初中科學學習進階的操作體系

摘要： 學習進階操作體系包含兩個模型、五條策略，核心是將“階”的序列與使用融入教學新設計中。“學習進階操作要素模型”指向教師應用學習進階的操作可行性，“學習進階下的科學課堂教學設計模型”指向學生會學、學會的效度。以質量守恒定律教學為例，結合五條教學策略，分析科學探究教學中“階”的優化指向。

關鍵詞： 學習進階; 操作要素; 教學設計; 教學策略; 模型; 科學探究

文章編號： 1005-6629（2019）8-0031-07 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

1 ?學習進階及其操作要素模型

美國國家理事會（NRC）在2007年將學習進階定義為：“對學生在一個時間跨度內學習和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式的描述”，“NRC的定義還是一個能得到多數研究者認同的界定”[1]。

盡管專家對學習進階的描述側重有異[2～5]，從一線教師操作層面上看，操作體系中的核心是“階”的序列設計與使用。結合教學實踐經驗，我們對學習進階的操作要素進行分解、組合、關聯，建立“學習進階操作要素模型”（見表1）。

學習進階操作要素模型： 指向學習進階應用研究的操作可行性，從進階變量是什么、“階”如何設計與使用這兩個重點問題開始分解，給出具體操作思路、操作要點，描述了相對應的水平層次或特征操作，列舉了在應用過程中遇到的四個難點： 進階維度之間的“均衡”;“階”的認知刻畫;建立清晰的“階”;推動“進階”的發生。這是一個如何將“階”融入教學設計并展示出來的問題，主要涉及教師教學設計與教學策略的改變。此模型的主要作用，一是為教師平時思考與實施學習進階提供參考;二是借此反思修正典型學習路徑與“階”的合理性。

2 ?促進學生進階的科學課堂教學設計

2.1 ?學習進階下的科學課堂教學設計模型

一節課，甚至是一個學習時段，都應該有可以具體化的進階終點目標，我們運用從進階終點逆向推理的方法，結合“學習進階操作要素模型”，確定進階起點，進而在進階終點與進階起點之間考慮“階的設計與使用”，建立“學習進階下的科學課堂教學設計模型”，應用于教學設計中（見圖1）。

圖1使用的關鍵有三處： 一是確定進階維度，解決“學什么”的問題，要放在核心概念層級下有跨度地思考學生可能會“怎么學”;二是確定水平層次，解決“學到什么程度”的問題，要放在學習路徑多樣性下有典型性地思考課堂應該“怎么教”;三是設計清晰進階，解決“怎么測”的問題，要放在真實情境習題化下有證據地思考學生“學得怎么樣”。素養時代下，深度學習、項目學習、課堂活動教學等，對科學學習方式都有類似“會學、學會”的探索，可以相互借鑒。

2.2 ?科學課堂教學設計模型具體運用要點

2.2.1 ?確定進階維度——學什么

首先以核心概念的知識本體作為進階變量。“質量守恒”作為本課時的核心概念與進階目標，還要置于更高層級的“變化與平衡”的科學觀念下。而白磷燃燒、鎂帶燃燒等化學變化，生成物、反應物等概念，作為進階的起點。知識內容本體作為進階變量可以清晰地刻畫學生對某一主題理解的認知發展層級。

其次以探究技能為進階變量。圍繞影響“量”的變化因素，如質量的測量、天平的使用等操作技能，可以作為進階的起點。反應物、生成物的質量測量與數據處理技能，氣體外逸、外界氣體影響等密閉空間的變量控制技能等，可作為中間認知狀態。而提出問題、建立假設、獲得證據、作出解釋等探究技能，可作為進階終點。

第三是考慮關聯進階。關注學生頭腦中內在知識結構的關聯程度，八年級的學生，所熟悉的化學變化僅限于以O2為主，必要的后續學習的化學變化，如CaCO3與HCl反應制取CO2等，須作必要的補充，整合概念、規律、探究、操作、解釋等作為關聯進階變量，促進學生對“質量守恒”問題的理解。

