摘 要：整合與發(fā)展是當(dāng)今科學(xué)教育改革的核心理念.整合學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生思維方式、認(rèn)知過(guò)程和能力發(fā)展的整合式描述，其與學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展相融共生.本文以“大氣壓強(qiáng)”為例，基于整合學(xué)習(xí)進(jìn)階的相關(guān)理論，嘗試構(gòu)建整合科學(xué)概念與科學(xué)解釋的學(xué)習(xí)進(jìn)階分析框架，并以此設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，從而將相關(guān)理論研究轉(zhuǎn)化為實(shí)踐成果.

關(guān)鍵詞：整合學(xué)習(xí)進(jìn)階;科學(xué)概念;科學(xué)解釋;大氣壓強(qiáng)

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）20-0043-04

作者簡(jiǎn)介：吳弟斌（1982-），男，重慶巫溪人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：?jiǎn)卧虒W(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)進(jìn)階.

當(dāng)今教育變革的主題是促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展[1]，并引領(lǐng)課堂教學(xué)更加關(guān)注學(xué)生知識(shí)、能力、態(tài)度和價(jià)值觀的整合發(fā)展，整合學(xué)習(xí)進(jìn)階正是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生的教學(xué)設(shè)計(jì)模型.利用其對(duì)學(xué)生思維方式、認(rèn)知過(guò)程和能力發(fā)展的整合式描述，為初中物理概念教學(xué)的設(shè)計(jì)提供重要的分析框架.本文以“大氣壓強(qiáng)”為例，嘗試將科學(xué)概念與科學(xué)解釋的學(xué)習(xí)進(jìn)行進(jìn)階整合，并以此為框架進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，從而使得教學(xué)設(shè)計(jì)更加科學(xué)化、精細(xì)化，也更加貼近學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn).

1 整合學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論進(jìn)展

1.1 概念的提出

學(xué)習(xí)進(jìn)階是在2004年美國(guó)基礎(chǔ)教育階段科學(xué)學(xué)業(yè)成就評(píng)價(jià)委員會(huì)向美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)提交的報(bào)告中第一次被正式提出，并成為美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的核心編寫依據(jù).我國(guó)北京師范大學(xué)郭玉英教授所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)先后構(gòu)建科學(xué)概念、科學(xué)解釋和科學(xué)論證的學(xué)習(xí)進(jìn)階發(fā)展層級(jí)模型，并在此基礎(chǔ)上提出整合學(xué)習(xí)進(jìn)階的認(rèn)知模型[2].學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程是復(fù)雜的，學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展也是多個(gè)因素交互作用的結(jié)果[3]，所以，整合學(xué)習(xí)進(jìn)階更加貼近教學(xué)一線，也更加精確地描述學(xué)生的思維方式與科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展.

1.2 整合的變量與維度

在整合學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論研究與發(fā)展過(guò)程中，北京師范大學(xué)郭玉英物理研究團(tuán)隊(duì)在科學(xué)概念發(fā)展層級(jí)模型（經(jīng)驗(yàn)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合）的基礎(chǔ)之上，以不同的變量與維度建立了多個(gè)整合學(xué)習(xí)進(jìn)階模型.如張靜博士以心智模型與建模教學(xué)為變量，提出“基于心智模型進(jìn)階的導(dǎo)引式建模教學(xué)模式”[4];姚建欣博士將核心觀念和關(guān)鍵能力的進(jìn)階發(fā)展進(jìn)行融合，提出整合學(xué)習(xí)進(jìn)階認(rèn)知模型，并對(duì)“能量”主題進(jìn)行教學(xué)實(shí)證研究[5];弭樂老師以科學(xué)概念層級(jí)進(jìn)階為主線，在概念進(jìn)階的關(guān)鍵點(diǎn)上滲透整合論證活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)概念理解與科學(xué)論證能力的協(xié)同發(fā)展[6].

1.3 研究愿景

整合學(xué)習(xí)進(jìn)階研究的最終目的是描繪學(xué)生思維發(fā)展的清晰圖景，從而有助于教師選擇最恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式[7].當(dāng)前的研究表現(xiàn)出顆粒度較大，主要用于課程開發(fā)、學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)和教師培訓(xùn)，而要使整合學(xué)習(xí)進(jìn)階能走進(jìn)教學(xué)一線，就需要開發(fā)顆粒度更小（適用于一節(jié)課或幾節(jié)課）的進(jìn)階模型.只有學(xué)習(xí)進(jìn)階領(lǐng)域?qū)＜遗c一線教師建立廣泛的合作，貢獻(xiàn)各自的智慧，才能使整合學(xué)習(xí)進(jìn)階研究真正地促進(jìn)教學(xué)實(shí)踐.

