指向核心素養發展的初中物理學科項目化學習
——以“物質的比熱容”為例

陳夢姣 張月蘭

(蘇州工業園區星灣學校,江蘇 蘇州 215021)

《義務教育物理課程標準(2022年版)》提出,課程育人的價值體現在發展學生的核心素養,物理課程育人價值在于學生通過學習逐步形成適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀.課程倡導開展學科項目化學習,以提升學科的實踐育人、綜合育人,從而充分體現學科育人價值.學科項目化學習通過貫穿始終的驅動性問題,引領學生思維從低階向高階,提升學生的學習主動意識、社會擔當和高階思維.學科項目化學習的知識觀指向的是與學科本質有關的核心概念或關鍵概念、能力的整體理解,定位更綜合、更上位.[1]學科項目化學習進課堂,以課時為單元展開微項目研究,實現學生學習進階,發展學生的核心素養.本文分別從觀念進階、思維進階、探究進階、態度進階4個方面闡釋項目研究落腳于物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個維度.學科項目化學習課例“物質的比熱容”獲得2022年江蘇省初中物理優質課比賽一等獎,是學科項目化學習進課堂的實踐樣例.

1 核心知識聚合物理概念,實現觀念進階

建立物理觀念是發展學生核心素養的維度之一.通過對物理概念的認知、理解達成物理觀念的形成,追求物理概念和規律的本質性理解.學科項目化學習是用學科概念作為聚合器,以此聚集更多的知識信息,將事實性的知識整合起來.[1]學科項目化學習包含的環節有:核心知識、驅動性問題、高階認知、學習實踐、公開成果、學習評價等,其中核心知識是從核心概念到關鍵概念再到知識點的知識體系,體現結構性、層次性、系統性,推進觀念的不斷進階.觀念進階的過程理應體現和符合認知發展,其5個層級分別為經驗、映射、關聯、系統和整合,是從簡單到復雜,從零散到系統的過程.[2]埃里克森等人在概念為本的課程設計中指出:從事實到主題再到概念是一個知識不斷抽象化的過程,為了促進學生的真正理解與遷移,需要上升到概念以上的層級來進行思考.以學生的認知發展層級為參考,基于這一課程設計理論,結合物理概念的學科特點,凝練出物理學科項目化學習過程中的認知結構模型,如圖1所示.

圖1 認知結構模型

認知結構包括以下環節:從情境中獲取經驗;映射到學科知識;關聯知識間的定性或定量關系,獲得核心概念;將核心概念整合成系統化關鍵概念;在理解情境中現象的成因、遷移至其他生活現象的過程中,洞察物理概念本質,形成相應的物理觀念.學生從物理學視角形成超越事實的概念框架,完成知識的總體認識,站在更高位、更本質的視角解釋自然和實際問題,實現從掌握低單元知識點到高階物理觀念的轉變.

以學科項目化學習設計“物質的比熱容”的教學結構模型,如圖2所示.課堂以實驗再現的方式呈現情境:“湖邊和內陸的溫度不同”,找尋生活中零散事實經驗;發現物理問題進而建立該現象到物理知識的映射,關聯到Q和Δt的關系;通過實驗初步體驗、深度體驗,尋找Q吸、m、Δt的關系和Q放、m、Δt的關系,多個物理量的定性、定量關系;系統協調變量關系,構建比熱容的核心概念;用比熱容知識解釋“湖邊為什么涼快”,加深對核心概念的理解;遷移至建構海陸風模型和解釋海陸風成因,深化對比熱容概念的本質性理解;不斷形成并內化“比熱容大,溫度變化慢”的物理觀念.教學結構主線清晰,學生的認知分層推進,經歷比熱容概念建構的過程,實現學生主動的觀念進階.

圖2 教學結構模型

2 高階認知引領學習活動,實現思維進階

實現思維進階是發展學生核心素養的維度之一.通過低階認知活動推進高階認知活動發生,追求科學思維的深度、系統的形成.從馬扎諾的學習維度框架來看,高階認知包含6種:問題解決、創見、決策、實驗、調研、系統分析.低階認知包含:獲取和整合知識、拓展和精煉知識.低階學習是高階學習的基礎,兩者密不可分.學科項目化學習,以解決問題為導向,注重低階認知和高階認知的統整,經歷認知策略的升級.以低階認知為起點,基于生活經驗或實驗現象,進行收集、歸納比較,從生活問題升格為物理問題,實現特殊問題向一般問題解決的過程,經歷分析綜合、推理論證、質疑批判、探查原因、優化修正等高階認知過程.解決問題的過程,推動學生主動思考,系統思考,實現思維進階.

圖3為“物質的比熱容”的認知進階設計.從“今夏炎熱”情境聯想到“水邊溫度和內陸溫度可能不同”的生活經驗喚起記憶開啟低階認知.通過模擬實驗確認情境的真實性,進而分析并尋找物理量之間關系,逐步躍遷到高階認知.利用蘇科版教材中的實驗裝置初步獲取數據啟動低階認知,引導學生反思實驗過程并優化實驗裝置:將外加熱改為內加熱,減少熱損失;將實驗室溫度計改為數字溫度計,增加讀數的及時性;將玻璃棒攪拌改為機械式攪拌,并將水和沙調整為水和油,實現受熱更均勻,獲得更精確的實驗數據,對數據發表創見,整個過程促進高階認知的發生.從表格中水和油的數據,比較“不同物質吸熱升溫的不同”啟動低階認知,歸納同種物質吸熱升溫的特點,利用描點作圖法進行分析評價,尋找定量關系,建立物體熱容的概念,持續探查原因,優化修正,得到物質的比熱容的概念,達成高階認知的發生.