在此基礎上，整合學習內容，確定學習的目標、重點、難點和要點，如探究“質量守恒定律”，強化“證據”“解釋”是學習要點。

2.2.2 ?選擇學習路徑——怎么學

選擇學習路徑，既要結合教師積累的進階發展證據，又要關注基于進階的學情分析，根據學生學習特征設置課堂活動。

教師已有的經驗，可以幫助學生少走彎路，如跨學段意識，知識的連續性、整體性和層次性等。

基于進階的學情，教師可以自問以下五個問題： （1）在知識進階上，希望促進哪個核心概念或哪些科學觀念的建構？（2）在技能進階上，希望培養的關鍵能力是什么？（3）在關聯進階上，希望幫助學生建構哪些思維聯系？（4）在情感進階上，希望激發學生什么樣的心向？（5）在進階達成上，確定學生在學習中間可能遇到哪些問題？

2.2.3 ?確定水平層次——學到什么程度

確定水平層次，要考慮學生的現有認知狀態、中間認知狀態、階段學習目標。在質量守恒定律的探究中，學生擁有測質量等操作起點、物質燃燒等事實起點，這些都是學生共同的認知基礎，課時終點目標是一致的，都是為了理解“質量守恒”。對學生而言，“學習進階的價值所在不僅是指明路徑在哪里，更重要的是指明如何實現進階”[6]。由于進階路徑的多樣與學生之間的差異，所以，影響“如何實現進階”的中間認知狀態的確定，就成了教學設計中的關鍵。

對理解質量守恒定律而言，定量分析、裝置設計、技術工藝、實驗操作、獲得證據、相信結論等，既是重要的中間認知狀態，也是關鍵的進階節點。對比常規教學設計，運用水平層次設計的教學思路，實質上以中間認知狀態為突破口，更深入、準確地分析學情，解決重點、難點、要點、目標實現路徑等問題。

2.2.4 ?選擇教學程序——怎么教

進階路徑由水平層次鋪成，進階達成由教學程序執行。“多數研究者認為學習進階有兩個特征： 第一，學習進階路徑不是唯一的;第二，學習進階不能脫離教育過程而自發進行”[7]。

選擇教學程序，既要結合教師自身教學特長，又要關注驅動性問題與活動的選擇，及學生在其中的表現。

選擇驅動性問題與活動，教師可以這樣自問： （1）流程設計上，除了當下，能否為大單元及后續學習激發探究興趣和學習動機？（2）具體學習任務，能否聯系學生的生活經驗和原有認識？（3）任務之間的邏輯關系，是否順應相應學段的學習軌跡？（4）執行任務時，是否具有符合自身條件的教學可行性？（5）學生的外顯行為，能否處于學生的最近發展區甚至創建新的發展區？

2.2.5 ?設計清晰進階——怎么測

設計清晰進階，要按認知水平、按年級階段，對問題與活動情境化、習題化。利用“科學探究核心概念水平層次模型”[8]，在“確定進階維度”與“確定水平層次”之間建立聯系，在“問題、證據、解釋、評價、方法”五個主要進階變量中，確定本課時側重于“證據”“解釋”，兼顧其他變量，設定為水平3的要求。在獲取“證據”方面，水平3的要求是“變量控制、實驗設計”，“能將科學知識、探究技能應用于實際情境，解決常見的問題”，并“能通過對變量及現象的比較概括出科學結論”;在“解釋”方面，水平3的要求是“解釋證據是否充分支持結論”，落實到對質量守恒定律的具體理解，表現為宏觀解釋、微觀解釋、應用解釋。應用解釋具體如： 可以區別一些“紙片燃燒后固體質量減輕了，不符合質量守恒定律”“10g冰受熱熔化成10g水，遵循質量守恒定律”等似是而非的說法。微觀解釋在水平3是“使用模型”而不是水平4的“構建模型”，可以借助視頻或動畫等材料設計進階。

一般的教學中，例題或習題可能是教師憑感覺選的。學習進階教學，利用“科學探究基本環節測量要素模型”[9]，在“確定水平層次”與“設計清晰進階”之間建立聯系，例題或習題成為清晰進階的標示物。“階”的設計，不可違背學生認知規律盲目增加難度，加重學生負擔，通常如使用儀器、表格、數據記錄處理等。若學生學習潛力足夠，也可以考慮水平4的要求，如“評價反常結果和證據可靠性”，因為在質量守恒定律的探究中，這種現象還是常會遇到的，善加開發，也是對學習資源的一種利用。