2 整合科學(xué)概念與科學(xué)解釋的學(xué)習(xí)進(jìn)階分析框架

科學(xué)的實(shí)質(zhì)就是為自然現(xiàn)象提供解釋.科學(xué)概念是對(duì)事實(shí)、經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等運(yùn)用科學(xué)方法進(jìn)行抽象與概括的結(jié)果，學(xué)生科學(xué)概念的形成和運(yùn)用科學(xué)概念解釋更多現(xiàn)象的過(guò)程都離不開科學(xué)解釋，其關(guān)系如圖1所示.在教學(xué)中，科學(xué)概念的學(xué)習(xí)過(guò)程同時(shí)也是科學(xué)解釋能力的提升過(guò)程，所以教師有必要整合科學(xué)概念與科學(xué)解釋的學(xué)習(xí)進(jìn)階，從而更好地刻畫學(xué)生的思維過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生能力的提高.

人教版“大氣壓強(qiáng)”的學(xué)習(xí)安排在學(xué)生學(xué)習(xí)壓強(qiáng)和液體壓強(qiáng)之后，是對(duì)“壓強(qiáng)”概念的進(jìn)一步拓展和深化.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本節(jié)的要求是：知道大氣壓強(qiáng)及其與人類生活的關(guān)系.筆者通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，本節(jié)內(nèi)容在學(xué)生了解大氣壓強(qiáng)的存在及其大小之外，還要利用大氣壓強(qiáng)的知識(shí)解釋有關(guān)生活現(xiàn)象與關(guān)于大氣壓強(qiáng)應(yīng)用的實(shí)例，而且學(xué)生也需從生活現(xiàn)象和相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的嘗試分析、推理等過(guò)程中形成科學(xué)解釋，從而建構(gòu)關(guān)于大氣壓強(qiáng)的理解.可見，本節(jié)內(nèi)容主要包含科學(xué)概念的建構(gòu)和科學(xué)解釋能力的提升兩個(gè)方面，因此，本文從科學(xué)概念與科學(xué)解釋的角度進(jìn)行進(jìn)階分析，并整合相應(yīng)的分析框架，見表1.在此框架中，關(guān)于大氣壓強(qiáng)概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階在已有經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，按照“大氣壓強(qiáng)的存在、大小、變化、應(yīng)用”四個(gè)方面依次進(jìn)階，體現(xiàn)邏輯遞進(jìn)關(guān)系;在科學(xué)解釋方面，從不能給出解釋到能用對(duì)應(yīng)的單一知識(shí)給予解釋，到用對(duì)應(yīng)的單一知識(shí)和研究方法給予解釋，到用微觀的模型嘗試解釋，再到綜合調(diào)用不同的知識(shí)進(jìn)行解釋，解釋的復(fù)雜度和抽象程度逐漸提高;每個(gè)層級(jí)的科學(xué)解釋要求與同級(jí)的科學(xué)概念層級(jí)要求相對(duì)應(yīng)，體現(xiàn)科學(xué)概念學(xué)習(xí)和科學(xué)解釋能力提升的同步發(fā)展，并為接下來(lái)的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)提供分析路徑.

3 基于整合學(xué)習(xí)進(jìn)階分析框架的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)一進(jìn)階起點(diǎn)，引入新課學(xué)習(xí)

課前布置：讓學(xué)生在家里利用生活物品制作與大氣壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，并錄制實(shí)驗(yàn)視頻.

對(duì)比實(shí)驗(yàn)：播放學(xué)生用嘴將盆中的水吸入去底的飲料瓶中的課前實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)為水進(jìn)入飲料瓶是由于嘴產(chǎn)生的吸力;然后再拿出一個(gè)裝有飲料的瓶子，瓶蓋處插有吸管，并將瓶蓋與瓶身結(jié)合處以及與吸管結(jié)合處密封（播放制作視頻，展示吸管無(wú)異常），學(xué)生無(wú)法將飲料吸上來(lái).

引導(dǎo)討論：學(xué)生發(fā)現(xiàn)無(wú)法用“吸力”解釋第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，就會(huì)調(diào)動(dòng)已有知識(shí)進(jìn)行猜測(cè)：瓶口密封，使得瓶?jī)?nèi)沒有與外界相通的空氣.空氣和液體一樣具有流動(dòng)性，可能也會(huì)向各個(gè)方向產(chǎn)生壓強(qiáng)，引出課題.

設(shè)計(jì)意圖：課前實(shí)驗(yàn)增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，并為課堂學(xué)習(xí)提供真實(shí)素材.通過(guò)實(shí)驗(yàn)一誘發(fā)學(xué)生對(duì)生活中吸飲料的前概念認(rèn)識(shí)，再通過(guò)對(duì)比強(qiáng)烈的實(shí)驗(yàn)二激疑生趣，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突.在引導(dǎo)討論中聚焦問(wèn)題，統(tǒng)一進(jìn)階起點(diǎn)，從而進(jìn)入新課學(xué)習(xí).

