大概念统摄下的小学科学“天体运动”学习进阶研究

李中国 郭念琪

【摘 要】大概念是围绕涉及重要科学领域的有结构、有联系的科学核心概念和模型，构成学科课程学习框架，处于学科的统摄地位。学习进阶是以学科大概念为基础，以课程标准与教材为依据，依照学生认知发展规律所开展的教学创新实践。从小学科学“天体运动”大概念中提炼出四个核心概念，依据各核心概念的学习进程划分进阶维度，提出进阶评级要求，确定成就水平，融合学习维度与关键能力的培养设计学习轨迹，以此为脚本进行教学活动设计。最终提出整合核心概念，厘清进阶路线；依据学习进阶模型，开发教学设计；强调及时反馈，促进“教”“学”“评”相一致，最终实现大概念的有效教学。

【关键词】小学科学 天体运动 大概念 学习进阶

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）明确提出，小学生应该掌握核心概念，同时针对每一条概念设置三个学段的进阶过程。这一要求反映了学习进阶与大概念之间的紧密联系，强调了通过对学科内容进行整合与重构可以更好地适应学生的认知发展和学习需要。为了响应这一教育理念并促进其在小学科学教育中的实施，科学教师的教学必须以学习进阶为指导原则，精心设计与开展教学活动，确保学生的学习过程始终围绕大概念展开，以实现科学知识的深度掌握和综合运用。科学大概念不仅为教学提供了清晰的方向和框架，更是连接教学目标、内容、方法和评估的纽带，具有深远的教育价值和实践意义。

一、小学科学课程中“天体运动”概念图谱

（一）“天体运动”概念解析

天体运动是天文学和物理学的核心概念之一，涉及天体（如地球、月亮、太阳和其他星球）在太阳系中的运动规律。这一概念已经成为科学教育的重要组成部分。在新课标中，“天体运动”被确定为小学科学教育的重要主题，强调了地球自转、公转、月球运动和太阳系的基本特性等核心概念。目前，国内学者针对新课标开展了一系列研究，探讨了如何有效地整合“天体运动”的概念和教学实践。

在新课标中，第九部分“宇宙中的地球”章节提出“地球绕地轴自转”“地球围绕太阳公转”“月球是地球的卫星”“地球是一颗行星”“地球所处的宇宙环境”“太空探索拓展了人类对宇宙的认知”六个核心概念，现将这六个核心概念进一步提炼概括为“天体运动”“地球组成” “地球家园”。通过对新课标与教材的梳理可以发现，天体运动章节贯穿小学、初中、高中始终，且在小学阶段贯穿一至六年级三个学段，同时与初中课程紧密衔接。因此，结合2017年版课标和2022年版新课标，最终选取“在太阳系中，地球、月亮和其他星球有规律的运动着”为最终构建的大概念。在大概念的架构过程中，通常有核心概念作为具体支撑。美国《K-12教育框架》将概念划分为核心概念和关键概念，核心概念是整合某个学科内容提炼出的对学科理解有非常重要意义的少数关键概念；关键概念则为其次级概念。

（二）小学科学课程中的“天体运动”概念矩阵

概念矩阵是一种有组织的知识结构，能够系统地展示不同概念之间的关系和层次结构。在教育领域，它可以作为一种有效的工具，帮助学生理解和掌握复杂的科学概念。通过矩阵，教师可以分阶段、分层次地引导学生学习，使学生由浅入深、循序渐进地掌握知识。通过概念矩阵，学生可以更好地分析和评估概念之间的关系，培养逻辑思维和批判性思考能力。学习进阶研究若想要真正支持学生的学习，就需要以概念的认知根基为起点，围绕学生在该概念上的认知发展构建概念发展的主轴。为了更直观地展示核心概念间的关系，借助概念矩阵，现依据核心概念关键词和新课标等相关文件，对核心关键词剖析、串联，刻画出“天体运动”领域核心概念的学习矩阵。在该矩阵中，能够看到以“地球”为中心词展开的学习路径是从原理到现象、从概念到认识、从理性到感性，层层递进、环环相扣的过程。以本矩阵为依据，有助于接下来更好地构建学习进阶路径。（如图1）

