大概念統攝下的小學科學“天體運動”學習進階研究

李中國 郭念琪

【摘 要】大概念是圍繞涉及重要科學領域的有結構、有聯系的科學核心概念和模型，構成學科課程學習框架，處于學科的統攝地位。學習進階是以學科大概念為基礎，以課程標準與教材為依據，依照學生認知發展規律所開展的教學創新實踐。從小學科學“天體運動”大概念中提煉出四個核心概念，依據各核心概念的學習進程劃分進階維度，提出進階評級要求，確定成就水平，融合學習維度與關鍵能力的培養設計學習軌跡，以此為腳本進行教學活動設計。最終提出整合核心概念，厘清進階路線；依據學習進階模型，開發教學設計；強調及時反饋，促進“教”“學”“評”相一致，最終實現大概念的有效教學。

【關鍵詞】小學科學 天體運動 大概念 學習進階

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確提出，小學生應該掌握核心概念，同時針對每一條概念設置三個學段的進階過程。這一要求反映了學習進階與大概念之間的緊密聯系，強調了通過對學科內容進行整合與重構可以更好地適應學生的認知發展和學習需要。為了響應這一教育理念并促進其在小學科學教育中的實施，科學教師的教學必須以學習進階為指導原則，精心設計與開展教學活動，確保學生的學習過程始終圍繞大概念展開，以實現科學知識的深度掌握和綜合運用。科學大概念不僅為教學提供了清晰的方向和框架，更是連接教學目標、內容、方法和評估的紐帶，具有深遠的教育價值和實踐意義。

一、小學科學課程中“天體運動”概念圖譜

（一）“天體運動”概念解析

天體運動是天文學和物理學的核心概念之一，涉及天體（如地球、月亮、太陽和其他星球）在太陽系中的運動規律。這一概念已經成為科學教育的重要組成部分。在新課標中，“天體運動”被確定為小學科學教育的重要主題，強調了地球自轉、公轉、月球運動和太陽系的基本特性等核心概念。目前，國內學者針對新課標開展了一系列研究，探討了如何有效地整合“天體運動”的概念和教學實踐。

在新課標中，第九部分“宇宙中的地球”章節提出“地球繞地軸自轉”“地球圍繞太陽公轉”“月球是地球的衛星”“地球是一顆行星”“地球所處的宇宙環境”“太空探索拓展了人類對宇宙的認知”六個核心概念，現將這六個核心概念進一步提煉概括為“天體運動”“地球組成” “地球家園”。通過對新課標與教材的梳理可以發現，天體運動章節貫穿小學、初中、高中始終，且在小學階段貫穿一至六年級三個學段，同時與初中課程緊密銜接。因此，結合2017年版課標和2022年版新課標，最終選取“在太陽系中，地球、月亮和其他星球有規律的運動著”為最終構建的大概念。在大概念的架構過程中，通常有核心概念作為具體支撐。美國《K-12教育框架》將概念劃分為核心概念和關鍵概念，核心概念是整合某個學科內容提煉出的對學科理解有非常重要意義的少數關鍵概念；關鍵概念則為其次級概念。

（二）小學科學課程中的“天體運動”概念矩陣

概念矩陣是一種有組織的知識結構，能夠系統地展示不同概念之間的關系和層次結構。在教育領域，它可以作為一種有效的工具，幫助學生理解和掌握復雜的科學概念。通過矩陣，教師可以分階段、分層次地引導學生學習，使學生由淺入深、循序漸進地掌握知識。通過概念矩陣，學生可以更好地分析和評估概念之間的關系，培養邏輯思維和批判性思考能力。學習進階研究若想要真正支持學生的學習，就需要以概念的認知根基為起點，圍繞學生在該概念上的認知發展構建概念發展的主軸。為了更直觀地展示核心概念間的關系，借助概念矩陣，現依據核心概念關鍵詞和新課標等相關文件，對核心關鍵詞剖析、串聯，刻畫出“天體運動”領域核心概念的學習矩陣。在該矩陣中，能夠看到以“地球”為中心詞展開的學習路徑是從原理到現象、從概念到認識、從理性到感性，層層遞進、環環相扣的過程。以本矩陣為依據，有助于接下來更好地構建學習進階路徑。（如圖1）