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明大氣壓強(qiáng)的存在，并解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

演示實(shí)驗(yàn)：教師拿出曾經(jīng)演示液體壓強(qiáng)的玻璃圓筒，裝滿紅色的水，用紙片蓋住后倒置，并向不同方向傾斜，紙片和水均沒有掉落（如圖2所示）.引導(dǎo)學(xué)生分析原因，有同學(xué)認(rèn)為是大氣對(duì)紙片有壓強(qiáng)的原因，也有同學(xué)懷疑是紙片被水粘住.接著，老師將其中一個(gè)橡皮帽拔開，水和紙片瞬間掉落，說(shuō)明紙片并非被水粘住，而是周圍空氣對(duì)其有壓強(qiáng).

自主實(shí)驗(yàn)：學(xué)生自選帶掛鉤的塑料吸盤、玻璃板和塑料針筒等器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明大氣壓強(qiáng)的存在.

實(shí)驗(yàn)解釋：（1）展示學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)，并解釋如何證明大氣壓強(qiáng)的存在.

（2）解釋引入新課的實(shí)驗(yàn)，即為什么瓶口密封后，我們無(wú)法將飲料吸上來(lái)？

（3）學(xué)生舉例說(shuō)明生活中還有哪些現(xiàn)象能說(shuō)明大氣壓強(qiáng)的存在.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對(duì)大氣壓強(qiáng)存在的認(rèn)識(shí)和建構(gòu)一個(gè)完整的科學(xué)解釋是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程.在教學(xué)中，教師首先通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考、討論，用有力的證據(jù)排除學(xué)生心中的疑惑，確定大氣壓強(qiáng)的存在;再通過(guò)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出解釋的過(guò)程進(jìn)一步理解如何將現(xiàn)象與結(jié)論統(tǒng)一起來(lái);最后通過(guò)對(duì)引入新課實(shí)驗(yàn)和生活實(shí)例的解釋，讓學(xué)生摒棄原有的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，能用大氣壓強(qiáng)的存在解釋說(shuō)明相關(guān)實(shí)例，從而達(dá)成能用對(duì)應(yīng)知識(shí)提供解釋的階一目標(biāo).

3.3 學(xué)史引入，分析設(shè)計(jì)，測(cè)定大氣壓強(qiáng)的大小

學(xué)史引入：17世紀(jì)中葉，意大利物理學(xué)家伽利略聽到一個(gè)奇特的事實(shí)：一臺(tái)抽水機(jī)最多只能把水抽到10米高，無(wú)論怎樣改進(jìn)抽水機(jī)，也不能把水抽得更高.引導(dǎo)學(xué)生討論對(duì)這個(gè)問(wèn)題的看法.

學(xué)生解釋：抽水機(jī)抽水的實(shí)質(zhì)是大氣壓強(qiáng)將水壓上去，此現(xiàn)象說(shuō)明大氣壓強(qiáng)只能支撐10米高的水柱，可見大氣壓強(qiáng)的大小大約相當(dāng)于10米高的水柱產(chǎn)生的液體壓強(qiáng)大小.

分析設(shè)計(jì)：引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)測(cè)定大氣壓強(qiáng)大小的方法.學(xué)生想到可以找一段超過(guò)10米的玻璃管，將里面裝滿水，然后倒立放置在水面上，通過(guò)測(cè)量大氣壓強(qiáng)能托住的水柱高度，就可以用p=ρgh計(jì)算出大氣壓強(qiáng)的大小.教師引導(dǎo)學(xué)生分析方案的可行性，可以怎樣改進(jìn)？在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生想到可以用密度大的液體，能支撐的液柱高度就會(huì)降低，水銀的密度最大，所以可以用水銀進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)物理學(xué)史引入，將學(xué)生帶回問(wèn)題的原點(diǎn)，使學(xué)習(xí)更具探索性;學(xué)生在尋求解釋的過(guò)程中，明確測(cè)量大氣壓強(qiáng)的方法，理解其中涉及的轉(zhuǎn)換思想，使其達(dá)到能用對(duì)應(yīng)的知識(shí)和物理研究方法建立解釋的階二目標(biāo);最后在對(duì)方案的可行性分析和方案改進(jìn)中培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維與問(wèn)題解決能力.整個(gè)過(guò)程循序漸進(jìn)，合理順暢地引入托里拆利實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)大氣壓強(qiáng)的測(cè)量知其然，更知其所以然.

