的步骤的熟悉,科学探究能力的提升.

3.3 有利于核心素养内涵相互融合

科学的核心素养是对科学思维、探究实践、态度责任、科学观念的融合表达,在习得概念、规律和定理的过程中,采用探究实践的方式,往往会运用比较与分类、控制变量与转换、分析与综合、归纳与演绎等科学方法,培养建模、推理和创新等科学思维,形成的科学态度和社会责任,形成物质、能量、结构、功能等大概念、科学本质及STSE认识的科学观念,培育担当正确的科学态度和责任,并能通过任务驱动来解决实际问题.这类整合式进阶教学能真实描述和总结认知发展,并能对核心素养发展的轨迹作精确描述.[9]