二、圍繞大概念構建“天體運動”學習進階

（一）劃分學習進階維度

學習進階維度一般是學科內或科學實踐過程中的核心概念，通過追蹤學生在這些維度上的發展可以了解其整體學習進程。本研究在提煉核心概念與構建概念矩陣的基礎上，結合新課標，對“天體運動”核心概念進行維度劃分。（見表1）

（二）基于“天體運動”概念的學習進階評價要求

以皮亞杰認知結構結論為依據，小學階段學生基本處于具體運算階段（7～11歲），該階段兒童心理活動的對象主要是抽象概念，有一定的運算性（邏輯性），但思維活動仍舊需要具體內容的支持。因此，本研究在設計學習進階的過程中，始終以具體事實內容為設計前提，在內容編排、活動設計上以概念的形成為目的。北京師范大學郭玉英、姚建欣團隊參照了國外研究，引入認知理論確立進階變量，確定學習進階的范式。在核心概念的學習進階上，其團隊依據層級復雜度和在知識整合的理論基礎上提出了“科學概念理解發展的層級模型”。參考該模型，以上文中維度——“晝夜更替”為例，劃分出進階評價要求。（見表2）

（三）“天體運動”成就水平的確定

成就水平是指在學習進階所追蹤的發展路徑上存在多個相互關聯的中間步驟，即學生對某一概念的理解及其理解水平。進階水平往往決定了個體的學習成效。本研究以學者Plummer的研究成果為參照，依照上文科學概念發展的層級模型，結合小學階段學生學習特點進行了成就水平的劃分。需要強調的是，設計子任務時，應注意能力進階障礙，及時反饋進階過程的成就水平，并提供合理的進階工具支持。因此，在實際教學中，教師應對學生成就水平節點進行有效性檢測，通過問卷調查、前測與后測試卷等方式進行測評。通過對教科版科學一至六年級教材以及新課標中“天體運動”相關概念的梳理，分析該主題中核心概念以及所包含的一般概念和學科事實性知識，并以此為基礎，借鑒優秀教師的教學經驗，以及和學生進行交流討論，對維度一包含的內容進行進階水平的劃分，確定各水平的概念理解程度和預期行為表現，完成維度一學習進階成就水平的設計。（見表3）

從表3可以看出，在水平一中，學生的學習水平在入學前多為簡單事實的羅列；從水平一到水平二，學生對影子形成的原理有了初步的理性認識，在此階段學生動手進行簡單實驗，具有了初步的空間想象能力和模型思維；從水平二到水平三，學生明顯具有了推理能力和模擬實驗的能力；從水平三到水平四，是學生深入學習的關鍵階段，學生對事實進行抽象地理論概括，進一步深化對模型的理解；水平五是進階終點，同時也是中學階段學習進階的起點，這一階段學生的學習需要起到鋪墊和銜接作用。學生可以進行“天體運動”原理的概括以及熟練掌握模型，同時能夠通過復雜的邏輯推理對事實現象證明或預測。通過水平一、二、三和四目標的達成，學生最終形成水平五的成就。這些不同的節點便構成了學習進階成就水平，每一水平階段都詳細描述了學生相應的表現預期。

（四）融合維度一構建學習進階軌跡

為了進一步構建和呈現學習進階，本研究從認知科學與教學論視角出發，對“天體運動”的教學內容進一步分析，用較為簡單的軌跡進行表征。學習軌跡是多元、多段、復雜的，不僅涉及概念理解和關鍵能力等多種認知發展要素的協同發展路線，同時在軌跡中遵循“層級中間為主、內部為輔”的多個層級的多段發展規律。本研究參照美國教育研究學會（AERA）年會上報告的研究，設計“天體運動”學習進階的五段式學習軌跡。從圖3可以看出，學習進階過程是不同認識發展要素相互融合的遞進式學習過程，自水平一到水平五的完成過程，也是認知發展與關鍵能力的協同發展過程。

（五）以學習軌跡為腳本，設計教學活動

相對于現有文獻的理論研究，本研究打破了“只見樹木，不見森林”的研究方式，依據維度一的學習軌跡設計相應階段的學習活動（見表4）。同時，教師在依據此教學活動為設計依據時，要注重學生反饋，及時對學生的檢測結果和自我反思進行不斷的修正與改進。