2.2.6 ?選擇測量工具——學得怎么樣

選擇測量工具，既要教師能從已有的習題中開發測量工具，又要教師根據學生實際反饋修正。

開發的測評工具，通常是習題化的，這是因為學生對知識技能的掌握達到哪個層次，是否符合預定的學習目標，需要教師進行有效的測量。開發適當的測量工具，需要教師熟悉中考題型及其變化，了解課程標準要求、考試說明要求、中考主要知識點，具有一定的改編中考真題、真實情境習題化、學生問題情境化的能力。

反饋與修正，教師可以圍繞研究重點這樣自問： （1）測量工具上，習題是否對應清晰的“階”？是否還利用了巡視、討論、問卷、訪談等方法？（2）測量結果上，是否考慮到進階維度之間的“均衡”與學生學習信心的保護？（3）助學措施上，是否推動了“進階”的發生？活動化的助學是否精準？（4）自我反思上，“階”的認知刻畫是否符合學生的實際水平？（5）專家評議上，進階變量是什么？“階”如何設計與使用？

3 ?促進學生進階的科學課堂教學策略

能改變傳統好課觀念的，最給力的是“更好”。為了“更好”，我們從近十年的“質量守恒定律”好課實錄中選擇幾則，用“以思維為中心、以活動為基礎、以知識為根本、以變式為手段、以過程為主線”這五條教學策略重新審視，以期從理論中學習、從教歷中學習，將“階”及其表現期望展示出來。

3.1 ?提出問題能力的進階策略——以思維為中心

課堂一開始，教師就提出這樣的問題：“同學們說說看，在化學變化中，質量守恒嗎？”學生集體并且大聲地回答“守恒”。教師瞬間“石化”幾秒鐘，因為學生好像集體都“學會了”，還因為教師在預設中認為“一定有學生會說不守恒的，這樣就可以開展討論了”。這種現象在公開課中多次出現。為什么那么多的教師會設計出這樣的問題？原因之一是教師信守科學探究的第一步是提出問題，而恰恰缺乏從教材整體設計廣度看此探究的育人價值，沒有關注到“質量守恒定律”存在于《科學·八年級下冊》，此階段學生需要的不是這種水平1的問題，而是水平3的問題： 對提出的問題進行簡單分析、產生新問題。由于沒有設計好驅動性問題，這種科學探究進階目標設計上的錯位，常常讓一節精心準備的課游離于學生的思維之外。

可以用“以思維為中心”的策略，重視驅動性問題的設計，指向關聯進階： 教師引入相關實驗，完成一個與學生思維有沖突的“不守恒”的實驗。也可以提供多組實驗，這些實驗的選材要有明顯的實驗現象，可涉及變色（NaOH+酚酞+HCl、加熱銅絲）、有沉淀產生（NaOH與CuSO4反應）、發光有煙（鎂帶燃燒、白磷燃燒、木條燃燒）、有氣體產生（大理石與HCl制CO2、 H2O2制O2）等，建立多個關聯實驗的演示或討論情境，引導學生獲取證據、開始質疑，重點指向分析后“產生新問題”，提高探究學習的精度。

3.2 ?獲取證據能力的進階策略——以活動為基礎

獲取證據首先需要形成可檢驗的假設，從操作性定義的角度看，還要細化找到反應發生了的標志——生成Cu（OH）2沉淀，及盛放溶液的裝置質量的處理。如“先分別測量NaOH與CuSO4的質量，再測反應后的總質量，比較前后質量的變化”，“完美”的操作設計偏偏有學生舉手說“我們組的實驗，質量是不守恒的”。原來學生是“先測燒杯與NaOH溶液的質量，再測燒杯與CuSO4溶液的質量，把NaOH溶液倒入盛有CuSO4溶液的燒杯后，再測空燒杯的質量”，通過計算得出“質量不守恒”。因為測量次數過多，及小部分NaOH溶液殘留在原燒杯中，造成數據誤差偏大——獲取證據方法正確，測量過程沒有從減少質量測量次數上思考。

