指向素養的促進概念理解的教學設計
——以浙教版初中科學的“測量”概念教學為例

沈 強

(紹興市越城區孫端中學,浙江紹興 312000)

《科學課程標準(2022年版)》的理念中遵循“少而精”的原則來聚焦學科核心概念,基于學生的認知水平來科學安排學習進階.[1]以概念、規律和定律的理解為基礎,在探究中提升科學思維,在實踐中培養態度責任,形成正確的科學觀念.概念是大腦在感覺、知覺和表象的基礎上對感性材料進行去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的思維加工的產物,而科學概念是組成科學知識的基本元素,它的內涵和外延包含了客觀事物的共同屬性或本質特征.如果在教學設計中能注重概念發展層級的評估和躍遷,那么在核心概念驅動的過程中更能體悟到跨學科概念的真諦,發現和建構概念體系之間的關聯與整合.

1 指向素養的促進概念理解的學習模型

科學課程培養學生的核心素養.主要體現在逐步形成適應個人終身發展和社會發展所需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力.強化在學生的整體性與整合性,是三維目標的提煉與升華.[2]通過核心概念驅動來促進概念建構和轉變,適時完成動態概念的躍遷,這是實現核心素養的重要路徑(見圖1).我們應基于整合的觀念,在深化探究實踐中關注思維的融合.

圖1 指向素養的促進概念理解的學習模型

我們應遵循促進概念理解的“整體性”“層次性”和“精細化”3個特征.[3]具體體現如下:整體性是把概念的各構成要素看作一個有機整體,從相互作用的關系中揭示規律,從整體上去認識概念的要素、內涵、外延、例證和前概念;層次性是根據學生現有的認知水平和知識經驗來評估概念發層級,在概念理解中安排由淺入深、由表及里、由易到難的進階原則,形成有序的概念表征和結構體系;精細化體現在概念能遷移到真實的問題情景中,在“從生活走向科學,從科學走向社會”的過程中順應和納入原有的認知框架,豐富科學概念的內涵和外延,從而促進概念的持續理解與遷移應用.

2 促進理解的實施策略和行動路徑

科學作為一門以實驗為基礎的學科,在實證過程中涉及定性研究和定量測量相融合.“測量”是探究實驗中獲得數據實證的科學方法,是與觀察緊密關聯的實驗操作技能.例如初中科學有長度、體積、時間、質量、電流、電壓等單項測量;也有密度、電阻、電功、電功率、風、濕度等的組合測量;更有蘊含“測量”的項目化學習:測力計、密度計、風速儀、空氣中氧氣體積分數、地球儀等與測量相關的項目化制作;縱觀科學史中也不乏測量的典型范例,如阿基米德關于浮力、帕斯卡等人測量大氣壓強的探究實踐.所以“測量”不但是概念教學視角下的一個核心技能,更是能促進學生來理解和遷移的大概念.所以對“測量”的概念教學可以分別從概念層面、操作技能和大概念的視角出發,這樣有利于測量技能的動手操作,組合測量的遷移領悟,以及項目化學習的物化應用.

2.1 聚焦整體:基于整合觀念的核心概念驅動

2022年科學課標中以4個跨學科概念和13個核心概念來整體架構中小學科學的概念體系,在事實證據和一般概念習得的過程中,激發零星的惰性知識,通過問題、議題、主題、任務、項目、情境及探究等多種方式來逐步建構和發展完整的知識體系.“測量”作為“實驗與觀察”中的基本技能,也是“推理解釋”的證據來源,掌握“測量”這個基本的科學方法,有利于發展初步的探究實踐能力.

案例1.“測量”概念的“教—學—評”一致性理解.

教學環節.測量的概念是“一個待測量與公認的標準進行比較的過程”.從測量這個概念的表面言語可以提取“待測量”“公認的標準”這兩個名詞,以及“比較”這個動作.“待測量”是我們需要定量研究的對象,“公認的標準”是大家認同的、統一的測量標準,而“比較”就是測量的過程與方法.

“測量”的內涵包括從測量的估算,然后根據估算和需求選擇合適的測量工具,而測量范圍、最小刻度和零刻度作為測量儀器的三要素,決定了測量過程中的難易及精確程度.雖然不同的測量儀器有不同的注意點和要求,但對視線的看法及讀寫規則有著共同的表征.“測量”的外延是從工程物化的角度制作測量儀器時,從測量儀器的材料和原理的選擇,從劃分區域到確定起點,從標定到刻畫來確定測量范圍和最小刻度,以及特殊功能的特定結構.

學生活動.提供生活中熟悉的物品來測量各個科學量,分別從直接測量和間接測量來熟悉測量儀器的使用方法,如表1所示.