三、“天體運動”學習進階教學實踐策略

通過分析可知，基于大概念的學習進階路徑不是一成不變的，而是在教學實踐中不斷迭代更替的過程。為了實現大概念的最終構建，教師不應僅僅依賴現有的學習進階模型刻板套用于教學實踐，而是要將上述教學實踐活動變得更具備可操作性、靈活性。本研究以“天體運動”概念為例厘清學習進階的路線，提出具體教學設計，以及“教”“學”“評”之間的關系，有助于更好地將學習進階模型應用于教學實踐。

（一）整合核心概念，厘清進階路線

概念的整合更有助于學生宏觀把握科學知識，在準確理解學科大概念的前提下，進行核心概念的提煉梳理，科學規劃學習進階路線。厘清進階路線首先要確定進階起點與終點，在小學科學課程中，進階終點一般是小學畢業所要達到的成就水平。在科學課程內部不同的概念有著不同的進階路徑，教師在選取其中之一后，通過追蹤學生在某一概念的學習進程如何，可以將其劃分為不同的進階維度。本研究將“天體運動”劃分為五個維度，選取其中一個維度進行多個互相關聯的成就水平劃分，根據學生的目標水平達成情況，劃分為不同的科學發展層級。以該層級為參照可以反映出學生思維發展過程的普遍水平。教師通過觀測各水平的學生預期表現，可以自行開發出評估工具。特定的測評工具可以追蹤學生在該預期路徑上的發展情況。通過驗證該測評工具，可以進一步修正成就水平的劃分，依據最真實的測評成果進行教學設計。

（二）依據學習進階模型，開發教學設計

以學習軌跡為腳本，設計學生學習活動，進而開始教學設計的具體開發。依據進階模型，教學開發以驅動問題和錨基任務為起點，激發學生興趣和好奇心。好的驅動問題和錨基任務以“天體運動”大概念中“地球每天自西向東圍繞地軸自轉，形成晝夜交替等有規律的自然現象”即“晝夜交替”概念為例，學生需要經歷從水平三到水平四的進階，同時為水平五的達成做鋪墊。基于此，在課堂伊始教師通過播放《流浪地球》的電影片段創設情境，提出一系列驅動問題或錨基任務：（1）地球流浪之后，發生了什么變化？（2）為什么地球開始“流浪”了？（3）沒有了白天黑夜，你的生活將會變成什么樣？（4）太陽發生了什么變化？如果太陽不動，只有地球動是什么樣子？（5）反過來，地球不動，太陽動又是什么樣？（6）地球和太陽同時動又是什么樣子？（7）日心說和地心說是否都成立？（8）如何驗證你的假設呢？該節課的主要活動是模擬實驗，通過《流浪地球》創設情境，激發學生好奇心，激活學生上一學段學習內容的記憶片段，學生對地球與太陽的相對運動有了初步的感性認識，在此基礎上進行模擬實驗，得出多種晝夜交替現象的解釋。一系列的提問讓學生隨著科幻劇情盡情想象，有助于從已有的地球自轉、公轉概念進行知識遷移，最終達到“晝夜交替現象有多種可能”“晝夜現象與地球和太陽的相對圓周運動有關”的成就水平。學生在留有疑問的同時，也為“尋找證據推導證明地球自轉的方向，即地球自轉的方向與天體的東升西落相反，即自西向東”核心概念的學習做了隱性鋪墊。

（三）強調及時反饋，促進“教”“學”“評”相一致

學習進階的教學應該通過及時高效的課堂反饋不斷對學習進階的水平節點不斷修正；新課標所構建的主要概念以課堂反饋的學生認知發展為基礎不斷完善。因此，學習進階的“教”“學”“評”三者是密不可分、相輔相成的。教師在教學過程中參照郭玉英團隊研發的ADDIE學習模式，通過課堂反饋有效改進教學，同時修正教師基于進階的學情分析，不斷調整進階過程。在現有研究中，如何高效地使三者有機結合還未有確定的模式。具體教學工作中，任課教師需通過問卷調查、學期前測、課堂前測以及后測等方式及時把握學生認識發展變化水平，記錄并監測學生對模糊概念、迷思概念的理解進度。這就要求教師轉變傳統“教書匠”角色，引導學生主動探究、主動反饋學習信息，改變傳統評價方式。

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