3.4 類比實(shí)驗(yàn)，建立微觀模型，解釋大氣壓強(qiáng)的變化

演示實(shí)驗(yàn)：為了說(shuō)明大氣壓強(qiáng)的產(chǎn)生原因，幫助學(xué)生建立氣體分子運(yùn)動(dòng)的微觀模型，利用透明塑料桶、乒乓球、電吹風(fēng)進(jìn)行模擬氣體分子運(yùn)動(dòng)的演示實(shí)驗(yàn).通過(guò)在塑料桶內(nèi)放入數(shù)量不等的乒乓球來(lái)模擬在不同位置空氣的密度不同，通過(guò)改變電吹風(fēng)的的風(fēng)速來(lái)模擬不同溫度下的空氣分子運(yùn)動(dòng)情況，乒乓球?qū)ν氨谧矒舢a(chǎn)生的平均壓強(qiáng)模擬大氣壓強(qiáng)的產(chǎn)生過(guò)程，從而使學(xué)生建立微觀的分子運(yùn)動(dòng)模型，理解氣體壓強(qiáng)的大小與氣體密度和溫度有關(guān)，為解釋大氣壓強(qiáng)隨海拔高度的變化提供認(rèn)知基礎(chǔ).

學(xué)生解釋：呈現(xiàn)大氣壓和空氣密度隨海拔高度變化的圖片（如圖3所示），引導(dǎo)學(xué)生解釋其變化關(guān)系;呈現(xiàn)我國(guó)青藏高原邊防戰(zhàn)士生活的圖片和視頻，引導(dǎo)學(xué)生分析他們會(huì)遇到哪些困難，如何克服這些困難.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)乒乓球的模擬實(shí)驗(yàn)，借助類比思維，幫助學(xué)生建立氣體分子運(yùn)動(dòng)的模型，從而對(duì)氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生建立科學(xué)的認(rèn)識(shí)，并以此為基礎(chǔ)解釋大氣壓強(qiáng)隨海拔高度的變化，使學(xué)生學(xué)習(xí)順利進(jìn)階到階三水平.通過(guò)對(duì)邊防戰(zhàn)士所處環(huán)境和困難的分析，使學(xué)生理解邊防戰(zhàn)士的偉大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的愛國(guó)情懷，并胸懷用科學(xué)知識(shí)服務(wù)祖國(guó)的志向.

3.5 回歸生活，聯(lián)系實(shí)際，解釋大氣壓強(qiáng)應(yīng)用的相關(guān)實(shí)例

演示實(shí)驗(yàn)：利用自制的透明飲水機(jī)模型（如圖4所示）演示其工作過(guò)程，學(xué)生觀察.

學(xué)生解釋：（1）解釋飲水機(jī)工作時(shí)水流動(dòng)的過(guò)程;

（2）解釋學(xué)生課前實(shí)驗(yàn)：會(huì)吸水的杯子.

課后拓展：下列任務(wù)三選一，可以小組合作完成.

（1）有些水杯上設(shè)計(jì)一個(gè)通氣孔，請(qǐng)解釋這個(gè)孔有什么作用？

（2）輸液管的側(cè)面有一個(gè)通氣管，這個(gè)管有什么作用？先進(jìn)行猜測(cè)與理論分析，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

（3）國(guó)家推進(jìn)“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，一位農(nóng)民伯伯想開辦一個(gè)養(yǎng)雞場(chǎng)，請(qǐng)你幫他設(shè)計(jì)制作一個(gè)小雞自動(dòng)喂水器.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)不同情境運(yùn)用概念建立解釋的過(guò)程，起到“活化”理解概念的作用;在建立解釋的過(guò)程中調(diào)用到不同知識(shí)，以提升學(xué)生的綜合分析能力，也使學(xué)生科學(xué)概念理解和科學(xué)解釋能力發(fā)展到階四水平.通過(guò)拓展任務(wù)將學(xué)習(xí)延伸到課外，任務(wù)的設(shè)計(jì)充分考慮學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，同時(shí)還突出學(xué)以致用的特點(diǎn).

4 結(jié)束語(yǔ)

整合學(xué)習(xí)進(jìn)階從不同的變量與維度，對(duì)學(xué)生思維的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行精確描述，將學(xué)習(xí)內(nèi)容與認(rèn)知過(guò)程進(jìn)行橫向與縱向整合，從而促進(jìn)學(xué)生能力的提升與素養(yǎng)的發(fā)展.在“素養(yǎng)本位”的教育當(dāng)代，切實(shí)需要教師更新教學(xué)觀念、轉(zhuǎn)變教學(xué)方式、優(yōu)化教學(xué)方法，整合學(xué)習(xí)進(jìn)階正是連接教、學(xué)、研同步發(fā)展的有效支架，是實(shí)現(xiàn)學(xué)生高品質(zhì)學(xué)習(xí)的有力保障，也應(yīng)成為一線教師教學(xué)研究的重要領(lǐng)域.

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（收稿日期：2021-06-22）