表1

評價方式.在測量過程中由于錯誤和誤差會形成“偏大”“偏小”類問題,有些是由于讀數時視線沒有與刻度垂直的問題,有些是刻度沒有與被測物體緊貼的問題,有些是標定的物體出現偏差的問題.當然我們遇到的一些習題中由于測量范圍和最小刻度的標定差異也會產生不同的讀數差異.以常規的溫度計和長度的習題為例.

例1.有一支溫度計的刻度不準,將此溫度計在1 atm下放入冰水混合物中,示數是-2℃;放在1 atm下的沸水中示數是98℃.若將溫度計放在室內空氣中示數是26℃,則室內空氣的實際溫度是

(A)25℃. (B)28℃.

(C)24℃. (D)以上結論都不對.

解析:如圖2所示,表示出準確的讀數和不準確的讀數的對應關系,由于準確的刻度和不準確的刻度都是均勻的,所以對應的長度是成正比的,可以列出比例式為解得x=28;所以選項(B)正確.

圖2

例2.某同學用一把刻度均勻的米尺量得一物體長0.980 m,之后發現這把尺比標準米尺長了0.002 m,則該物體的實際長度為

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

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

解析:如圖3所示,表示出準確的讀數和不準確的讀數的對應關系,由于準確的刻度和不準確的刻度都是均勻的,所以對應的長度是成正比的,可以列出比例式:,解得x=1.002×0.98=0.982,所以選項(B)正確.

圖3

崔允漷教授提到:所謂“教—學—評”一致性是指在所有以學生為主體的教學活動中,教師的教、學生的學以及評價手段和結果都應當具有統一性、相關性、一致性,而其一致性表現為都需要指向根據精確分解課標和深入洞悉學情而預設的學習目標,不管是教學活動進行,還是評價任務執行,都是基于學習目標出發.[4]以教學目標、教學實踐和教學評價中的一致化,在課堂教學中不斷以評價反饋來體現學生學的狀況,將教學評3者緊密圍繞科學核心素養的培養.以核心概念為驅動,在整合的觀念下的教學評一致化的實踐,有利于打破學科間的藩籬,建構出能逐步完善和發展的概念體系.

2.2 層級進階:深化探究實踐的概念理解達成

不同的學段、不同的學習階段對概念的理解有不同的要求.新課過程中更多的是將事實和經驗轉化成一般科學概念,而在復習時在占據科學概念的基礎上,可以慢慢領悟核心概念和跨學科概念.選取蘊含真實科學問題的真實情景,將概念、規律和定理在探究實踐中逐步領悟“大概念”的真諦,螺旋式地完成概念發展層級的進階.宏觀把握大概念之間的內在邏輯關系.形成科學觀念.[5]“測量”在新課教學中是舉例和方法的初步認識,在復習階段就不能單純的機械重復.需要在原有基本規律的基礎上去探究挖掘“測量”的基本要素和通識性步驟,便于有機會演繹到新測量儀器的制作.

“黑箱”是指內部結構機理不能或不便直接觀察的事物或系統,可以通過外部觀察和實驗,來認識其功能特性或推測其可能的結構模式.[4]科學研究中的宏觀事物需要我們拓展視野,微觀事物需要通過輸入來表達其本質,很多科學規律也像黑箱一樣,不能直接觀察全部和打破其中顯示內部結構.我們構造“黑箱”為研究載體,采用“黑箱方法”為探究實踐的研究手段,從局部的特征來分析和歸納儀器中的基本要素.

案例2.“黑箱”中的“測量儀器”.

師:每4個同學為一組,分到一個“黑箱”,從黑箱中可以看到刻度的一部分(如圖4所示),請根據觀察到的局部特征,然后猜測是什么測量儀器?

圖4 黑箱實驗及各種方式的部分特征

第1組:不應該是量杯,量杯的上下面積不同,所以刻度是不均勻的.測量量和變化量成正比才會均勻;再觀察刻度旁的信息.應該是水平橫向放置的儀器,很可能是刻度尺.

第2組:看到刻度旁的數字是這樣排列的,測量時應該是豎直放置的儀器,很可能是量筒.

第3組:看到刻度旁的數字是這樣排列的,測量時應該是豎直放置的儀器,有零上和零下的測量范圍,可能是溫度計.

第4組:觀察到數字上方有小金屬塊,應該是托盤天平上的橫梁標尺.

設計意圖.根據從刻度是否均勻、有無零刻度、刻度與數字是否垂直這些特征來逐步逐層分類激活學生認知中的測量三要素.這次采用黑箱的策略有點像“盲人摸象”,通過感受局部特征來推測整體,這樣有利于激發學生探究的熱情和增強創新意識,提升學生的科學思維品質.