二、围绕大概念构建“天体运动”学习进阶

（一）划分学习进阶维度

学习进阶维度一般是学科内或科学实践过程中的核心概念，通过追踪学生在这些维度上的发展可以了解其整体学习进程。本研究在提炼核心概念与构建概念矩阵的基础上，结合新课标，对“天体运动”核心概念进行维度划分。（见表1）

（二）基于“天体运动”概念的学习进阶评价要求

以皮亚杰认知结构结论为依据，小学阶段学生基本处于具体运算阶段（7～11岁），该阶段儿童心理活动的对象主要是抽象概念，有一定的运算性（逻辑性），但思维活动仍旧需要具体内容的支持。因此，本研究在设计学习进阶的过程中，始终以具体事实内容为设计前提，在内容编排、活动设计上以概念的形成为目的。北京师范大学郭玉英、姚建欣团队参照了国外研究，引入认知理论确立进阶变量，确定学习进阶的范式。在核心概念的学习进阶上，其团队依据层级复杂度和在知识整合的理论基础上提出了“科学概念理解发展的层级模型”。参考该模型，以上文中维度——“昼夜更替”为例，划分出进阶评价要求。（见表2）

（三）“天体运动”成就水平的确定

成就水平是指在学习进阶所追踪的发展路径上存在多个相互关联的中间步骤，即学生对某一概念的理解及其理解水平。进阶水平往往决定了个体的学习成效。本研究以学者Plummer的研究成果为参照，依照上文科学概念发展的层级模型，结合小学阶段学生学习特点进行了成就水平的划分。需要强调的是，设计子任务时，应注意能力进阶障碍，及时反馈进阶过程的成就水平，并提供合理的进阶工具支持。因此，在实际教学中，教师应对学生成就水平节点进行有效性检测，通过问卷调查、前测与后测试卷等方式进行测评。通过对教科版科学一至六年级教材以及新课标中“天体运动”相关概念的梳理，分析该主题中核心概念以及所包含的一般概念和学科事实性知识，并以此为基础，借鉴优秀教师的教学经验，以及和学生进行交流讨论，对维度一包含的内容进行进阶水平的划分，确定各水平的概念理解程度和预期行为表现，完成维度一学习进阶成就水平的设计。（见表3）

从表3可以看出，在水平一中，学生的学习水平在入学前多为简单事实的罗列；从水平一到水平二，学生对影子形成的原理有了初步的理性认识，在此阶段学生动手进行简单实验，具有了初步的空间想象能力和模型思维；从水平二到水平三，学生明显具有了推理能力和模拟实验的能力；从水平三到水平四，是学生深入学习的关键阶段，学生对事实进行抽象地理论概括，进一步深化对模型的理解；水平五是进阶终点，同时也是中学阶段学习进阶的起点，这一阶段学生的学习需要起到铺垫和衔接作用。学生可以进行“天体运动”原理的概括以及熟练掌握模型，同时能够通过复杂的逻辑推理对事实现象证明或预测。通过水平一、二、三和四目标的达成，学生最终形成水平五的成就。这些不同的节点便构成了学习进阶成就水平，每一水平阶段都详细描述了学生相应的表现预期。

（四）融合维度一构建学习进阶轨迹

为了进一步构建和呈现学习进阶，本研究从认知科学与教学论视角出发，对“天体运动”的教学内容进一步分析，用较为简单的轨迹进行表征。学习轨迹是多元、多段、复杂的，不仅涉及概念理解和关键能力等多种认知发展要素的协同发展路线，同时在轨迹中遵循“层级中间为主、内部为辅”的多个层级的多段发展规律。本研究参照美国教育研究学会（AERA）年会上报告的研究，设计“天体运动”学习进阶的五段式学习轨迹。从图3可以看出，学习进阶过程是不同认识发展要素相互融合的递进式学习过程，自水平一到水平五的完成过程，也是认知发展与关键能力的协同发展过程。

（五）以学习轨迹为脚本，设计教学活动

相对于现有文献的理论研究，本研究打破了“只见树木，不见森林”的研究方式，依据维度一的学习轨迹设计相应阶段的学习活动（见表4）。同时，教师在依据此教学活动为设计依据时，要注重学生反馈，及时对学生的检测结果和自我反思进行不断的修正与改进。