因為大多數學生的實驗結果符合教師預設，教師的智慧平息了生成的浪花，進一步討論“產生氣體的反應”“白磷燃燒”等實驗設計，以獲取更多支持或不支持假設的證據。這種教學設計是與八年級下“變量控制、設計實驗”的科學探究要求相適應的，在證據獲得上，側重于“把氣體抓回來測量”或“把空氣中參加反應的O2密封起來”的變量控制與實驗設計，即建立一個與周圍隔絕的體系。教師運用“以活動為基礎”的策略，借助活動化的精準助學，指向技能進階。從模仿教材到獨立設計，再到有限遷移，對吸收或放出氣體實施變量控制，涉及變量可知可測、儀器使用、表格使用、數據記錄等學習過程，教師全程助學，對實驗技能相對較弱的學生，還允許用“畫圖”的方法來呈現。

3.3 ?據理解釋能力的進階策略——以知識為根本

在許多課堂上，解釋環節就用簡單的對話來完成： 第三組同學，匯報下，你們的結論是什么。請來回答的組，都是教師巡視過程中默選的典型，幾組匯報后，得出教材中的結論：“許多相似的實驗和研究表明： 在化學反應中，參加化學反應的各物質的質量總和等于反應后生成的各物質的質量總和”[10]。

這種簡單化的處理固然受教學時間因素的影響。但“以知識為根本”并不只是得出結論、記憶結論。當學生開始相信化學變化中質量守恒時，適時運用“以知識為根本”策略，追求核心概念層級，指向知識進階。從知識層面上分析，得出這樣的結論需要“許多相似的實驗和研究”，需要“討論干擾因素”，剝離“實驗裝置本身質量帶來的干擾”，“分析現象和數據”，“解釋過程和結果”，還需要“精確的質量測量工具”，然后才是“準確表達結論”。關于“解釋”與“評價”的表現，以水平3的“解釋證據是否充分支持結論”“處理數據”“結果與解釋的一致性”為要求。同時，設計一些數據化的討論及宏觀、微觀角度的分析，如宏觀原因上分析： 反應物質量等于生成物質量、物質種類變了、物質狀態可能變化、元素種類不變、元素質量不變;微觀解釋上分析： 原子種類沒變、原子數目沒變、原子的質量不變、原子重新組合、分子變了、分子數目可能變化等，并在微觀解釋上使用模型，用模型來測量學生對原理與關系的了解程度。質量守恒定律的微觀模型，作為知識進階必要的測量工具，最終為建立“變化與平衡”的科學觀念服務。

3.4 ?反思評價能力的進階策略——以變式為手段

對學生科學探究的評價，教師常常只表揚成功的，有意無意地忽略了失敗的實驗。在有限的時間與空間內，學生的探究大多數會參照教材設計，有變式就很不錯了，長期得不到肯定或輕易模仿得來的成功，都容易使學生對探究學習失去毅力。“以變式為手段”的策略，要利用多樣化的真實情境，指向毅力進階，一是用好教材變式，二是用好學生的創意變式，三是引入練習變式。

圖2是教材中的實驗設計[11]，關于白磷引燃的方式、裝置氣密性、氣球的變化及溫度對質量測量的影響，都是很好的反思評價的點。

學生中也常常會有不一樣的創意。比如有學生設計了如圖3的草圖，它不是用氣球來盛放氣體，而是把產生的CO2通入到澄清石灰水中，測量出整體質量不變。教師在關注學生創新設計的同時，也應該從科學本質上分析： 這樣的設計，得不到某一個反應是否質量守恒的結論，只能得出CaCO3與HCl、 CO2與Ca（OH）2兩個反應同時發生時，總體質量守恒。