從初步了解長度、體積、溫度和質量的測量方法,到組合質量和體積來測量密度.測量的大概念體現在“大容量”和“大視野”.“大容量”體現在科學教學以長度測量為基礎,到面積、體積、密度、浮力等相關測量,每一次的應用都強化了測量的認知體系.“大視野”是看到即“測量的關鍵是確定度量單位,因為單位是將整體轉化為部分,使之成為可測量和可比較的統一工具”.[6]例如“相對原子質量”的概念的理解,從“原子的質量太小,表達和計算都很不方便”產生認知沖突,引入逆向遷移“太陽系中,太陽和8大行星之間的距離都比較遠,采用了日地平均距離1.5×108km為一個天文單位長度,表達就方便”的案例示范,從而啟發尋找合適“標準”的本質.帶著測量的整體圖景,從測量概念中抽離出的“定標準”“整體與部分”等精髓要素,對理解物理的機械效率、化學的質量分數和體積分數、生物的顯微鏡放大倍數、地理中的比例尺等相關內容都有積極作用.

2.3 理解精細:關注思維融合的動態概念躍遷

概念理解的精細化主要體現在將概念遷移到各類真實情境中,將學生原有的概念理解更加豐富、具體,不斷能與自己的經驗建立起緊密的聯系.并依托分類、類比、舉例、推理論證、解釋應用等思維活動,通過項目化學習的“做中學”和“物化迭代”的方式,將新概念順應和納入原有的概念體系.

案例3.“制作地球儀”中的“測量”.

茫茫大海和深山老林中,我們如何來定位?地球儀作為表示地球和地球表面地理狀況的模型,在制作過程中如何來定量表示(如表2所示)?

表2 基于“測量”理念的制作地球儀的項目化設計

新概念的習得與項目化學習方式的融合已經成為當今科學教學的一種方式,選取核心概念作為項目化的精神內核,在項目化的“做中學”中不斷體悟,在動腦動手中深化理解概念的含義.通過這種內化結合的持續作用,在這類真實情景中的真實問題和需求,不斷驅動探索實踐.測量中我們提取“不同的標度”與“刻度比例”相結合,例如有浮力知識的密度計,彈簧性質的彈簧測力計,滑動變阻器的測風儀和油量表,液體熱脹冷縮的溫度計,通電導體在磁場中受力作用的電流表和電壓表.我們也可以設計制作更精密測量長度的簡易游標卡尺,或者能直接測量電阻阻值的歐姆表.在實踐中不斷體驗和驗證工具刻度的均勻性,嘗試用數學工具來推導證明,并利用類比遷移等思維進一步設計和物化成果,讓不同的項目化學習直指“測量”概念,讓思維的融合不斷推動概念發展層級的躍遷.

3 指向素養的概念體系發展的意義

3.1 有利于形成結構化的認知體系

促進概念的深層理解是在理解課程結構化的基礎上實施的,例如“物質的特性”分別從物質的微觀構成、質量概念的“物質多少”、密度概念的“物質疏密”、比熱容概念的“物質吸放熱的能力”、三態變化體現的“熔點和沸點”等多維度展開.在定義“密度”的概念,先通過比較相同的體積測量出質量不同,或者比較相同的質量測量出體積不同,但遇到體積和質量都不相同的物體比較時,通過測量出質量和體積,并且采用比值計算的方式去理解密度是物質的疏密程度的體現.有序漸進的課程結構是實現知識關聯結構化、認識思路結構化、核心觀念結構化的有效途徑.[7]

3.2 有利于促進科學探究能力發展

概念的螺旋形理解是在不斷的科學探究中深化,科學探究作為科學學習的基本學習方式和手段,使學生模仿科學家式的思考,學生在真實的問題情境中,容易共鳴并產生強烈的探究興趣.概念發展能級能遵循“單點—映射—關聯—系統—整合”的發展,[8]對事物的思維遵循“建構模型-解構模型-評價模型-發展模型-運用模型”的提升.概念的領悟過程就是對未知事物和模型的探究過程,對概念深度理解的過程有利于科學探究的步驟的熟悉,科學探究能力的提升.

3.3 有利于核心素養內涵相互融合

科學的核心素養是對科學思維、探究實踐、態度責任、科學觀念的融合表達,在習得概念、規律和定理的過程中,采用探究實踐的方式,往往會運用比較與分類、控制變量與轉換、分析與綜合、歸納與演繹等科學方法,培養建模、推理和創新等科學思維,形成的科學態度和社會責任,形成物質、能量、結構、功能等大概念、科學本質及STSE認識的科學觀念,培育擔當正確的科學態度和責任,并能通過任務驅動來解決實際問題.這類整合式進階教學能真實描述和總結認知發展,并能對核心素養發展的軌跡作精確描述.[9]