三、“天体运动”学习进阶教学实践策略

通过分析可知，基于大概念的学习进阶路径不是一成不变的，而是在教学实践中不断迭代更替的过程。为了实现大概念的最终构建，教师不应仅仅依赖现有的学习进阶模型刻板套用于教学实践，而是要将上述教学实践活动变得更具备可操作性、灵活性。本研究以“天体运动”概念为例厘清学习进阶的路线，提出具体教学设计，以及“教”“学”“评”之间的关系，有助于更好地将学习进阶模型应用于教学实践。

（一）整合核心概念，厘清进阶路线

概念的整合更有助于学生宏观把握科学知识，在准确理解学科大概念的前提下，进行核心概念的提炼梳理，科学规划学习进阶路线。厘清进阶路线首先要确定进阶起点与终点，在小学科学课程中，进阶终点一般是小学毕业所要达到的成就水平。在科学课程内部不同的概念有着不同的进阶路径，教师在选取其中之一后，通过追踪学生在某一概念的学习进程如何，可以将其划分为不同的进阶维度。本研究将“天体运动”划分为五个维度，选取其中一个维度进行多个互相关联的成就水平划分，根据学生的目标水平达成情况，划分为不同的科学发展层级。以该层级为参照可以反映出学生思维发展过程的普遍水平。教师通过观测各水平的学生预期表现，可以自行开发出评估工具。特定的测评工具可以追踪学生在该预期路径上的发展情况。通过验证该测评工具，可以进一步修正成就水平的划分，依据最真实的测评成果进行教学设计。

（二）依据学习进阶模型，开发教学设计

以学习轨迹为脚本，设计学生学习活动，进而开始教学设计的具体开发。依据进阶模型，教学开发以驱动问题和锚基任务为起点，激发学生兴趣和好奇心。好的驱动问题和锚基任务以“天体运动”大概念中“地球每天自西向东围绕地轴自转，形成昼夜交替等有规律的自然现象”即“昼夜交替”概念为例，学生需要经历从水平三到水平四的进阶，同时为水平五的达成做铺垫。基于此，在课堂伊始教师通过播放《流浪地球》的电影片段创设情境，提出一系列驱动问题或锚基任务：（1）地球流浪之后，发生了什么变化？（2）为什么地球开始“流浪”了？（3）没有了白天黑夜，你的生活将会变成什么样？（4）太阳发生了什么变化？如果太阳不动，只有地球动是什么样子？（5）反过来，地球不动，太阳动又是什么样？（6）地球和太阳同时动又是什么样子？（7）日心说和地心说是否都成立？（8）如何验证你的假设呢？该节课的主要活动是模拟实验，通过《流浪地球》创设情境，激发学生好奇心，激活学生上一学段学习内容的记忆片段，学生对地球与太阳的相对运动有了初步的感性认识，在此基础上进行模拟实验，得出多种昼夜交替现象的解释。一系列的提问让学生随着科幻剧情尽情想象，有助于从已有的地球自转、公转概念进行知识迁移，最终达到“昼夜交替现象有多种可能”“昼夜现象与地球和太阳的相对圆周运动有关”的成就水平。学生在留有疑问的同时，也为“寻找证据推导证明地球自转的方向，即地球自转的方向与天体的东升西落相反，即自西向东”核心概念的学习做了隐性铺垫。

（三）强调及时反馈，促进“教”“学”“评”相一致

学习进阶的教学应该通过及时高效的课堂反馈不断对学习进阶的水平节点不断修正；新课标所构建的主要概念以课堂反馈的学生认知发展为基础不断完善。因此，学习进阶的“教”“学”“评”三者是密不可分、相辅相成的。教师在教学过程中参照郭玉英团队研发的ADDIE学习模式，通过课堂反馈有效改进教学，同时修正教师基于进阶的学情分析，不断调整进阶过程。在现有研究中，如何高效地使三者有机结合还未有确定的模式。具体教学工作中，任课教师需通过问卷调查、学期前测、课堂前测以及后测等方式及时把握学生认识发展变化水平，记录并监测学生对模糊概念、迷思概念的理解进度。这就要求教师转变传统“教书匠”角色，引导学生主动探究、主动反馈学习信息，改变传统评价方式。

【参考文献】

[1]李刚，吕立杰.大概念课程设计：指向学科核心素养落实的课程架构[J].教育发展研究，2018（Z2）.

[2]刘长城，张向东.皮亚杰儿童认知发展理论及对当代教育的启示[J].当代教育科学，2003（1）.

[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（11）.