圖3 認知進階設計

學習過程多次經歷認知進階的過程,從現象到問題,從初探到深探,從定性到定量,增強學生科學推理、科學論證、質疑創新等思維能力的培養,實現學生多元的思維進階.

3 驅動性問題貫穿學習過程,實現探究進階

實現探究進階是發展學生核心素養的維度之一.通過低階認知活動推進高階認知活動發生,追求科學探究真實的形成,此過程離不開驅動性問題.驅動性問題是根據學生年齡段特點而設置的指向抽象本質問題的真實問題.驅動性問題給學生提供探索空間,激發學生內在探究動力,幫助學生指明持續探究的方向.若本質問題較為復雜,可以利用問題鏈,不斷引出新問題,使探究不斷進階,認知不斷深入,概念逐漸明晰.在組織問題鏈時,應注意問題鏈具有指向性、連貫性、遞進性和完整性.問題指向于核心知識的概念構建,問題具有連續性且不突兀,新問題產生于上一層問題的結論,逐步解決問題的同時推動概念體系的建構.

如圖4所示,為“物質的比熱容”的驅動性問題設計.結合江南水鄉特點,和2022年夏季異常炎熱的熱點問題,以“湖邊居住的舒適度”為切入點,從“湖邊是否涼快”,到“湖邊為什么涼快”“到了晚上湖邊還涼快嗎?”以及“夏季傍晚納涼,為什么更喜歡湖邊?”從“是否”到“為什么”是引導學生從簡單問題入手實現解決復雜問題,從生活原始問題入手形成物理概念為目的,從現象判斷入手理解問題本質為目的.從“是否”到“還”是引導學生在解決已有問題的基礎上繼續深度探究,在獲得成就體驗的基礎上深化實驗體驗,在形成知識的基礎上全面獲取知識體系.驅動性問題進行遞進式設置,推動學生猜想假設,設計實驗獲取信息,交流反思實驗結論,引領比熱容概念下的科學探究不斷深入,提升科學探究能力,實現物理概念的本質性理解.

圖4 驅動性問題設計

4 學習實踐呈現學習價值,實現科學態度進階

實現科學態度進階是發展學生核心素養的維度之一.通過實際問題的發現推進學生真實的學習實踐,獲得科學態度的形成和進階.學科項目化學習中的學習實踐,包含探究性實踐、社會性實踐、審美性實踐、技術性實踐、調控性實踐5類實踐形態.[1]物理學科項目化進課堂以探究性實踐為主,多樣性實踐綜合,體現科學的探究性,更具包容性,經歷有意義的學習實踐歷程,達到知、行、思合一.真實問題激發內驅,設置貼合實際的教學情境有利于發現真實問題,以此推動學生持續探究,保持對自然的好奇心,引導學生從物理視角像科學家一樣思考、實踐并反思,主動尋找科學本質,變外驅型學習為內驅型學習.真實實驗培養態度,引導學生基于問題完成實驗,尊重實驗真實數據,合作實驗完成優化實踐,離析問題本質,培養學生實事求是、持之以恒的科學態度.真實身份強化責任,以真實身份代入,經歷社會性、審美性、調控性等實踐過程,利用跨學科知識解決驅動性問題,了解科學、技術、社會、環境之間是相互聯系、相互促進、相互制約的關系,承擔國家、城市建設的責任,為中華民族的繁榮昌盛貢獻力量.

圖5為“物質的比熱容”的學習實踐設計.

圖5 學習實踐設計

環節1:用情境誘導主動實踐.觀察湖邊和內陸附近的溫度不同實驗現象,尋找多個物理量之間的本質關系,通過解決實際生活問題激發學生學習實踐的欲望,明確提高居住舒適度的學科方向.

環節2:用實驗引導積極實踐.通過初步實踐體驗得到不同物質吸熱升溫不同.通過學生在沙盤上用插紅旗的方式選擇居住地,明晰水的比熱容大,可提高居住舒適度.

環節3:用深思激發意義實踐.通過對海風的有無、方向的確定、形成原因實驗分析,建立陸風的模型.綜合跨學科知識,除了海陸風外,由于地勢海拔不同形成的山谷風、熱島效應形成的鄉村風等.通過師生共同對沙盤中居住地的選取,明確水的比熱容大進而影響氣溫,形成風,可多維度提升居住舒適度.

環節4:用展示分享實踐.利用沙盤引導學生從城市建設、審美性等多方面考量,對已初具規模的城市進行舒適度提升的合理建議并實踐.通過引流或增加綠化等方式,討論并實施,集眾人之力,理論聯系實際,動手參與制作,完成一幅家園建設的作品.沙盤是學習實踐的主線,將學習分解為“不同區域溫度有所不同嗎”“水的溫度變化小”“風的成因”.沙盤是學習實踐的展示,引導學生完成“明確方向”“初步選址”“優化選址”“設計規劃”,實現由被動參與向主動學習的轉化,體驗學科價值,體悟學習的意義和責任.

學科項目化學習進課堂,是對傳統物理課堂的積極創新,是圍繞新課程標準進行的實踐思考,充分體現學科性、綜合性、時代性,更好地實現學生的全面發展,體現物理課程獨特的育人價值,全面提升學生的核心素養.學科項目化學習不僅僅在課堂,時間延伸課堂內外,空間延伸校園內外,可基于學段特點突破學段安排,可基于學科知識突破學科布局,可基于學生興趣突破課程設置.