引入練習變式，評價的重點也應該圍繞證據、解釋這兩個探究要點，具體如“過程是否適當”“證據是否可靠”“材料儀器”“處理數據”方法是否合理等。練習的選擇也應與八年級學生的進階水平層次相一致，如改編2018年某市的中考題： 稱取0.53g Na2CO3裝入氣球，將氣球套在錐形瓶上，裝置總質量66.33g。將藥品全部倒入裝有足量稀HCl的錐形瓶中，氣球迅速脹大，反應后裝置總質量66.19g。多次實驗發現： 反應前后裝置的總質量均不相等（空氣密度取1.3g/L， CO2密度取2.0g/L，結果精確到0.01）。

他得出結論： 反應前后測量中裝置總質量減少，相當于氣球脹大增加浮力造成的，所以該反應遵循質量守恒定律。

對以上驗證過程，學生在討論中提出了以下一些看法： 過程合理;原理可以;這個好像是電子秤吧（意指工具不可靠，數據可信度不高）;氣球會有彈性吧（意指材料會影響CO2的密度）。還有如： 質量守恒不是測出來的嗎？怎么是算出來的？而且減少的質量與增加的質量還不相等，只是相近。即： 測量中裝置總質量減少，損失的重力接近于氣球脹大增加的浮力，反應前后測量質量的減少不能確定就是浮力增大造成的，所以還不能說明該反應是否遵循質量守恒定律。

3.5 ?運用方法能力的進階策略——以過程為主線

運用“以過程為主線”的策略，側重持續探究的互動性，指向情感進階。在本課中，有以科學史為過程主線的優勢存在。教學借此分析眾多科學家的情感、毅力之所在，如1756年俄國化學家洛蒙諾索夫把錫放在密閉的容器里煅燒，得出的結論沒有獲得承認，1777年法國拉瓦錫重復實驗才獲得公認。1908年德國化學家廊道爾特及1912年英國化學家曼萊用更精密的實驗再次驗證。

學生或教師產生的真實情境，都可以成為學生體驗科學方法的過程材料，提高“持續探究的互動性”。有一次課堂中出現了這樣的情境： 在探究質量守恒定律的實驗設計階段，教師結合學生的技能水平，有意引導學生選擇與教材相近且操作相對容易的兩個實驗： 分組測CuSO4與NaOH反應、白磷燃燒的質量變化。CuSO4與NaOH反應學生很成功。白磷燃燒裝置，因為考慮到不用氣球緩沖氣壓變化，也能安全地完成實驗，簡約的裝置更容易讓學生聚焦思維，所以，用酒精燈墊石棉網加熱裝置圖4，代替圖2中的反應裝置。在加熱過程中，近一半的學生突然站起來，因為他們發現： 錐形瓶內，先出現大量白煙，然后是黃煙、黑煙上下翻滾，持續時間近一分鐘。

學生“嚇”著了。這種情感體驗，必然使部分學生遠離探究，降低對科學探究的黏性。

事后重做實驗分析，本來可行的設計，之所以出現這種現象，一是白磷的量近半顆黃豆（半顆綠豆大為好），反應時間長、過于劇烈，白煙太多，造成學生擔心瓶子是否會“炸”;二是沙子為學校操場沙坑里的，沒有清洗、也不干燥，水分的蒸發及雜質的燃燒干擾了實驗現象，白、黑、黃三色的混合，超過了學生對實驗現象的預期，且“三色”帶給學生直覺的情感體驗就是“可怕”。我們常常對學生說： 要控制變量、控制變量，而恰恰忘了，沙子在這里也成了一個變量。教師事后向學生分享課后再探究的過程，在一定程度上彌補本次教學在情感設計方面的不足。

學習進階操作體系從學生學習效度與教師應用上，給科學探究教學帶來新的思考。教學設計走近“會學、學會”的特征，使學習進階有了追求核心素養的可行性;從終點到起點逆推的進階水平層次分析特征，使教師的教學新設計有跡可循，操作上更具實用性;進階設計技巧關注問題、活動、互動、情境、多樣化等特征，使階的設計和使用有很強的包容性;教學策略有驅動性問題的設計、活動化的精準助學、追求核心概念層級、多樣化的真實情境、持續探究的互動性等特征，使“階”的優化有了指向性;進階維度與水平層次的確定、測量工具的設計與使用，使學習目標的測評更有針對性。

參考文獻：

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